【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 a+的去除率會(huì)隨著電壓的升高而上升，其變化規(guī)律與Ca2+是基本一致的。在電導(dǎo)率降到1200μs /cm時(shí)，Na+的去除率可以達(dá)到78%左右。由上述分析可以看出，電滲析法去除溶液中的陽(yáng)離子的效果還是比較理想的，可以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要。通過(guò)實(shí)驗(yàn)還得出了電滲析器對(duì)其它離子的去除率，如表24所示。. 3 .2 小型電滲析器降低礦化度的能耗分析 通過(guò)計(jì)算不同流量和電壓下電導(dǎo)率降至1200μs/cm時(shí)所消耗的電量，確定處理單位水量的污水時(shí)所需的能耗，從而預(yù)測(cè)使用電滲系析法降低礦化度是否經(jīng)濟(jì)，能否應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。能耗用式(21)計(jì)算。 式中 EC—能耗，kWh/m3； U—電壓，V； I—電流，A； Q—流量，m3/h； t—運(yùn)行時(shí)間，h。 不同電壓不同流量下電導(dǎo)率降至1200μs/cm時(shí)所消耗的電量如圖2210和211所示。2210和211可以看出，～。在相同電壓下，耗電量隨著流量的降低而升高，這是因?yàn)槿芤旱目傮w積是一定的，而該裝置采用循環(huán)處理方式，因此循環(huán)的越快，溶液混合的越快，電流效率就越高，耗電量就越少。同時(shí)可以看出, 在相同流量下, 耗電量隨著電壓的升高而升高，這是由于電壓升高時(shí)，電流也升高了，因此能耗也就提高了。 本章小結(jié) 本章介紹了在實(shí)驗(yàn)室用一級(jí)一段小型電滲析器處理人工配制大慶油田含聚采油出水的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小型電滲析器的脫鹽效果比較理想，在出水達(dá)標(biāo)的情況下，Ca2+的去除率可以達(dá)到97%以上，Mg2+的去除率可以達(dá)到90%左右，Na+和K+的去除率可以達(dá)到78%以上，而對(duì)陰離子Cl、HCOSO42+的去除率也分別可以達(dá)到85%、67%和70%左右。在不同的電壓和流量下，～，可以滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的需要。第3章 電滲析法去除含聚廢水礦化度的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn) 經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室的小型電滲析器的人工配制實(shí)驗(yàn)，確定了電滲法在處理能力和經(jīng)濟(jì)性方面都已經(jīng)滿(mǎn)足了進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的條件，為了確定工業(yè)生產(chǎn)時(shí)電滲析器的各項(xiàng)工藝指標(biāo)及能耗，決定進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)時(shí)間與地點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2004年2月中旬至6月底，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的地點(diǎn)選擇在大慶油田采油二廠第一作業(yè)區(qū)聚南八污水處理站（聯(lián)合），該處理站的處理能力為2萬(wàn)t/d左右，其主要職能是將南八聯(lián)污水處理站的經(jīng)過(guò)油水分離的采油污水收集過(guò)來(lái)，先進(jìn)行二次沉降，然后經(jīng)過(guò)粗、細(xì)兩級(jí)砂濾，再將經(jīng)過(guò)處理的水送往各注水站，各注水站將水注入地下，保持地下壓力的穩(wěn)定，以保證原油的正常開(kāi)采。 實(shí)驗(yàn)裝置我們?cè)O(shè)計(jì)制作了一個(gè)處理水量為10t/h的電滲析器[228]，其各項(xiàng)工藝指標(biāo)和實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備接近。