寧夏南部山區(qū)水資源匱乏，具有突出的水質(zhì)性缺水特征，地表水和地下水水質(zhì)普遍較差，苦咸水廣泛分布，表現(xiàn)為高濃度鹽堿成分，其中，尤以Cl-和SO42-含量比較高[3]，分別達(dá)到了1 367、4 111.5 mg/L，遠(yuǎn)超生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB 5749-2006)，生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中氯和硫酸鹽含量≤250 mg/L。故以高濃度Cl-和SO42-為目標(biāo)離子，研究苦咸水的除鹽效果。
去除水中Cl-的方法主要有電滲析法、蒸餾法和化學(xué)沉淀法。其中電滲析法和蒸餾法由于需要消耗大量的能量，處理成本較高，不宜大規(guī)模使用;化學(xué)沉淀法由于在反應(yīng)過程中會(huì)引入雜質(zhì)離子，故不適合用于飲用水除Cl-。去除鹵水中SO42-的方法主要有鋇法和冷凍法。其中利用鋇法去除SO42-的過程中，會(huì)引起B(yǎng)a2+ 含量超標(biāo)，且BaCl2有較強(qiáng)的毒性，故不適合飲用水處理過程中使用;而冷凍法脫除SO42-的能耗相當(dāng)大，而且設(shè)備投入大，運(yùn)行費(fèi)用高，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。因此Cl-和SO42-的傳統(tǒng)脫除方法均具有一定的局限性，找到一種可行性高的脫除方法是十分必要的。反滲透技術(shù)是膜分離技術(shù)的一種，可用于脫除水溶液中除H+、OH- 以外的其他無機(jī)離子，廣泛用于海水、苦咸水的淡化、除鹽處理。低壓反滲透技術(shù)作為反滲透技術(shù)的一種，所需的工作壓力僅為正常反滲透裝置的二分之一到三分之一，可以達(dá)到節(jié)約能源，滿足低碳經(jīng)濟(jì)的要求。目前，國(guó)內(nèi)外利用低壓反滲透技術(shù)進(jìn)行脫鹽效果的研究較多，但對(duì)于同時(shí)去除水中Cl-和SO42-的研究甚少。本試驗(yàn)探究低壓反滲透技術(shù)對(duì)于Cl-和SO42-的脫除效果，從而得到一種簡(jiǎn)便可行、經(jīng)濟(jì)節(jié)能的苦咸水脫鹽的處理方法。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)儀器及試劑
膜分離試驗(yàn)裝置(HPLM-1812-2)、電子分析天平(AB104-N)、100 mL 燒杯、1 L燒杯、500 mL 容量瓶、酸式及堿式滴定管等。
氯化鈉、無水硫酸鈉、硝酸銀、高錳酸鉀、過氧化氫、硫酸、氫氧化鈉、鉻酸鉀、鹽酸、氯化鋇、氯化鎂、乙二胺四乙酸二鈉、酚酞指示劑、甲基紅、鉻藍(lán)K- 萘酚綠B 等，藥品均為分析純。
1.2 試驗(yàn)溶液的配置
根據(jù)寧夏南部地區(qū)地下水中Cl-和SO42-的實(shí)際含量(Cl-比較高質(zhì)量濃度為1 367 mg/L，SO42- 比較高質(zhì)量濃度4 111.5 mg/L)配制水樣，如表1 所示。
1.3 試驗(yàn)方法
根據(jù)試驗(yàn)原水的進(jìn)水指標(biāo)及出水指標(biāo)要求，采用一級(jí)一段循環(huán)式反滲透工藝，將配置好的不同離子濃度的水樣在不用的進(jìn)水壓力下進(jìn)入反滲透裝置中，在反滲透膜的分離作用下分成兩條水路流出，一部分是濃度較高的濃縮液，另一部分是濃度較低的透過液;高濃度的濃縮液回流到原水中，透過液收集起來進(jìn)行離子濃度測(cè)定。
試驗(yàn)采用單一變量法，研究料液進(jìn)水壓力、進(jìn)水濃度和裝置運(yùn)行時(shí)間對(duì)低壓反滲透膜除鹽效果的影響。討論Cl-、SO42-的出水質(zhì)量濃度和截留率，并進(jìn)行模擬含Cl-和SO42-廢水處理試驗(yàn)。
1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
反滲透過程對(duì)于Cl-、SO42-的去除效果采用截留率(R)來表征，用百分比表示：
R=(1-ρp/ρb)×100%
式中，ρp為透過液質(zhì)量濃度;ρb為原水質(zhì)量濃度。
2 結(jié)果和討論
2.1 進(jìn)水TDS 含量對(duì)清水出水量的影響
在進(jìn)水壓力分別為0.55、0.60、0.65、0.70 MPa，進(jìn)水TDS 含量分別為1 242.8、3 107.2、4 971.5、6 835.8、8 700.1 mg/L 的條件下，進(jìn)行進(jìn)水壓力、進(jìn)水濃度對(duì)清水出水量影響的試驗(yàn)。不同進(jìn)水壓力下進(jìn)水TDS與出水量的關(guān)系如圖1 所示。
