500 L/d電容去離子法海水淡化裝置設計與性能測試

姚壽廣，榮一龍

(江蘇科技大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引言

隨著社會經濟的飛速發展, 淡水資源的需求量越來越大，淡水資源供需矛盾日益嚴重，這已經成為制約社會經濟發展的重要因素之一[1]。海水淡化(脫鹽)技術已經成為解決淡水資源危機的重要途徑[2]。目前，工業上采用的海水淡化方法主要有多級閃蒸(MSF)、多效蒸發(MED)、反滲透(RO)等。MSF和MED技術已經非常成熟，但能耗很高，而且裝置造價較高。RO方法能耗較低，但能量利用率不高，且反滲透膜價值高，耐受性較差，受水質影響大。因此，尋求高效節能的海水淡化方法依然是目前世界淡水制備發展的重要方向之一[3-4]，尤其是遠洋漁船出海及遠離大陸海島家庭日常飲用水迫切需要一種高效節能型的小型海水淡化裝置。

電容法海水淡化技術作為一種新型的海水淡化技術具有能耗低、無污染，裝置制作簡單，使用壽命長等特點[4]，具有廣闊的發展前景。據此，本文設計開發了目標為500 L/d超級電容法海水淡化裝置以解決遠離大陸海島家庭日常生活用水困難問題。

1 系統設計

1.1 系統組成

電容法海水淡化系統包括原水箱、水泵、閥門、電容處理模塊、傳感器、充放電源、PLC控制器以及其他輔助設備。

海水淡化裝置水路系統示意圖見圖1。

圖1 海水淡化裝置水路圖

電容處理模塊是實現海水轉化成淡水的裝置，一般有板式裝置和卷式裝置2種形式。由于板式裝置結構簡單、組裝拆卸容易，對電極強度要求較低，所以本文采用板式裝置。板式裝置主要由有機玻璃端板、硅膠墊片、活性炭電極(含基板)、絕緣網等組成，其中電極材料對裝置的除鹽效果有著重要影響。本文選取4種市面上銷售的活性炭，編號依次為1#、2#、3#、4#，其物性參數見表1 。由4種活性炭參數可知1#的吸附量最高，所以本設計采用1#活性炭材料。活性炭的使用量可由以下公式計算得到：

ΔMTDS=MTDS1-MTDS2

(1)

m=ΔMTDSV0/G

(2)

式中：ΔMTDS為溶液含鹽變化量；MTDS1為進水含鹽量；MTDS2為產水含鹽量；m為活性炭用量；V0為電容去離子組件一個循環產水量；G為活性炭吸附量。

本設計中的電容去離子法海水淡化裝置以500 L/d產水量，當進水口電導率為10 000 μS/cm濃度的海水時，得到出水口電導率不高于500 μS/cm濃度的淡水為目標。以每小時4個循環，每個循環得水3 L為例，根據表1中的吸附量進行估算，大概需要m≈1 425 g的活性炭材料。考慮到工程余量，取m≈1 500 g的活性炭材料。材料的堆比重為0.6 g/cm3，則整個CDI處理模塊的活性炭體積為2 500 cm3。活性炭電極厚度c=0.5 mm，其長寬按照黃金分割比例原則1∶0.618進行調整，確定其尺寸為580 mm×380 mm×0.5 mm，每個電極質量M=125 g，共12個活性炭電極板。

表1 4種活性炭的物性參數

注：SBET為用氮吸附法測得的總的比表面積；Smicro(<2 nm) 為孔徑小于2 nm的孔的比表面積；Smeso(>2 nm) 為孔徑大于2 nm的孔的比表面積；V總為總的孔容量；Vmicso(<2 nm) 為孔徑小于2 nm的孔容量；Vmeso(>2 nm) 為孔徑大于2 nm的孔容量。

1.2 系統工作流程

1.2.1 系統工作流程

(1)原水經過水泵流入CDI模塊，模塊正向充電，循環水閥關閉。此時取水閥關閉，濃水閥開啟，電導率數值開始下降，水從廢水閥排出。隨著電導率數值降低到模塊正沖設定的取水值以下并持續5 s及以上，開啟取水閥，關閉廢水閥，循環水閥仍關閉，取已凈化的淡水。

