离子交换技术在海水淡化中的应用

摘要：当前淡水资源短缺已成为全球性的环境问题, 海水淡化被认为是一种最具前景的解决方法. 目前已开发出了海水淡化技术，离子交换法淡化海水具有处理彻底、成本低、可再生等优势，已在海水淡化预处理、后处理、浓海水中提取化学元素等方面得到应用，具有广阔前景。

关键词：离子交换；海水淡化；应用

海水淡化是指将海水里面的溶解性矿物质盐分、有机物、细菌和病毒以及固体分离出来从而获得淡水的过程. 从能量转换角度来讲, 海水淡化是将其他能源转化为盐水分离能的过程。离子交换法是目前除盐最彻底的水处理技术［6］，它利用阳离子交换树脂吸附水中的阳离子并释放出氢离子，再用阴离子交换树脂吸附其中的阴离子并释放出氢氧根离子，二者中和而达到除盐的目的。但是该方法处理含盐量低的海水运行成本较低，而在含盐量高的区域运行成本高，降低了它在海水淡化除盐中的经济优势。随着高容量离子交换树脂的开发，其应用价值越来越受到重视。

一、海水淡化技术

1、多效蒸馏。多效蒸馏法早期MED一直受换热表面容易结垢(水垢)的制约, LT-MED系统中采用水平管降膜蒸发器，可以消除蒸发表面上的静压影响, 当海水在冷凝器内预热后被分成两股, 一股作为冷却海水被排放回海中, 用于排出加入到系统中的过多的热量; 另一股作为进料海水被分配到各效蒸发容器中. 在每一效蒸发容器中, 进料海水通过喷嘴被喷洒在水平布置的换热管上。第一效内水平管上的液膜通过吸收管内加热蒸汽冷凝释放的潜热而蒸发, 由此产生的二次蒸汽进入第二效的水平管内驱动管外液膜的蒸发. 第一效的加热蒸汽由外部蒸汽发生器提供, 加热蒸汽在管内冷凝后产生的冷凝水返回到外部蒸汽发生器. 此后每一效内水平管外液膜的蒸发都由上一效提供的二次蒸汽驱动, 而二次蒸汽则在管内凝结成淡水, 并被收集到淡水罐中. 由于每一效蒸发容器内的压力依次降低, 因而可以实现海水在每一效内的连续蒸发而不需要再提供热量.最后一效产生的二次蒸汽被引入到冷凝器中对海水进行预热. 每一效内未蒸发的剩余海水则作为浓盐水被排出. 每一效蒸发容器内产生的二次蒸汽都需要经过除雾器以去除夹带在二次蒸汽中的海水液滴,从而提高生产的淡水的质量. 系统内的每一效均需要与真空排气系统连接以除去不凝气, 不凝气的存在会阻碍传热过程, 降低传热系数。

2、多级闪蒸。MSF系统同样是由多个蒸发容器(闪蒸室)串联而成, 海水首先被引入排热段的冷凝管中, 在吸收蒸汽冷凝释放的潜热后, 海水被预热至一个较高的温度. 加热后的海水被分成两部分:一部分为冷却海水, 排放回海中以排出系统中过多的热量; 另一部分为进料海水, 经过脱气和化学预处理后, 与排热段最后一级闪蒸室内的海水混合. 随后循环海水从排热段最后一级中抽出, 被引入热回收段最后一级的冷凝管中. 当循环海水沿贯穿每一级的冷凝管向第一级流动时, 吸收管外闪蒸蒸汽冷凝时放出的潜热而不断升高温度. 循环海水进入盐水加热器后, 吸收加热蒸汽冷凝释放的潜热, 从而温度升高到TBT, 而加热蒸汽则在管外壁被冷凝成冷凝水. 此后热海水依次进入压力逐渐降低的热回收段和排热段的各级闪蒸室, 进入各级闪蒸室的热海水的压力高于对应闪蒸室内的压力, 海水由于过热而急速蒸发(闪蒸), 从而产生蒸汽. 各级闪蒸室中由闪蒸产生的蒸汽需要通过除雾器以去除夹带在其中的海水液滴, 以提高产品水质量和防止冷凝管外壁水垢的生成。为了将系统内盐水的浓度维持在一个合适的值, 最后一级闪蒸室内的一部分浓盐水会被排放到海洋中. 与MED系统相同, MSF系统需要与真空排气系统连接以排出不凝气, 从而消除不凝气的存在对传热的不利影响。