這套裝置的組成部分包括進(jìn)水泵、排水泵、進(jìn)水管道、排水管道、流量控制閥門(mén)、流量計(jì)、4級(jí)4段電滲析膜堆(膜面積為4001600mm2，膜堆每段由75張陰膜、76張陽(yáng)膜和150張隔板相互疊放構(gòu)成，共4組)，5組電極(鈦涂釕)、自控柜和整流柜、在線(xiàn)電導(dǎo)率儀、20KW變壓器、空氣壓縮機(jī)、排水水箱、酸洗槽[38]。 該裝置的進(jìn)水管接在聚南八污水站的出水總管上，由于出水總管的壓力不穩(wěn)定，為了保證實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行，在進(jìn)水管上安裝了一臺(tái)水泵，同時(shí)可以在清洗膜堆的時(shí)候作為循環(huán)水泵使用，出水管通入排水水箱，水箱中設(shè)置一臺(tái)潛水泵，將出水排到污水站的污水池中，潛水泵設(shè)低水位停泵、中水位起泵和高水位報(bào)警等自控裝置，可以保證設(shè)備在無(wú)人看管的情況下自動(dòng)運(yùn)行。 本電滲析器采用頻繁倒電極技術(shù)，可以使?jié)舛葮O化和懸浮物吸附等引起的結(jié)垢現(xiàn)象造成的膜污染減到最小程度。倒極時(shí)間為每20分鐘一次，因?yàn)閯偟雇陿O時(shí)，脫鹽率不可能很快達(dá)到要求，需要經(jīng)過(guò)一、兩分鐘的時(shí)間才能使出水合格。這段時(shí)間的淡水只能和濃水一起排掉，造成一定的浪費(fèi)，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，可以將這一部分水回收，再進(jìn)行脫鹽。 本裝置有自動(dòng)和手動(dòng)兩種運(yùn)行模式，在自動(dòng)運(yùn)行模式下，只需將設(shè)備打開(kāi)，電滲析器即可按照設(shè)定好的程序自動(dòng)運(yùn)行，每20分鐘倒一次極；在手動(dòng)模式下，電滲析器會(huì)在一個(gè)方向連續(xù)運(yùn)行，直到手動(dòng)倒極為止，倒極時(shí)間和延時(shí)時(shí)間都由操作者控制。 本實(shí)驗(yàn)裝置的濃水、淡水和極水都采用聚南八污水站的處理出水，濃水采用減少流量的方式來(lái)提高利用率，極水水量比較小，使用后和濃水一起排掉。 本裝置對(duì)濃、淡水的進(jìn)水和出水采用氣動(dòng)閥控制，當(dāng)電滲析器倒極時(shí)，通過(guò)氣動(dòng)閥的自動(dòng)啟閉來(lái)自動(dòng)轉(zhuǎn)化濃、淡水的流量，使?jié)?、淡水保持倒極前的流量，同時(shí)濃、淡水的出水也通過(guò)氣動(dòng)閥的自動(dòng)啟閉而繼續(xù)保持原來(lái)的通道，更便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄。 實(shí)驗(yàn)用水水質(zhì) 實(shí)驗(yàn)用水采用聚南八污水處理站經(jīng)過(guò)處理的出水，既經(jīng)過(guò)除油和二級(jí)砂濾的水，原水中的組成成分分析如表31所示。本實(shí)驗(yàn)水質(zhì)分析數(shù)據(jù)由大慶油田第二采油廠試驗(yàn)大隊(duì)中心化驗(yàn)室提供。　 實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝調(diào)試與運(yùn)行 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安裝 本實(shí)驗(yàn)電滲析器所使用的陰、陽(yáng)膜為上?；S生產(chǎn)的聚丙烯異相膜，安裝前需將膜放在清水中浸泡24小時(shí)，使其充分吸水膨脹，大小和隔板相吻合，然后在濕潤(rùn)狀態(tài)下馬上進(jìn)行安裝，安裝膜堆時(shí)一定要注意陰、陽(yáng)膜和隔板的疊放順序，不要放錯(cuò)，尤其是隔板，放錯(cuò)一張會(huì)使處理效果大打折扣。另外在碼膜時(shí)還要注意膜堆的前后左右位置，一定要保持垂直，否則運(yùn)行時(shí)可能會(huì)漏水[39]。 安裝完膜堆后需要進(jìn)行緊固，為了防止在緊固時(shí)膜堆的傾斜，可在螺桿與膜堆的空隙里放置與膜堆同高的木板，厚度與空隙差不多就行，這樣可有效防止安裝和運(yùn)行時(shí)膜堆的傾斜，另外還可防止膜堆傾斜后與鐵制螺桿接觸，通水通電后而引起的螺桿的腐蝕。