(2)隨時間的推移，當電導率值升高到模塊正沖設定值時，模塊短路，模塊反向充電，此時進行自循環，即開啟自循環閥、關閉取水閥和廢水閥，水從原水箱出來最后又回到原水箱(主要考慮不停泵，延長泵的使用壽命)。這時被吸附到模塊上的離子開始回到間隙中。這段反充電自循環時間可以自行設定(一般為60～150 s)。超過設定時間，反充電繼續，開始反沖洗，開啟廢水閥，關閉取水閥和循環水閥，電導率開始升高一段時間后回到模塊反沖濃水值，反充電/反沖洗停止。

(3)一個循環已經結束，重復上面的步驟進行下一個循環。

1.2.2 幾個參數說明

模塊正沖取水值：可根據需要自行設置。需要注意的是，在此設定值下所取的水的濃度都小于此值，則取水的平均濃度大概是此值的三分之二或更低。例如：要得到濃度為2 500 mg/L的水，設定值可設置為3 600 mg/L左右(可根據實際結果調整)。

自循環時間：此值是用于模塊反充電自我清洗，在不停泵的情況下但原水不流經模塊返回原水箱的時間，目的是節水和減少水泵的開啟頻率。同時，在反沖洗初期可以瞬間將吸附在模塊中的離子沖出，形成超濃縮水，大型設備可以用變頻泵解決。時間一般設定為60～120 s。

模塊反沖濃水值：根據原水濃度可直接設定。在實際運行中避免反沖洗時間過長，一般設置為原水濃度的1.1～1.2倍。

2 系統試驗

系統試驗首先測試NaCl溶液的電導率與含鹽量的關系，配制含鹽量分別是0、200、400、600、800、1 000、1 500 mg/L的標準溶液，并分別測量其電導率，見表2。

表2 不同含鹽量的NaCL溶液的電導率值

對數據進行擬合，得到NaCl溶液的電導率與含鹽量的關系式為

K=1.974 9C+50

(3)

式中：K為電導率，μS/cm；C為含鹽量， mg/L。

配置電導率為3 000 μS/cm的NaCl溶液，模塊反沖濃度水值定為3 300 μS/cm，模塊正充取水值定為500 μS/cm，自循環時間定為100 s。記錄此時的電壓、流量、開始取水時間、取水結束時間、一個循環時間及功率，并計算每天產水量，結果見表3。

由處理結果可知，電壓越高處理率越高，電壓越低能耗越低。從3 000 μS/cm中低濃度鹽水的處理結果可知：若需要高產水量，則設置正反充電壓為1.2 V、流量為700 mL/min；若追求低能耗，則設置正反充電壓為0.8 V、流量為650 mL/min。

配置電導率為10 000 μS/cm的氯化納(NaCl)溶液，設置反沖濃水值為13 000 μS/cm，正充取水值為1 300 μS/cm，自循環時間為100 s。記錄此時的電壓、流量、開始取水時間、取水結束時間、一個循環時間及功率。結果見表4。

表4 電導率為10 000 μS/cm時試驗數據記錄

注：t1為開始取水時間；t2為取水結束時間；t3為一個循環時間。

由表4結果可知，第3組操作參數下的試驗結果在相同能耗下產水量最高；第1組和第2組操作參數下產水量相同，能耗也相當；第5組操作參數下產水量較低，相應的能耗也較低；第4組操作參數下效果最差，相同能耗下產水量最低。綜上所述，處理電導率為10 000 μS/cm鹽水時的較優的選擇是：正反充電壓為1.0 V，進水流量為450 mL/min，產水量為370.3 L/d。

3 結論

本文設計并組裝了能處理電導率從1 000 μS/cm到10 000 μS /cm的海水和產水量為500 L/d的超級電容去離子法海水淡化裝置，并針對電導率為3 000 μS/cm和10 000 μS/cm的NaCl溶液進行了試驗，得到了裝置的最佳操作參數。具體結論如下：

(1) 本文日產500 L淡水的海水淡化裝置的設計方案是可行的。

(2) 通過對組裝設備3 000 μS/cm鹽水的淡化處理測試表明，電壓越高處理率越高，電壓越低能耗越低。若需要高產水量，則操作參數可選：正反充電壓1.2 V、流量700 mL/min，此時產水量為738.70 L/d；若追求低能耗，則操作參數可選：正反充電壓0.8 V、流量650 mL/min，此時產水量為526.56 L/d。

(3) 本裝置處理電導率為10 000 μS/cm的鹽水時的較優的選擇是：正反充電壓為1.0 V，進水流量為450 mL/min，此時產水量為370.30 L/d。