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不同電流和電壓對(duì)電滲析分離深層海水的影響

2023-02-04 02:40張亞南馬來(lái)波高春娟于筱禺王澤江王玉琪
鹽科學(xué)與化工 2023年1期
關(guān)鍵詞:電滲析濃縮液電導(dǎo)

張亞南,馬來(lái)波,高春娟,于筱禺,王澤江,王玉琪,張 琦

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所,天津 300192)

1 前言

深海是地球上最大的未知區(qū)域,蘊(yùn)藏著人類社會(huì)未來(lái)發(fā)展所需的各種戰(zhàn)略資源和能源,被譽(yù)為21世紀(jì)人類可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略新疆域。除深海油氣田及礦藏資源的商業(yè)開(kāi)發(fā)外,深層海水作為一種清潔、綠色的新資源正受到越來(lái)越多的關(guān)注和重視。深層海水是海平面以下太陽(yáng)光照射不到的海水,一般是指深度200 m以下的海水。與表層海水相比,深層海水具有低溫穩(wěn)定性、富營(yíng)養(yǎng)性和潔凈無(wú)污染等獨(dú)特的性質(zhì)。深層海水遠(yuǎn)離工業(yè)和人為污染,其礦物質(zhì)含量豐富、成分穩(wěn)定,具有較高的提取、加工及應(yīng)用優(yōu)勢(shì),以深層海水為原料能生產(chǎn)出比陸地水、表層海水產(chǎn)品更為優(yōu)質(zhì)的深海水產(chǎn)品。美國(guó)、日本、韓國(guó)和我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)自20世紀(jì)80年代開(kāi)展相關(guān)研究,開(kāi)發(fā)了深海系列產(chǎn)品,取得了豐厚的經(jīng)濟(jì)效益[1-4]。

電滲析(electrodialysis,ED)技術(shù)是將溶液中帶電組分在外加直流電場(chǎng)和離子交換膜選擇性的共同作用下進(jìn)行分離的一種電化學(xué)過(guò)程。電滲析膜濃縮系統(tǒng)的原理是利用電滲析膜對(duì)離子選擇透過(guò)性而使不同的物質(zhì)得到分離,它具有無(wú)相變、分離效率高、可在常溫下進(jìn)行、無(wú)化學(xué)變化、節(jié)能、設(shè)備簡(jiǎn)單、衛(wèi)生程度高、操作方便和自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。此工作通過(guò)小試裝置,針對(duì)深層海水水質(zhì)特性,確定深層海水膜分離濃縮最佳技術(shù)路線和工藝條件,解決深層海水濃縮過(guò)程中多價(jià)離子易結(jié)垢的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)濃縮過(guò)程中離子的選擇性濃縮和產(chǎn)品質(zhì)量的有效控制。電滲析技術(shù)是將溶液中帶電組分在外加直流電場(chǎng)和離子交換膜選擇性的共同作用下進(jìn)行分離的一種電化學(xué)過(guò)程。該技術(shù)在處理中等鹽度的溶液時(shí)表現(xiàn)出較好的經(jīng)濟(jì)性,耗電量過(guò)高的問(wèn)題限制了其在高濃度溶液處理中的應(yīng)用。離子交換膜作為電滲析器最重要的組件,它的發(fā)展對(duì)電滲析過(guò)程的應(yīng)用起到?jīng)Q定性的作用,1-1價(jià)離子交換膜的研制成功,促進(jìn)了電滲析制鹽工業(yè)化的實(shí)現(xiàn)。電滲析器中的隔板可分隔和支撐離子交換膜,避免膜相互接觸而短路,另外還構(gòu)成了濃、淡兩室的水流通道,并且使水流均勻。電滲析技術(shù)具有能耗少、效益高、原水回收率高、對(duì)環(huán)境無(wú)污染,且設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用靈活、維修方便、使用周期長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn),廣泛用于水處理、制藥、食品等領(lǐng)域。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 材料與試劑

原料液采用500 m南海深層海水,以反滲透工序制備的RO淡水和RO濃水為原料水。反滲透的濃海水進(jìn)入電滲析裝置的脫鹽池,反滲透后的淡水進(jìn)入電滲析裝置的濃縮池。

硫酸鈉(分析純,純度≥99.5%),氯化鈉(分析純,純度≥99.5%),亞硫酸氫鈉(分析純,純度≥99.5%),鹽酸(分析純,純度≥99.5%)。陽(yáng)極液采用濃度3%的硫酸鈉溶液,陰極液為濃度3%的氯化鈉溶液,隔斷液為濃度3%亞硫酸氫鈉溶液。