膜堆的緊固在達(dá)到或略高于設(shè)計(jì)高度時(shí)即可，然后根據(jù)運(yùn)行時(shí)的漏水情況決定是否再緊固。膜堆在緊固以后最好在其中注入清水，以防膜干燥后收縮。 由于不管電滲析器的膜堆緊固的多好，在運(yùn)行時(shí)或多或少都會(huì)有一定量水的滲漏，尤其是電滲析器停止運(yùn)行一段時(shí)間后再運(yùn)行時(shí)，由于膜的干燥收縮，水的滲漏量可能會(huì)比較大，因此在膜堆的下面安放一個(gè)集水槽，將滲漏的水收集起來(lái)，再排入排水水箱中。 電滲析器的進(jìn)、出水管線(xiàn)、接頭和閥門(mén)(包括手動(dòng)和氣動(dòng)閥門(mén))均采用ABS塑料管，這種材料堅(jiān)固、耐用，能承受1Mpa的壓力。接頭處的連接采用專(zhuān)用膠粘接，這種膠是將ABS材料溶于丙酮后得到的，呈乳黃色粘稠液體狀，使用時(shí)一定要注意將專(zhuān)用膠均勻涂抹于管材和接頭的接觸面上，粘好后放置24小時(shí)后即可使用。 最后安裝氣動(dòng)閥門(mén)管線(xiàn)和電滲析器電源線(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)所用電源為聚南八污水處理站的工業(yè)用電，電壓為380v，需先經(jīng)變壓器變壓為220v后才能應(yīng)用，變壓器為20KW，可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備、儀器的用電要求。 本實(shí)驗(yàn)裝置的現(xiàn)場(chǎng)布置如圖31所示。 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的調(diào)試 所有組件安裝完畢以后，先進(jìn)行水密性測(cè)試，將進(jìn)水閥門(mén)F出水閥門(mén)F3打開(kāi)，閥門(mén)FF4關(guān)閉，閥門(mén)的開(kāi)閉原則是先開(kāi)后閉，防止憋壓。設(shè)備進(jìn)水后檢查各部分的水密性，看是否有漏水現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)后應(yīng)及時(shí)處理。 然后進(jìn)行出水濃、淡水管線(xiàn)的測(cè)試，由于在線(xiàn)電導(dǎo)率儀已安裝在某一出水管線(xiàn)上，因此需檢測(cè)該管線(xiàn)是否是淡水管線(xiàn)。先將進(jìn)水打開(kāi)，待有水排出時(shí)再將電滲析的電源接通，將電壓調(diào)至某一值(如50v)。設(shè)備開(kāi)啟的順序是先進(jìn)水，再通電，防止?jié)獠顦O化[37]。幾分鐘后，檢測(cè)兩根出水管出水的電導(dǎo)率值，低的是淡水管，高的是濃水管，如果在線(xiàn)電導(dǎo)率儀不在淡水管上，只需將電源線(xiàn)的正、負(fù)極對(duì)調(diào)即可。 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行 在設(shè)備調(diào)試完畢后，即可進(jìn)行設(shè)備的運(yùn)行，確定該設(shè)備的各項(xiàng)工藝參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)，提出最佳運(yùn)行方案。 設(shè)備的運(yùn)行分為正常的脫鹽過(guò)程和清洗過(guò)程。 脫鹽過(guò)程將閥門(mén)FF3打開(kāi)，F(xiàn)F4關(guān)閉，先通入原水，調(diào)節(jié)濃、淡水和極水的流量，再接通電滲析的電源，運(yùn)行方式可選擇手動(dòng)或自動(dòng)方式，然后調(diào)節(jié)電壓，幾分鐘后脫鹽率穩(wěn)定后記錄淡水的電導(dǎo)率值，同時(shí)記錄原水的溫度、電導(dǎo)率值，電滲析器的電壓和電流值，濃水、淡水和極水進(jìn)水管的流量和壓力，濃、淡水出水的pH值。 設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，電滲析器的脫鹽率會(huì)有所下降，當(dāng)脫鹽率下降510%時(shí)，需要對(duì)膜堆進(jìn)行清洗。