膜蒸馏—电去离子组合工艺处理高盐废水

摘要：采用膜蒸馏—电去离子组合工艺处理高盐废水，考察了真空膜蒸馏主要参数对产水水质的影响，以及电去离子过程的处理效果｡结果表明：膜蒸馏热侧料液温度和冷侧真空度对产水水质的影响较小，随着浓缩倍数的增加，电导率､TOC､硬度上升不大，在浓缩15 倍时产水电导率为3. 6 μS /cm､硬度为0. 074 mg /L､TOC 为0. 32 mg /L，满足EDI 对进水水质的要求；自制微型EDI 装置处理膜蒸馏产水，在电压为15 V､淡水流量为9. 5 L /h､浓水流量为2. 3 L /h 条件下，产水水质稳定，电导率为0. 078 ~ 0. 081 μS /cm，完全满足火力电厂锅炉补给水的要求｡膜蒸馏—电去离子组合工艺，是从高盐废水到高纯水的全新处理工艺，具有原水适用性强､产水稳定､水质优良的特点，解决好流量匹配以及膜污染等问题则应用前景广阔｡

关键词：膜蒸馏；电去离子；反渗透；高盐废水

反渗透作为除盐的主要工艺，得到十分广泛的应用，然而，反渗透工艺的实际产水率一般只有75%，约有25%的浓水被排放到环境中[1，2]，这不仅加重了生态环境的高盐度污染，而且还浪费了大量宝贵的水资源｡膜蒸馏是近年来发展起来的一种新型膜分离技术，与反渗透工艺相比具有显著的优点[3，4]：膜蒸馏的过程几乎在常压下进行，设备简单，操作方便；膜蒸馏法可以处理极高浓度的无机盐水溶液，理论上通过膜蒸馏除盐的产水率可以达到100%，而且获得的水十分纯净，这是现有几种工业除盐技术难以达到的｡

电去离子（ EDI） 作为一种可以连续工作的深度除盐手段，无需化学再生药剂，产水水质好，水回收率高，操作简单，运行稳定，而且运行成本低[5]｡然而，EDI 对进水水质要求非常严格，预处理工艺复杂｡为了防止污染树脂和膜，以及膜面结垢，保护膜性能，原水进入EDI 系统之前应先经过滤､吸附､除盐､软化等预处理，目前常用的是两级反渗透作为EDI 的预处理工序[6]｡

笔者以反渗透除盐生产过程中排放的高盐废水为原水，采用膜蒸馏—电去离子组合工艺，充分发挥膜蒸馏和电去离子的技术优势，以膜蒸馏为预除盐工艺，一方面提高水资源利用率，保护生态环境，另一方面探讨目前高纯水生产过程中二级反渗透的替代工艺｡

1 试验部分

1. 1 原水水质

试验用高盐废水取自某热电厂反渗透浓水排放口，水质参数如下：总硬度（ 以CaCO3计） 为1 634mg /L､电导率为3 850 μS /cm､TOC 为12. 5 mg /L､pH 值为8. 1｡

1. 2 试验装置

试验采用真空膜蒸馏方式，自制PVDF 中空纤维膜组件，单膜内径为0. 8 mm､有效长度为23 cm､平均孔径为0. 18 μm､孔隙率为85%､有效膜面积约为0. 057 m2｡膜组件以及热侧进出水管采用保温海绵包裹｡配套设备：SHZ - Ⅲ型循环水真空泵､BT00 - 100M 蠕动泵､DK - S24 型电热恒温水浴锅｡

自制EDI 装置，淡水室隔板采用6 mm 厚聚氯乙烯硬塑料板加工而成，外部长× 宽= 295 mm × 50mm，内部长× 宽= 225 mm × 20 mm；浓水室隔板采用2 mm 厚硅胶板制作；阴､阳电极为不锈钢材料；离子交换树脂采用001 × 4 阳树脂和201 × 4 阴树脂；淡水室和浓水室均填充混合离子交换树脂，阴､阳树脂比例为2 ∶ 1；离子交换树脂采用3361 - BW阳膜和3362 - BW 阴膜；模块按一级三段组装，有效流程长度为660 mm；电源采用JWY - 30G 型直流稳压电源｡

试验流程如图1 所示｡

1. 3 材料和方法

试验过程中，首先将高盐废水加热到指定温度，然后打开热侧循环泵和冷侧真空泵，调节流量到预定值，待系统稳定后，收集产水｡膜蒸馏产水收集到一定量时，开启增压泵，将蒸馏水打入EDI 装置进行深度除盐｡

膜蒸馏过程中检测产水总硬度､电导率､TOC､pH 值等水质参数以及真空度､膜通量､温度等参数，并及时排放膜组件底部集水；EDI 过程中主要检测产水电导率以及电压､电流､流量等参数｡

主要检测仪器有HSJ - 3F 型实验室pH 计､DDS - 307A 型电导率仪､TOC 分析仪､原子吸收分光光度计等｡

2 结果与讨论

2. 1 真空膜蒸馏主要参数对产水水质的影响

鉴于电去离子对进水水质的较高要求，本文探讨膜蒸馏主要参数对产水水质的影响｡

保持流量为14. 5 L /h､冷侧真空度为0. 09MPa，考察热侧料液温度对出水水质的影响；在流量为14. 5 L /h､热侧温度为75 ℃条件下，考察冷侧真空度对膜蒸馏性能的影响｡结果表明，热侧料液温度和冷侧真空度对产水水质的影响较小，产水电导率稳定在2. 4 ~ 3. 3 μS /cm､硬度为0. 027 ~ 0. 052mg /L､TOC 为0. 09 ~ 0. 24 mg /L､pH 值为6. 57 ~6. 89｡