二、离子交换法在海水淡化中的应用

1、离子交换剂直接淡化海水。天然沸石分子筛是一种白色、无毒、无臭的晶体粉末，可吸附尺寸在0.3～2nm 的多种离子。基于这样的原理，海水中的阳离子可以吸附到沸石分子筛的骨架结构中，定位在孔道或空腔中的一定位置上。但海水溶液中的离子是电中性的，为了同时去除氯离子，［1］将天然沸石分子筛用硝酸银溶液反应，使之与银离子进行交换，生成沸石银复合物。然后利用沸石分子筛阴离子骨架上的银离子去交换海水中的钠离子、镁离子、钙离子等碱金属离子，被替换到海水中的银离子则与氯离子生成氯化银沉淀，最终完成对海水或微咸水的淡化。天然沸石银复合物淡化海水的能力与沸石类型有关。

从实验结果来看，1g 沸石银分子筛处理5 mL 海水，一般只能将氯离子去除8.73%～28．5%，连续处理8 次才能达到饮用水标准。因此，如何提高沸石银的交换能力仍然是技术的难点。将3A、4A、13X 和NaY 型沸石分子筛放入马弗炉中于550℃焙烧，使之具有稳定的活性和足够的机械强度。粉碎，过40 目筛，按固液比1: 10 与硝酸银溶液混合，微波炉加热反应16 min 后洗涤、抽滤，至滤液中无银离子，105℃干燥2 h 得海水淡化剂。取各种淡化剂3A、4A、13X、NaY 各50 g，与250 mL 海水混合振荡30min，海水中的氯离子分别降至1．25、1．20、1.38 和1.27 mg /L，海水中的钠离子分别降至300、150、420 和800 mg /L，4A 型淡化及处理效果最好，但淡化水中各种离子浓度仍然高于自来水。

2、离子交换剂用于海水淡化预处理。海水是一个复杂的稀溶液体系，含有80 多种化学元素，同时海水中大量的钙镁离子所形成的碳酸盐、碳酸氢盐、氯化物等又导致海水具有很高的硬度。对于膜法海水淡化而言，高硬度海水容易堵塞膜孔，降低膜的透水率; 对于蒸馏法海水淡化而言，易产生锅垢，从而降低蒸发效率。因此，淡化前需要进行海水预处理。海水预处理的程序一般是先用石灰－纯碱软化法去掉大部分钙镁离子，然后通过离子交换法进一步软化。阳离子交换树脂通常用钠离子、氢离子型，通过阳离子交换反应去除海水中的部分钙镁离子。如果单纯使用钠型阳离子交换树脂，交换反应后水中硬度虽被去除，但碳酸氢钙和碳酸氢镁转变为碳酸氢钠，水质呈碱性:

为此，可以同时使用氢型阳离子交换树脂，使之与水中阳离子交换时释放出氢离子，只要控制两种树脂的使用比例，便可使水的pH 值处于中性范围之内。

离子交换是目前海水淡化脱硼技术中最为重要和高效的方法，它的机理是利用离子交换树脂上的功能基团与溶液中的离子发生交换反应，以达到分离浓缩目的。按照活性基团的不同，研究人员先后使用过阳离子交换树脂、阴离子交换树脂、大孔树脂和凝胶树脂。由于硼酸可以迅速与多元醇和α－ 羟基羧酸反应形成稳定的螯合物，研究人员开发出大量的含有微孔结构的硼特效吸附树脂［13］，其中主要是含有N－甲基葡萄糖胺的树脂。这种弱碱性阴离子交换树脂加入含硼水中后，硼酸受到功能基团中羟基氧原子的攻击，原来的B－O 键断裂而形成B －O－C 新键，断裂后生成的羟基与功能基团断裂产生的氢离子结合形成水。一般情况下，一个硼酸分子可与两个羟基作用而形成稳定的螯合物，直至离子交换反应结束。离子交换树脂法可通过较小的能量消耗，获得很低的硼浓度，具有技术优势。但树脂再生操作则耗费大量的化学药剂，而且再生产水的处理可能会带来二次污染，这方面已引起研究者的广泛关注。

离子交换法不仅可以直接用于海水淡化，而且在常规海水淡化预处理、后处理领域得到了广泛应用。此外，该方法在浓海水提取钾元素中发挥了重要作用，具有广阔的应用前景。