此時(shí)將閥門(mén)FF3關(guān)閉，F(xiàn)F4打開(kāi)，于是膜堆和清洗槽形成閉合回路，在清洗槽中放入清洗液，然后開(kāi)啟進(jìn)水泵，讓清洗液在膜堆中循環(huán)，清洗完畢后將清洗液排放掉，在清洗槽中放入清水，繼續(xù)循環(huán)沖洗膜堆。重復(fù)幾次后沖洗液中清洗液的含量很小時(shí)，即完成清洗過(guò)程。將閥門(mén)倒回脫鹽運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，可以繼續(xù)進(jìn)行脫鹽過(guò)程。 實(shí)驗(yàn)總結(jié)與數(shù)據(jù)分析 電滲析器各工藝參數(shù)的確定 電滲析器極限電流的測(cè)定 在電滲析除鹽過(guò)程中，對(duì)有一定含鹽量的水而言，電滲析器中流過(guò)的電流密度有一個(gè)最高值，當(dāng)電流超過(guò)此值時(shí)，就會(huì)發(fā)生極化，此時(shí)的電流密度稱(chēng)為極限電流密度[36]。 (1)極限電流密度公式 根據(jù)菲克(Fick)擴(kuò)散定律，在單位面積上，反離子在膜中的遷移量等于離子在溶液中的電遷移量與濃差擴(kuò)散遷移量之和，在極化臨界狀態(tài)下，可建立公式： 上式整理后得： 式中 —反離子在膜中的遷移數(shù)； τ—離子在溶液中的遷移數(shù)； Jlim—極限電流密度，A/cm2； c—除鹽室溶液的主體濃度，mg/L； δ—濃差擴(kuò)散層的厚度，mm； D—擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s； F—法拉第常數(shù)，96500C/mol。 1960年威爾遜(Wilson)提出擴(kuò)散層厚度的求法：式中 v—淡水室中水的線(xiàn)速度，cm/s； —試驗(yàn)常數(shù)； d —淡水室厚度，cm。 將式33代入32中，令 得 公式35為威爾遜公式，式中K是一個(gè)綜合經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，需要試驗(yàn)求出。后來(lái)威爾遜經(jīng)過(guò)修改，提出了極限電流密度的一般表達(dá)式： 式中 m—流速指數(shù)，～； n—含鹽量指數(shù)，一般取1。 最終極限電流密度表達(dá)式為： (2)極限電流密度的測(cè)定 測(cè)定極限電流密度的方法有：電壓電流法，pH電流法等，常用的是電壓電流法，方法如下所述： 測(cè)定膜堆電壓，計(jì)算膜對(duì)電壓，用平均膜對(duì)電壓繪制電壓電流曲線(xiàn)。將測(cè)定結(jié)果繪于坐標(biāo)圖上，如圖32所示。 由圖32看出，從拐點(diǎn)A開(kāi)始，直線(xiàn)斜率明顯增大。最后測(cè)出OA、AD、DE三個(gè)線(xiàn)段，將OA和DE延長(zhǎng)交于P點(diǎn)，在P點(diǎn)引垂線(xiàn)交AD線(xiàn)于C，由C點(diǎn)向縱、橫坐標(biāo)引垂線(xiàn)得Ic和Uc，Ic點(diǎn)可作為極限電流。此時(shí)可測(cè)出淡水進(jìn)出水含鹽量，求出淡水的對(duì)數(shù)平均含鹽量。根據(jù)膜的有效利用面積，可求出極限電流密度。 由式(37)的對(duì)數(shù)形式，得 整理后得： lgK和m是二元一次方程式中的兩個(gè)未知數(shù)，兩次變化流速，可測(cè)得兩個(gè)和c，列出兩組方程式，即可求得m和值[8]。 本實(shí)驗(yàn)采用電壓—電流法來(lái)測(cè)定本實(shí)驗(yàn)裝置的極限電流。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一定要注意運(yùn)行電流數(shù)不要超過(guò)極限電流，防止電滲析器發(fā)生極化。 電滲析的濃度極化和結(jié)垢 (1)離子交換膜的極化和結(jié)垢 電滲析運(yùn)行時(shí)，由于離子在膜內(nèi)的遷移數(shù)與溶液中的遷移數(shù)有較大的差異，從而引起濃差極化，當(dāng)膜表面附著某些鹽類(lèi)沉淀或雜質(zhì)時(shí)，會(huì)引起和加劇膜的極化。極化會(huì)使膜堆電阻急劇上升，電耗增加，設(shè)備內(nèi)部結(jié)垢甚至堵塞，淡水水質(zhì)下降，甚至無(wú)法正常運(yùn)行[32]。