在冷侧真空度为0. 09 MPa､原水温度为75 ℃､流量为14. 5 L /h 的条件下，考察浓缩过程产水水质的变化情况，如图2 所示｡可知，随着浓缩倍数的增加，产水pH 值基本稳定，电导率､TOC､硬度上升不大，在浓缩15 倍时产水电导率为3. 6 μS /cm､硬度为0. 074 mg /L､TOC 为0. 32 mg /L，满足EDI 对进水水质的要求（ 电导率< 30 μS /cm､硬度< 1 mg /L､TOC < 1 mg /L） ｡

2. 2 电去离子过程

膜蒸馏连续运行收集产水，由于蒸馏水在收集瓶中停留时间相对较长，电导率较新鲜水有所上升，进入EDI 电导率的平均值为5. 8 μS /cm，其他水质参数变化不大，硬度为0. 045 mg /L､TOC 为0. 16mg /L､pH 值为6. 72｡在淡水流量为9. 5 L /h､浓水流量为2. 3 L /h 的条件下，EDI 模块电压—电流曲线及电压对产水水质的影响见图3｡可知，电流随电压的升高增幅逐渐加大，这说明随着电压的增大，迁移出淡化室的离子数增多，同时，离子交换界面水解离增强，水解离产生的H + 和OH - 一部分负载电流，另一部分再生淡化室中的离子交换树脂，使更多的离子解离下来负载电流，实现连续电去离子过程[7]；随着电压的升高，EDI 产水电导率逐渐减小，在15 V 时达到0. 079 μS /cm，之后在一定范围内稳定，继续增大电压则产水电导率又有所上升，这主要是由于过高的电压使得同名离子迁移数增大，说明该模块最佳操作电压为15 V，此时电流密度为31. 8mA/cm2｡

在操作电压为15 V､浓水流量稳定在2. 3 ~ 2. 5L /h 条件下，淡水流量与产水电导率的关系曲线如图4 所示｡可知，随着淡水流量的增大，膜堆产水电导率上升，这是由于在一定操作电压下，当淡水流量增大时，单位时间内进入淡化室的离子相应增加，水的停留时间减少，脱盐效率降低｡因此，特定的EDI模块有满足产水质量要求的淡水流量范围｡

在电压为15 V､淡水流量为9. 5 L /h､浓水流量为2. 3 L /h 的条件下，运行时间与产水电导率的关系见图5｡可以看出，以膜蒸馏产水为原水，EDI 产水水质稳定，电导率为0. 078 ~ 0. 081 μS /cm，完全满足《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量标准》（ GB 12145—2008） 中对锅炉补给水电导率的要求（ ≤0. 2 μS /cm） ｡

2. 3 主要问题

① 技术成熟问题｡膜蒸馏和电去离子是两种完全不同的膜分离过程，就目前技术水平，电去离子技术成熟，已广泛应用，具有产水效率高的特点；而膜蒸馏还处于研究阶段，膜通量低，效率也较低，离工程应用还有一定的差距，因此，还需进一步完善膜蒸馏技术，使其尽早实现工程应用｡

② 流量匹配问题｡电去离子产水效率高，膜蒸馏效率较低，在两者的耦合过程中，解决好水量匹配和运行方式的协调问题是关键｡在试验中，外观长× 宽× 高= 295 mm × 50 mm × 50 mm 的EDI 模块产水量可达10 L /h（ 总进水量为13 L /h，其中浓水和极水为3 L /h） ，与其配套的膜蒸馏装置则要大得多，按试验平均膜通量为18. 5 L /（ m2·h） ，需要膜面积为0. 7 m2 的组件，与其配套的加热和冷凝系统也较大｡

③ 膜污染问题｡在组合工艺中，由于膜蒸馏直接接触高盐废水，膜污染主要发生在膜蒸馏过程中，其中膜内表面的污染物主要是钙垢[2，8]，因此采取预软化和降低原水pH 值等方法以减轻膜的化学污染｡当膜通量减少到一定程度，可以通过化学清洗恢复膜通量，在工业应用中，疏水膜的干燥问题是膜蒸馏技术面临的最大难题[9]｡

3 结论

① 在试验条件下，膜蒸馏热侧料液温度和冷侧真空度对产水水质的影响较小，随着浓缩倍数的增加，电导率､TOC､硬度上升不大，在浓缩15 倍时产水电导率为3. 6 μS /cm､硬度为0. 074 mg /L､TOC为0. 32 mg /L，满足EDI 对进水水质的要求，可以替代目前高纯水生产过程中的二级反渗透｡

② 自制微型EDI 装置处理膜蒸馏产水，电压为15 V､淡水流量为9. 5 L /h､浓水流量为2. 3 L /h的条件下，产水水质稳定，电导率为0. 078 ~ 0. 081μS /cm，完全满足火力电厂锅炉补给水的要求｡

③ 膜蒸馏—电去离子组合工艺，是从高盐度废水到高纯水的全新处理工艺，具有原水适用性强､产水稳定､水质优良的特点，解决好流量匹配以及膜污染等问题则应用前景广阔｡

本文转自“乾来环保”