電滲析器是整個(gè)濃縮系統(tǒng)核心,對(duì)離子交換膜要求比較高,采用的離子交換膜具有高選擇性、低電阻、高交換容量、低滲透率,同時(shí)機(jī)械性能和化學(xué)性能較好,膜抗污染,清洗恢復(fù)性好,離子交換膜采用日本旭硝子的均相膜,陽(yáng)離子交換膜采用CSO一二價(jià)選擇性膜,陰離子交換膜采用AMVW標(biāo)準(zhǔn)膜。

2.2 分析儀器

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

當(dāng)含鹽水通過(guò)由陰、陽(yáng)離子交換膜及濃、淡水隔板交替疊裝,且在兩端設(shè)置電極而成的電滲析的隔室時(shí),在直流電場(chǎng)作用下產(chǎn)生離子定向遷移,即陽(yáng)離子向陰極方向遷移,陰離子向陽(yáng)極方向遷移,由于離子交換膜具有選擇透過(guò)性,陰離子交換膜只能讓陰離子通過(guò),陽(yáng)離子交換膜只能讓陽(yáng)離子通過(guò),結(jié)果淡水室中陰離子向陽(yáng)極方向遷移,透過(guò)陰膜進(jìn)入濃水室,陽(yáng)離子向陰極方向遷移,透過(guò)陽(yáng)膜進(jìn)入濃水室;而濃水室中陰、陽(yáng)離子,雖然也在直流電場(chǎng)作用下,分別向陽(yáng)極和陰極方向遷移,但由于受到隔室兩側(cè)陽(yáng)膜和陰膜的阻擋,無(wú)法遷出濃水室,從而留在濃水室中,這樣,濃水室因陰、陽(yáng)離子不斷進(jìn)入而濃度提高,淡水室因陰、陽(yáng)離子不斷移出而使?jié)舛认陆?,通過(guò)隔板邊緣特制的孔,分別將各濃、淡隔室的水流匯聚引出,便產(chǎn)生兩股主水流,脫鹽水和濃縮鹽水。

Ⅰ級(jí)電滲析實(shí)驗(yàn)。所用膜陽(yáng)膜CSO、陰膜AMVW,脫鹽池和濃縮池分別放入RO濃水6 kg和RO淡水4 kg,開(kāi)始電滲析實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過(guò)程中定時(shí)監(jiān)測(cè)電導(dǎo)率變化,記錄樣品密度、pH值、實(shí)驗(yàn)終點(diǎn)參數(shù);并隨時(shí)用HCl調(diào)節(jié)陰極液pH值,使其維持在7以下。

Ⅱ級(jí)電滲析實(shí)驗(yàn)。所用膜都是選擇性膜,陽(yáng)膜CSO、陰膜ASA,更換電滲析裝置所用的陽(yáng)極液、陰極液和隔斷液,清洗電滲析設(shè)備,通過(guò)對(duì)進(jìn)料模式、膜堆構(gòu)造等進(jìn)行改進(jìn),采用Ⅱ級(jí)電滲析濃縮工藝對(duì)Ⅰ級(jí)電滲析得到的濃縮液進(jìn)行進(jìn)一步濃縮。更換膜堆,配制新的隔斷液、陽(yáng)極液、陰極液,按照4 ∶1比例將RO濃水和I級(jí)電滲析濃縮液混合配制成混合液,以此混合液為原料液,進(jìn)行II級(jí)電滲析實(shí)驗(yàn)(脫鹽池 ∶濃縮池為3 ∶1),得到低鈣鎂和低硫酸根的濃縮液用于后續(xù)制備深層海水海水晶等。

脫鹽池和濃縮池分別放6 kg和4 kg混合溶液,開(kāi)始Ⅱ級(jí)電滲析實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)過(guò)程中定時(shí)監(jiān)測(cè)電導(dǎo)率變化,記錄樣品密度、pH值、實(shí)驗(yàn)終點(diǎn)參數(shù);并隨時(shí)用HCl調(diào)節(jié)陰極液的pH值,使其維持在7以下。離子交換膜參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 離子交換膜參數(shù)Tab.1 Ion exchange membrane parameters

3 結(jié)果與討論

3.1 不同電流對(duì)脫鹽液和濃縮液的電導(dǎo)影響規(guī)律

選擇電流分別為3.0 A、4.6 A、6.4 A,進(jìn)行Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)電滲析實(shí)驗(yàn),測(cè)得脫鹽液和濃縮液的電導(dǎo),結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。從圖1可以看出,在電流不變的情況下,脫鹽液電導(dǎo)隨著時(shí)間的增加數(shù)值越來(lái)越小,而濃縮液的電導(dǎo)隨著時(shí)間的增加數(shù)值越來(lái)越大,電流越大,濃縮液的電導(dǎo)數(shù)值越大,電流不同的條件下,濃縮液和脫鹽液的電導(dǎo)數(shù)值的變化規(guī)律隨時(shí)間的增加是一致的,濃縮液電導(dǎo)的數(shù)值在電流為6.4 A時(shí)斜率最大,表明濃縮效果最好。