由圖1 可以看出，在相同的進(jìn)水壓力條件下，隨著進(jìn)水TDS 的增大，清水(透過液)出水量呈下降趨勢(shì);在相同的進(jìn)水TDS 條件下，當(dāng)進(jìn)水TDS 較低時(shí)(如圖1 中進(jìn)水TDS為1 242.8 mg/L)，進(jìn)水壓力越高，清水(透過液)出水量越大;當(dāng)進(jìn)水TDS 較高后，進(jìn)水壓力對(duì)清水(透過液)出水量的影響相應(yīng)變?nèi)�。試�?yàn)結(jié)果表明，當(dāng)處理低濃度含鹽水時(shí)，宜采用較高的進(jìn)水壓力。
2.2 進(jìn)水TDS 含量對(duì)清水TDS 含量的影響
在進(jìn)水壓力分別為0.55、0.60、0.65、0.70MPa，進(jìn)水TDS 含量分別為1 242.8、3 107.2、4 971.5、6 835.8、8 700.1 mg/L 的條件下，進(jìn)行進(jìn)水壓力、進(jìn)水濃度對(duì)清水出水濃度影響的試驗(yàn)。不同進(jìn)水壓力下進(jìn)水TDS 與出水TDS 的關(guān)系如圖2 所示。
由圖2 可知，在相同的進(jìn)水壓力條件下，隨著進(jìn)水TDS 的增大，清水(透過液)TDS 呈上升趨勢(shì)，且當(dāng)進(jìn)水TDS 超過6 835.8 mg/L 時(shí)，出水TDS 快速增加。在相同的進(jìn)水TDS 條件下，進(jìn)水壓力對(duì)清水(透過液)TDS 的影響較小，可忽略不計(jì)。試驗(yàn)表明，低壓反滲透膜對(duì)于高濃度含鹽水的處理效果不佳。故建議低壓反滲透過程進(jìn)水TDS 不宜超過7 000mg/L。
2.3 膜對(duì)進(jìn)水TDS 截留效果
在進(jìn)水壓力分別為0.55、0.60、0.65、0.70 MPa，進(jìn)水TDS 含量分別為1 242.8、3 107.2、4 971.5、6 835.8、8 700.1 mg/L 的條件下，進(jìn)行進(jìn)水壓力、進(jìn)水濃度對(duì)離子截留率影響的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。
由圖3 可以看出，在相同的進(jìn)水壓力條件下，隨著進(jìn)水TDS 含量的增大，反滲透膜對(duì)TDS 的截留率呈先上升后下降的趨勢(shì)。分析原因，在進(jìn)水TDS 從1 242.8～6 835.8 mg/L 的范圍內(nèi)，反滲透膜對(duì)TDS的截留效果良好;當(dāng)進(jìn)水TDS 超過6 835.8 mg/L后，可能是隨著進(jìn)水濃度升高，水的通量開始變小，并開始產(chǎn)生濃差極化現(xiàn)象，導(dǎo)致對(duì)膜產(chǎn)生污染。這樣，溶質(zhì)透過膜的機(jī)會(huì)增大，導(dǎo)致截留率降低，出水水質(zhì)變差。實(shí)際應(yīng)用中要綜合考慮進(jìn)水TDS 條件，以確保出水水質(zhì)合格。
2.4 進(jìn)水濃度對(duì)反滲透過程的影響
在進(jìn)水壓力為0.60 MPa 的條件下，分別進(jìn)行Cl-和SO42-進(jìn)水質(zhì)量濃度對(duì)反滲透過程影響的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖4、圖5 所示。
由圖4 可知，隨著Cl-進(jìn)水質(zhì)量濃度的升高，反滲透膜對(duì)于Cl-的截留率總體呈下降的趨勢(shì)，但均大于92%，且出水質(zhì)量濃度均小于國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)Cl-質(zhì)量濃度的要求(<50mg/L)。同時(shí)可以看出，當(dāng)Cl-進(jìn)水質(zhì)量濃度在200～1 100 mg/L 的范圍內(nèi)，截留率變化不大，基本保持在96%以上，當(dāng)進(jìn)水濃度超過1 100 mg/L 時(shí)，Cl-的截留率開始有明顯的下降。
由圖5 可知，隨著SO42-進(jìn)水質(zhì)量濃度的升高，反滲透膜對(duì)于SO42-的截留率總體呈上升的趨勢(shì)，且均大于97.5%，出水質(zhì)量濃度不超過20 mg/L，遠(yuǎn)低于國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SO42-的要求(<250 mg/L)。說明反滲透對(duì)于SO42-的截留具有良好的效果，而且即使進(jìn)水質(zhì)量濃度大幅度升高，出水質(zhì)量也穩(wěn)定可靠。
綜合圖4、圖5 結(jié)果可知，低壓反滲透由于膜孔徑較大，對(duì)Cl-的截留率不夠高，加之高濃度時(shí)產(chǎn)生的濃差極化現(xiàn)象，使得隨著進(jìn)水Cl-質(zhì)量濃度升高，出水的通量開始變小，出水水質(zhì)變差;但這樣的膜孔徑對(duì)SO42-具有很好的截留效果，因此即使SO42-的濃度很高也不會(huì)透過膜，實(shí)現(xiàn)高效的截留作用。
2.5 進(jìn)水壓力對(duì)于反滲透過程的影響
