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行业分领域综述:离子交换膜和电渗析技术的发展动向

北极星水处理网  来源:中国膜工业协会    2020/2/6 17:04:49  我要投稿  
所属频道: 水处理  关键词:离子交换膜 电渗析技术 脱硫废水 

表7.离子交换膜市场细分统计表

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随着国内对工业环保和生产节能的重视度提高,离子交换膜和电渗析的市场规模和容量远大于目前的产能,根据前瞻产业研究院统计的数据显示,国内膜产业总产值(膜制品、膜组件、膜附属设备及相关工程的总值)大幅提升,由2009年的227亿元增长至2017年的1800亿元;2019年,膜产业总产值预计将达到2200亿元,其中离子交换膜产值2019年预计220亿元。

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图8.中国膜工业产值(2009~2019年)

3.1 普通电渗析技术及应用

电渗析是电化学分离过程,电渗析技术有2个条件:直流电和离子交换膜。传统的电渗析膜件包括阴离子交换膜和阳离子交换膜,分别交替排列在阴极和阳极之间,当向电渗析槽中加入无机盐时(以NaCl为例),如图9所示,在电场作用下,浓室溶液中的离子不断被浓缩而淡室溶液中的离子不断被淡化,从而达到分离目的。电渗析的能耗低,且预处理要求不高,设备简单,处理含盐废水时有独特优势。均相膜浓水TDS可达到180~200g/L,吨盐电耗约200kWh,相对蒸发工艺吨水投资成本较低。因此电渗析技术被广泛应用在化工、冶金、造纸、纺织、炼化等高盐工业废水的处理。

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图9.电渗析原理示意图

3.1.1 煤化工高盐废水

煤化工高含盐废水水质具有以下特点:① 盐分高且成分复杂,杂质离子组分多;② COD种类多,且含量比较高;③ 含有一些容易结垢的离子,比如钙镁及可溶性硅;④ 不同项目采用不同的主工艺,废水组分多变,水质不确定性大。首先一般通过物理或化学的预处理方法,实现悬浮物、胶体及一般易结垢离子的去除,再通过反渗透+电渗析膜处理工艺实现淡水的回用,同时达到废水减量的目的,最后浓缩液通过蒸发结晶等工艺最终实现废水的零排放目的,或者采用双极膜电渗析技术把无机盐转化为酸碱,实现废固资源化。

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图10.煤化工废水处理工艺流程图

3.1.2 电厂脱硫废水

我国火电行业用水量占工业用水比重超过40%,排水量占废水排放总量的0.4%。火电厂脱硫废水主要来源于湿法脱硫工艺产生的废水,具有高悬浮物、高盐度、高腐蚀性、高硬度及含有重金属,且水质波动大。根据国内外已实施废水“零排放”改造的燃煤电厂的具体情况,脱硫废水、酸碱再生废水以及反渗透浓水等含盐废水的处理是实现全厂废水“零排放”改造的关键。为了降低整个废水“零排放”系统的投资和运行成本,往往需要电渗析对这部分含盐废水进行浓缩,减少末端废水的产生量和蒸发结晶处理系统投资。

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图11.脱硫废水处理工艺流程图

3.1.3 炼油及石化行业废水

炼油工业是国民经济的支柱性产业之一。国家统计局显示,2018年我国原油加工量突破6亿吨,同比增长6.8%。炼油行业既是能源生产大户,也是废水排放大户。炼油及石化行业废水属于难处理废水,其水质特点是高COD、高氨氮、高无机盐,部分油脂、酚类、硫化物及部分含汞废水。在石油炼制的物理分离或化学反应过程中,除环烷酸、酚类、苯系物、杂环化合物、石油类等有机污染物外,氯化物、硫酸盐、硝酸盐等无机离子也从各工艺单元转入排水系统,导致炼油废水的含盐量增加。炼油工业高盐度废水的总溶解性固体含量一般为10~50g/L,对炼油废水实施局部零排放处理应着重围绕“预处理-减量化-深度浓缩-分盐结晶”开展技术工作,尽可能实现适度预处理、充分减量化、高效深度浓缩,并保证结晶盐的纯度,最终实现系统的长期稳定和较低成本运行。

3.1.4 造纸行业废水

中国造纸工业2018年度报告显示,全国纸及纸板生产企业约2700家,纸及纸板生产量10435万吨,每吨纸企业排水量通常达到5~20立方米。造整个废水零排工艺系统一般可分为两大部分:预处理部分和膜系统回用部分。预处理部分的目的是去除部分COD、降低硬度、浊度、SS等指标。膜系统回用部分是整个零排工艺系统的核心部分,对废水中的各类有机物、悬浮物等杂质进行分离去除,满足回用水的要求。在处理造纸废水时,应用电渗析膜法,可以回收造纸废水中的碱分,有效提取废水的聚木糖,对造纸废水中的有机物进行脱盐,去除回用物料中的盐分。同时,应用电渗析膜法可以造纸废水中的低聚糖、碱、木素等有效成分提取出来,还可分离出回用有机物的盐分,实现造纸废水的“零排放”。

3.1.5工艺应用案例

由于中国在全球产业链属于基础原材料的供应商,原料化工的生产为电渗析行业带来了很多新的应用场景,孕育出了很多优秀的电渗析工程公司,为电渗析行业的技术发展起到了推动作用,以杭州蓝然环境技术股份有限公司和山东天维膜技术有限公司为例,所涉及的行业和项目时间情况如表8所示。

表8.公司首台套示范工程

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3.2 双极膜电渗析技术及应用

双极膜是一种新型的离子交换膜,由阴、阳离子选择层和中间界面层复合而成,其结构和功能图11所示。当双极膜两端施加反向电压时,带电离子从两种离子交换层的过渡区向主体溶液迁移,水分子快速解离生成H+和OH-迁移到主体溶液中,消耗的水分子通过扩散作用由膜外溶液向中间界面层补充。

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