【文章內(nèi)容簡介】 a+的去除率會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，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離子的效果還是比較理想的，可以滿足實際應(yīng)用的需要。通過實驗還得出了電滲析器對其它離子的去除率，如表24所示。. 3 .2 小型電滲析器降低礦化度的能耗分析 通過計算不同流量和電壓下電導(dǎo)率降至1200μs/cm時所消耗的電量，確定處理單位水量的污水時所需的能耗，從而預(yù)測使用電滲系析法降低礦化度是否經(jīng)濟(jì)，能否應(yīng)用于實際生產(chǎn)。能耗用式(21)計算。 式中 EC—能耗，kWh/m3； U—電壓，V； I—電流，A； Q—流量，m3/h； t—運行時間，h。 不同電壓不同流量下電導(dǎo)率降至1200μs/cm時所消耗的電量如圖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，這是因為溶液的總體積是一定的，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，電流也升高了，因此能耗也就提高了。 本章小結(jié) 本章介紹了在實驗室用一級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驗。實驗結(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)場實驗 經(jīng)過實驗室的小型電滲析器的人工配制實驗，確定了電滲法在處理能力和經(jīng)濟(jì)性方面都已經(jīng)滿足了進(jìn)行進(jìn)一步實驗的條件，為了確定工業(yè)生產(chǎn)時電滲析器的各項工藝指標(biāo)及能耗，決定進(jìn)行現(xiàn)場實驗。 實驗時間與地點 實驗時間為2004年2月中旬至6月底，現(xiàn)場實驗的地點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t/d左右，其主要職能是將南八聯(lián)污水處理站的經(jīng)過油水分離的采油污水收集過來，先進(jìn)行二次沉降，然后經(jīng)過粗、細(xì)兩級砂濾，再將經(jīng)過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采。 實驗裝置我們設(shè)計制作了一個處理水量為10t/h的電滲析器[228]，其各項工藝指標(biāo)和實際生產(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、流量計、4級4段電滲析膜堆(膜面積為4001600mm2，膜堆每段由75張陰膜、76張陽膜和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，為了保證實驗的正常進(jìn)行，在進(jìn)水管上安裝了一臺水泵，同時可以在清洗膜堆的時候作為循環(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警等自控裝置，可以保證設(shè)備在無人看管的情況下自動運行。 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。倒極時間為每20分鐘一次，因為剛倒完極時，脫鹽率不可能很快達(dá)到要求，需要經(jīng)過一、兩分鐘的時間才能使出水合格。這段時間的淡水只能和濃水一起排掉，造成一定的浪費，在實際生產(chǎn)時，可以將這一部分水回收，再進(jìn)行脫鹽。 本裝置有自動和手動兩種運行模式，在自動運行模式下，只需將設(shè)備打開，電滲析器即可按照設(shè)定好的程序自動運行，每20分鐘倒一次極；在手動模式下，電滲析器會在一個方向連續(xù)運行，直到手動倒極為止，倒極時間和延時時間都由操作者控制。 本實驗裝置的濃水、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。 本裝置對濃、淡水的進(jìn)水和出水采用氣動閥控制，當(dāng)電滲析器倒極時，通過氣動閥的自動啟閉來自動轉(zhuǎn)化濃、淡水的流量，使?jié)?、淡水保持倒極前的流量，同時濃、淡水的出水也通過氣動閥的自動啟閉而繼續(xù)保持原來的通道，更便于實驗數(shù)據(jù)的記錄。 實驗用水水質(zhì) 實驗用水采用聚南八污水處理站經(jīng)過處理的出水，既經(jīng)過除油和二級砂濾的水，原水中的組成成分分析如表31所示。本實驗水質(zhì)分析數(shù)據(jù)由大慶油田第二采油廠試驗大隊中心化驗室提供。　 實驗設(shè)備安裝調(diào)試與運行 實驗設(shè)備的安裝 本實驗電滲析器所使用的陰、陽膜為上?；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，使其充分吸水膨脹，大小和隔板相吻合，然后在濕潤狀態(tài)下馬上進(jìn)行安裝，安裝膜堆時一定要注意陰、陽膜和隔板的疊放順序，不要放錯，尤其是隔板，放錯一張會使處理效果大打折扣。另外在碼膜時還要注意膜堆的前后左右位置，一定要保持垂直，否則運行時可能會漏水[39]。 安裝完膜堆后需要進(jìn)行緊固，為了防止在緊固時膜堆的傾斜，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行時膜堆的傾斜，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)計高度時即可，然后根據(jù)運行時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，在運行時或多或少都會有一定量水的滲漏，尤其是電滲析器停止運行一段時間后再運行時，由于膜的干燥收縮，水的滲漏量可能會比較大，因此在膜堆的下面安放一個集水槽，將滲漏的水收集起來，再排入排水水箱中。 電滲析器的進(jìn)、出水管線、接頭和閥門(包括手動和氣動閥門)均采用ABS塑料管，這種材料堅固、耐用，能承受1Mpa的壓力。接頭處的連接采用專用膠粘接，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，使用時一定要注意將專用膠均勻涂抹于管材和接頭的接觸面上，粘好后放置24小時后即可使用。 最后安裝氣動閥門管線和電滲析器電源線。本實驗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，可以滿足現(xiàn)場所有設(shè)備、儀器的用電要求。 本實驗裝置的現(xiàn)場布置如圖31所示。 實驗設(shè)備的調(diào)試 所有組件安裝完畢以后，先進(jìn)行水密性測試，將進(jìn)水閥門F出水閥門F3打開，閥門FF4關(guān)閉，閥門的開閉原則是先開后閉，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)及時處理。 