在Cl-、SO42-進(jìn)水質(zhì)量濃度分別為1 100、3 300mg/L 的條件下，進(jìn)行不同進(jìn)水壓力對(duì)于反滲透過程影響的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7 所示。
由圖6 可以看出，隨著進(jìn)水壓力的增高，Cl-的截留率基本保持穩(wěn)定，均在96.1%～96.8%;同時(shí)出水質(zhì)量濃度呈先下降再上升的趨勢(shì)，在0.60MPa 進(jìn)水壓力下，出水質(zhì)量濃度比較低，為34.5 mg/L。試驗(yàn)表明，反滲透膜對(duì)于Cl-的截留效果在進(jìn)水壓力0.6MPa 時(shí)為比較好。分析原因，進(jìn)水壓力增大后，膜兩側(cè)壓力差變大，使得一價(jià)的Cl-更易透過膜而進(jìn)入清水(透過液)中，當(dāng)壓力變?yōu)?.70MPa 時(shí)，清水(透過液)中Cl-質(zhì)量濃度開始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。因此在采用低壓反滲透處理高氯離子濃度水質(zhì)時(shí)，要選擇適當(dāng)?shù)倪M(jìn)水壓力。
由圖7 可以看出，隨著進(jìn)水壓力的增大，SO42-的截留率無明顯變化趨勢(shì)，截留率均大于99%，出水質(zhì)量濃度均遠(yuǎn)小于國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于SO42-質(zhì)量濃度的要求(250 mg/L)，出水效果穩(wěn)定可靠。試驗(yàn)表明，反滲透膜對(duì)于SO42-的截留效果不隨進(jìn)水壓力而產(chǎn)生明顯變化。而進(jìn)水壓力大時(shí)，清水的產(chǎn)率相應(yīng)也高;但如果考慮到和Cl-同時(shí)去除，則要考慮進(jìn)水壓力。
2.6 一級(jí)一段循環(huán)模式出水運(yùn)行情況
在已經(jīng)確定的比較佳運(yùn)行條件下(進(jìn)水壓力0.6MPa)，按照寧夏南部地區(qū)當(dāng)?shù)厮w中Cl-和SO42-的實(shí)際濃度(Cl-質(zhì)量濃度為1 400 mg/L，SO42-質(zhì)量濃度為4 200 mg/L)，采用一級(jí)一段循環(huán)模式運(yùn)行反滲透裝置。每15 min 取一次樣進(jìn)行測(cè)定，運(yùn)行結(jié)果如圖8、圖9 所示。
由圖8 可知，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，Cl-出水質(zhì)量濃度不斷增加;當(dāng)運(yùn)行至45 min 時(shí)(45 min 時(shí)，出水質(zhì)量濃度為227.929 mg/L)，Cl-出水質(zhì)量濃度即將超過國(guó)家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中的比較高要求(≤250 mg/L)。故建議反滲透裝置連續(xù)運(yùn)行時(shí)間不宜超過45 min，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行反沖洗[17-19]。由圖9 可知，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，SO42-的出水質(zhì)量濃度一直保持在27 mg/L 以下，遠(yuǎn)低于國(guó)家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于SO42-質(zhì)量濃度的要求(≤250 mg/L)，反滲透膜對(duì)SO42-的截留率保持在99.3%以上。由此可知，反滲透膜對(duì)SO42-具有長(zhǎng)期、穩(wěn)定的截留效果[20]。具體參見http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結(jié)論
反滲透膜除鹽的比較佳運(yùn)行條件為：進(jìn)水壓力0.6MPa，清水流量5.04 L/h，清水產(chǎn)率60%。
反滲透膜對(duì)Cl-和SO42-均有良好的截留效果，可以應(yīng)用反滲透來處理水體中的Cl-和SO42-。反滲透膜對(duì)Cl-和SO42-的比較佳截留條件為：Cl-進(jìn)水質(zhì)量濃度1 100 mg/L，進(jìn)水壓力0.65MPa，截留率96.1%，出水質(zhì)量濃度42.5 mg/L;SO42-進(jìn)水質(zhì)量濃度3 300mg/L，截留率99.7%，出水質(zhì)量濃度11.5 mg/L。
利用反滲透膜可以實(shí)現(xiàn)快速處理寧夏南部地區(qū)苦咸水，建議每45 min 進(jìn)行一次膜的反沖洗。
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