节能电渗析用于海水纳滤产水二级脱盐研究

第38卷第3期膜科学与技术v01．38No．32018年6月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGYJurL2018节能电渗析用于海水纳滤产水二级脱盐研究刘颖，王俐丹，王建友+(南开大学环境科学与工程学院，天津300350)摘要：针对主流海水淡X_r-艺SWRO在高操作压力和高能耗等方面的缺陷，提出“纳滤／倒极电渗析(NF／EDR)”集成膜过程低能耗海水淡化新工艺，并对ED过程工艺优化进行研究．进水为NF产水，电导率为8790t-S／cm，ED用膜为常规异向离子交换膜，以脱盐率和能耗为主要指标，对ED运行参数和工艺进行综合优化．结果表明，当淡水流量为150L／h，浓水流量为120L／h，采用一级两段膜堆构型，两段膜对数比为27／23时，ED系统的脱盐率可达90％，本体吨水能耗低至0．98kW·h．研究表明，基于节能ED工艺与高脱盐NF工艺集成，有望实现低能耗海水淡化．关键词：电渗析；脱盐；运行参数；能耗中图分类号：P747．3文献标志码：A文章编号：1007—8924(2018)03—0097—07doi：10．16159／j．cnki．issnl007～8924．2018．03．014海水淡化作为解决当前全球性水资源问题的关键手段之一，在世界范围内都得到了前所未有的重视[1-53．但是，在淡化海水的巨大需求和现有淡化技术的局限性方面，还存在突出矛盾．近年来，随着技术水平的不断进步，海水淡化的成本持续降低[6-9]．然而，目前的产水成本仍然偏高，国内已运行的海水反渗透(SeaWaterReverseOsmosis，SWRO)海水淡化工程的吨水成本多在6元以上口引，吨水耗电量仍然超过3．5kW·h／m3，因此，高成本和高能耗依然是制约海水淡化发展的关键瓶颈．随着膜分离技术的发展和离子交换膜的大规模生产，电驱动膜技术在海水淡化领域逐渐兴起．近几年来，针对目前主流海水淡化技术SWR0的高能耗、高操作压力、高投资成本和苛刻的耐腐蚀材质要求等问题，国内外持续报道了一些多种技术集成的新的海水淡化工艺[1卜17]．西门子[18-19]提出了一种压力驱动膜和电驱动膜集成工艺，即“NF／IE／EDI”集成膜过程用于海水淡化．原水采用模拟海水，电导率为45500tlS／cm，产水TDS为240mg／L，系统脱盐率超过98．57％，吨水能耗低至1．85kW·h／m3．与SWR0相比，该过程在保证较高脱盐率的情况下，操作压力和能耗明显降低，产水水质符合国家饮用水的标准．但是，该集成工艺中，电渗析过程中在淡化室填充了混床离子交换树脂，淡化室采用超薄隔板，厚度不超过1．5mm，这对树脂颗粒的有效填充带来了很大难度；同时，该集成工艺包含3个单元，工艺流程相对偏长，系统相对复杂，离子交换单元需要频繁清洗再生．基于上述研究，提出了“纳滤／倒极电渗析(NF／EDR)”集成膜过程用于海水淡化．本文主要从浓水流量、淡水流量和内部水流程3个方面对电渗析过程进行优化．1实验部分1．1实验材料和进水水质离子交换膜：磺酸型和季胺型异相离子交换膜，浙江千秋环保有限公司；膜有效面积：376minx220mm；隔板有效尺寸：262mm×528mm×0．87mm；电极：钛镀钌板状电极．膜主要性能如表1所示．收稿日期：2017一ll一15；修改稿收到日期：2018—03—15基金项目：国家重点研发计划(2017YFC0404000，2016Ⅵ℃0400707)；中央高校科研业务费专项资金第一作者简介：刘颖(1988一)，女，内蒙古赤峰市人，博士后，研究方向为膜分离技术．*通讯作者，E-mail：wanly72@nankai．educn万方数据膜科学与技术第38卷表1离子交换膜的主要性能指标Table1Themainperformanceofionexchangemembranes性能指标阳离子交换膜阴离子交换膜由于电渗析过程的进水是NF过程的产水，因此ED过程的进水水质是NF过程最佳工况下的产水水质，如表2所示．1．2ED实验流程ED过程的实验流程如图l所示．NF出水分别进入电渗析膜堆的淡化室和浓缩室，作为电渗析过程的原水，经过电渗析处理后的产水返回NF罐．极水单独循环．ED膜堆中采用50对膜对．实验所用ED原水为NF产水，即NF阶段NF处理模拟海水的最佳工况下的实际产水，模拟海水为工业用盐与去离子水配制而得，ED极水采用0．25％的Na2S04溶液．表2ED进水水质Table2Feedwaterquality1．NF产水罐；2．极水罐；3．增压泵；4．球阀；5．流量计；6．电导率仪；7．ED膜堆；8．E19电源图1E1)过程实验流程图Fig．1Schematicdiagramoftheexperimentsetup1．3分离性能评价指标将脱盐率DR(Desalina