以陽(yáng)膜為例，如圖33所示為陽(yáng)膜兩側(cè)的極化現(xiàn)象。設(shè)陽(yáng)膜兩側(cè)淡室和濃室中某陽(yáng)離子濃度分別為c1和c2，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，膜左側(cè)的陽(yáng)離子從淡室向右側(cè)的濃室中遷移。由于陽(yáng)離子在陽(yáng)膜內(nèi)的遷移數(shù)大于它在溶液中的遷移數(shù)，造成膜左側(cè)界面層內(nèi)陽(yáng)離子濃度比溶液中低，即＜c1，同時(shí)膜右側(cè)界面層內(nèi)陽(yáng)離子濃度比溶液中高，即＞c2。它們的差值隨電流的增高而增大，當(dāng)電流升至某一極限值時(shí)，降低至趨近于零，此時(shí)與的濃度差達(dá)到最大，擴(kuò)散速度亦增至最大，界面層電阻急劇升高，于是外加電場(chǎng)電離H2O生成H+和OH，由H+代替陽(yáng)離子透過(guò)陽(yáng)膜承擔(dān)傳遞電流的任務(wù)。同理，當(dāng)電流升到某一值時(shí)，陰膜的淡室界面層內(nèi)陰離子濃度趨近于零，水解離產(chǎn)生的OH 透過(guò)膜遷移。這種現(xiàn)象稱(chēng)為濃度極化，此時(shí)的電流密度稱(chēng)為極限電流密度。 當(dāng)發(fā)生極化現(xiàn)象時(shí)，在陽(yáng)膜淡室一側(cè)，由于H+透過(guò)膜遷移到濃室，使淡室pH值上升，～，OH與水中的重碳酸根和鈣離子反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀在膜表面上： 當(dāng)pH值達(dá)到9～10時(shí)，則有游離的OH+與鎂離子生成氫氧化鎂沉淀在膜表面上： 同樣，在陰膜的濃室一側(cè)由于OH的遷入，也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似結(jié)垢現(xiàn)象。此外，當(dāng)電滲析器通電時(shí)，濃室兩側(cè)陰、陽(yáng)膜的擴(kuò)散界面層內(nèi)陰、陽(yáng)離子的濃度都明顯升高，當(dāng)界面層內(nèi)某些陰、陽(yáng)離子的濃度積大于其溶度積時(shí)，則會(huì)析出鹽類(lèi)沉淀在膜表面上，如硫酸鈣、硫酸鋇和硫酸鍶等。 (2)電極的極化和結(jié)垢 電極的極化主要包括電極表面存在的濃差極化和電化學(xué)反應(yīng)。電極的濃差極化是由于電極反應(yīng)放電時(shí)，放電離子在電極表面層的濃度低于電極液中的濃度。例如在陰極表面的擴(kuò)散層內(nèi)，H+得到電子，生成氫氣析出，使陰極表面H+濃度降低，而OH濃度增加，使H+向陰極表面擴(kuò)散，而OH向溶液中擴(kuò)散，陰極溶液的pH值上升，會(huì)導(dǎo)致碳酸鈣和氫氧化鎂沉淀在電極表面，形成結(jié)垢。陽(yáng)極則與此相反，OH在陽(yáng)極失去電子，生成氧氣，電極液的pH值下降，一般不會(huì)產(chǎn)生沉淀和結(jié)垢，但會(huì)使陽(yáng)極發(fā)生腐蝕。 防止極化現(xiàn)象產(chǎn)生的主要措施是選擇合適的工作電流密度，一般要低于極限電流密度，還可以采用倒換電極法來(lái)防止沉淀和結(jié)垢[8]。 流速與壓力的要求 電滲析器都有自身的額定流量，流量過(guò)大，進(jìn)水壓力過(guò)高，設(shè)備容易產(chǎn)生漏水和變形，流量過(guò)小，水中的懸浮物沉積在膜上，使水流壓力增大，同時(shí)由于流速太低達(dá)不到紊流狀態(tài)，造成滯留層過(guò)厚，很容易產(chǎn)生極化結(jié)垢。一般流速宜控制在5～25cm/s，[33]。 原水利用率的提高 當(dāng)濃水和極水全部由原水供給時(shí)，為了提高原水的利用率，一般采取濃水循環(huán)、濃水轉(zhuǎn)作他用、從濃水中再回收淡水和減少濃濃水循環(huán)動(dòng)力消耗小，但設(shè)備增加，操作管理麻煩。采取濃水循環(huán)時(shí)由于濃水中的離子濃度大為提高，可能產(chǎn)生硫酸鹽和碳酸鹽的沉淀，此時(shí)可投加隱蔽劑如六偏磷酸鈉和酸來(lái)阻止沉淀生成，但這樣會(huì)提高運(yùn)行成本，也可降低濃縮倍數(shù)。國(guó)內(nèi)通?？刂茲饪s倍數(shù)為5～10，對(duì)于不同的原水水質(zhì)和離子交換膜