圖1 一級(jí)電滲析固定電流電導(dǎo)變化圖Fig.1 Conductivity change diagram of fixed current of primary electrodialysis

圖2 二級(jí)電滲析固定電流電導(dǎo)變化圖Fig.2 Conductivity change diagram of fixed current of secondary electrodialysis

從圖2可以看出,在電流不變的情況下,脫鹽液電導(dǎo)隨著時(shí)間的增加數(shù)值越來(lái)越小,而濃縮液的電導(dǎo)隨著時(shí)間的增加數(shù)值越來(lái)越大,電流越大,濃縮液的電導(dǎo)數(shù)值越大,電流不同的條件下,濃縮液和脫鹽液的電導(dǎo)數(shù)值的變化規(guī)律隨時(shí)間的增加是一致的,濃縮液電導(dǎo)的數(shù)值在電流為6.4 A時(shí)斜率最大,表明濃縮效果最好。由此可見(jiàn),Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)電滲析在固定電流條件下脫鹽液和濃縮液的電導(dǎo)隨著時(shí)間的變化規(guī)律是一致的。

3.2 不同電壓條件下對(duì)脫鹽液和濃縮液的電導(dǎo)影響規(guī)律

選擇電壓分別為9.5 V、10.0 V、11.9 V,進(jìn)行Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)電滲析實(shí)驗(yàn),測(cè)得脫鹽液和濃縮液的電導(dǎo),結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。從圖3可以看出,在電壓不變的情況下,脫鹽液電導(dǎo)隨著時(shí)間的增加數(shù)值越來(lái)越小,而濃縮液的電導(dǎo)隨著時(shí)間的增加數(shù)值越來(lái)越大,電壓越大,濃縮液的電導(dǎo)數(shù)值越大,當(dāng)電壓為11.9 V時(shí),在第15 min時(shí)脫鹽液電導(dǎo)的變化幅度最大,當(dāng)電壓為9.5 V時(shí),脫鹽液電導(dǎo)的變化幅度最大,電壓不同的條件下,濃縮液和脫鹽液的電導(dǎo)數(shù)值的變化規(guī)律隨時(shí)間的增加是一致的,電壓越大,濃縮液電導(dǎo)越高,表明濃縮效果越好。

圖3 一級(jí)電滲析固定電壓電導(dǎo)變化圖Fig.3 Conductivity change diagram of fixed voltage of primary electrodialysis

圖4 二級(jí)電滲析固定電壓電導(dǎo)變化圖Fig.4 Conductivity change diagram of fixed voltage of secondary electrodialysis

從圖4可以看出,在電壓不變的情況下,脫鹽液電導(dǎo)隨著時(shí)間的增加數(shù)值越來(lái)越小,而濃縮液的電導(dǎo)隨著時(shí)間的增加數(shù)值越來(lái)越大,電壓越大,濃縮液的電導(dǎo)數(shù)值越大,電壓不同的條件下,濃縮液和脫鹽液的電導(dǎo)數(shù)值的變化規(guī)律隨時(shí)間的增加是一致的,濃縮液電導(dǎo)的數(shù)值在電壓為11.9 V時(shí)斜率最大,表明濃縮效果最好。當(dāng)電壓為9.5 V和電壓為10.0 V時(shí)濃縮液的電導(dǎo)在第45 min均為6 480 μs/cm,從節(jié)能的角度考慮,可采用電壓為9.5 V可達(dá)到電壓為10.0 V時(shí)同樣的濃縮倍數(shù)。由此可見(jiàn),Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)電滲析在固定電流條件下脫鹽液和濃縮液的電導(dǎo)隨著時(shí)間的變化規(guī)律是一致的。

得到的Ⅱ級(jí)電滲析濃縮液和II級(jí)電滲析脫鹽液進(jìn)行分析,濃縮液中鈣離子濃度為412.9 mg/L,硫酸根濃度為1 430 mg/L,小于硫酸鈣的溶度積(Ksp=9.1×10-6)此時(shí),濃縮液仍然保持澄清,沒(méi)有出現(xiàn)硫酸鈣沉淀。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程各組分含量見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程各組分含量Tab.2 Content of each component during the experiment

4 結(jié)論

1)Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)電滲析在固定電流和固定電壓條件下脫鹽液和濃縮液的電導(dǎo)隨著時(shí)間的變化規(guī)律是一致的。電流越高,濃縮液濃縮效果越好,電壓越高,濃縮液濃縮效果越好。從節(jié)能的角度考慮,可采用電壓為9.5 V可達(dá)到電壓為10.0 V時(shí)同樣的濃縮倍數(shù)。

2)得到的Ⅱ級(jí)電滲析濃縮液沒(méi)有出現(xiàn)硫酸鈣沉淀, 解決了深層海水濃縮過(guò)程中多價(jià)離子易結(jié)垢的問(wèn)題。

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