然后進(jìn)行出水濃、淡水管線的測試，由于在線電導(dǎo)率儀已安裝在某一出水管線上，因此需檢測該管線是否是淡水管線。先將進(jìn)水打開，待有水排出時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，如果在線電導(dǎo)率儀不在淡水管上，只需將電源線的正、負(fù)極對調(diào)即可。 實驗設(shè)備的運行 在設(shè)備調(diào)試完畢后，即可進(jìn)行設(shè)備的運行，確定該設(shè)備的各項工藝參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)，提出最佳運行方案。 設(shè)備的運行分為正常的脫鹽過程和清洗過程。 脫鹽過程將閥門FF3打開，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，運行方式可選擇手動或自動方式，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)備運行一段時間后，電滲析器的脫鹽率會有所下降，當(dāng)脫鹽率下降510%時，需要對膜堆進(jìn)行清洗。此時將閥門FF3關(guān)閉，F(xiàn)F4打開，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，即完成清洗過程。將閥門倒回脫鹽運行時的狀態(tài)，可以繼續(xù)進(jìn)行脫鹽過程。 實驗總結(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定 在電滲析除鹽過程中，對有一定含鹽量的水而言，電滲析器中流過的電流密度有一個最高值，當(dāng)電流超過此值時，就會發(fā)生極化，此時的電流密度稱為極限電流密度[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—淡水室中水的線速度，cm/s； —試驗常數(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是一個綜合經(jīng)驗系數(shù)，需要試驗求出。后來威爾遜經(jīng)過修改，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)極限電流密度的測定 測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： 測定膜堆電壓，計算膜對電壓，用平均膜對電壓繪制電壓電流曲線。將測定結(jié)果繪于坐標(biāo)圖上，如圖32所示。 由圖32看出，從拐點A開始，直線斜率明顯增大。最后測出OA、AD、DE三個線段，將OA和DE延長交于P點，在P點引垂線交AD線于C，由C點向縱、橫坐標(biāo)引垂線得Ic和Uc，Ic點可作為極限電流。此時可測出淡水進(jìn)出水含鹽量，求出淡水的對數(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)的對數(shù)形式，得 整理后得： lgK和m是二元一次方程式中的兩個未知數(shù)，兩次變化流速，可測得兩個和c，列出兩組方程式，即可求得m和值[8]。 本實驗采用電壓—電流法來測定本實驗裝置的極限電流。在實驗過程中一定要注意運行電流數(shù)不要超過極限電流，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 電滲析運行時，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沉淀或雜質(zhì)時，會引起和加劇膜的極化。極化會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，甚至無法正常運行[32]。以陽膜為例，如圖33所示為陽膜兩側(cè)的極化現(xiàn)象。設(shè)陽膜兩側(cè)淡室和濃室中某陽離子濃度分別為c1和c2，當(dāng)有電流通過時，膜左側(cè)的陽離子從淡室向右側(cè)的濃室中遷移。由于陽離子在陽膜內(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)陽離子濃度比溶液中低，即＜c1，同時膜右側(cè)界面層內(nèi)陽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，降低至趨近于零，此時與的濃度差達(dá)到最大，擴(kuò)散速度亦增至最大，界面層電阻急劇升高，于是外加電場電離H2O生成H+和OH，由H+代替陽離子透過陽膜承擔(dān)傳遞電流的任務(wù)。同理，當(dāng)電流升到某一值時，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 透過膜遷移。這種現(xiàn)象稱為濃度極化，此時的電流密度稱為極限電流密度。 當(dāng)發(fā)生極化現(xiàn)象時，在陽膜淡室一側(cè)，由于H+透過膜遷移到濃室，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，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，也會出現(xiàn)類似結(jié)垢現(xiàn)象。此外，當(dāng)電滲析器通電時，濃室兩側(cè)陰、陽膜的擴(kuò)散界面層內(nèi)陰、陽離子的濃度都明顯升高，當(dāng)界面層內(nèi)某些陰、陽離子的濃度積大于其溶度積時，則會析出鹽類沉淀在膜表面上，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，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，會導(dǎo)致碳酸鈣和氫氧化鎂沉淀在電極表面，形成結(jié)垢。陽極則與此相反，OH在陽極失去電子，生成氧氣，電極液的pH值下降，一般不會產(chǎn)生沉淀和結(jié)垢，但會使陽極發(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，流量過大，進(jìn)水壓力過高，設(shè)備容易產(chǎn)生漏水和變形，流量過小，水中的懸浮物沉積在膜上，使水流壓力增大，同時由于流速太低達(dá)不到紊流狀態(tài)，造成滯留層過厚，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，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)動力消耗小，但設(shè)備增加，操作管理麻煩。采取濃水循環(huán)時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，此時可投加隱蔽劑如六偏磷酸鈉和酸來阻止沉淀生成，但這樣會提高運行成本，也可降低濃縮倍數(shù)。國內(nèi)通?？刂茲饪s倍數(shù)為5～10，對于不同的原水水質(zhì)和離子交換膜