結(jié)晶造粒法中CO2-NaOH聯(lián)用技術(shù)軟化高硬度水靜態(tài)試驗(yàn)

雷春元，胡瑞柱，李愷弘，黃廷林

(1.西安市自來(lái)水有限公司，陜西西安 710082；2.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西西安 710055)

溫室效應(yīng)被認(rèn)為是全球氣候變化的主要原因之一，CO2是所有溫室氣體中占比最高的氣體[1-2]。2021年2月，國(guó)務(wù)院發(fā)布《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見(jiàn)》等相關(guān)文件，針對(duì)溫室氣體減排、建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系等方面提出了政策性要求。“碳減排”已經(jīng)成為我國(guó)一項(xiàng)國(guó)家戰(zhàn)略[3]。工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生大量的CO2[4]，將CO2收集并合理應(yīng)用對(duì)“碳減排”“碳中和”具有重要作用[5]。

化學(xué)結(jié)晶造粒流化床系統(tǒng)是一種以非均相誘導(dǎo)結(jié)晶為原理的水質(zhì)軟化系統(tǒng)，處理時(shí)反應(yīng)器中的誘導(dǎo)晶種使水中硬度離子在軟化藥劑的推動(dòng)力作用下發(fā)生結(jié)晶反應(yīng)，達(dá)到水質(zhì)軟化目的[6-7]。目前，該系統(tǒng)常被用于飲用水、工業(yè)循環(huán)水補(bǔ)充水以及工業(yè)循環(huán)系統(tǒng)排污水等水質(zhì)軟化處理，具有良好的應(yīng)用效果[7-9]。與傳統(tǒng)工藝相比，該系統(tǒng)具有軟化效果好、處理效率高、上升負(fù)荷高、水質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。理論上，該系統(tǒng)在軟化處理過(guò)程中所產(chǎn)生的中間產(chǎn)物為一種質(zhì)密、易脫水的結(jié)晶顆粒物，研究表明該顆粒物表面Ca元素純度高，回收后可用于工業(yè)煙氣脫硫處理，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)零排放[10]。

1 材料與方法

1.1 原水水質(zhì)

表1 原水水質(zhì)指標(biāo)

1.2 儀器及分析方法

試驗(yàn)中pH采用哈希HQ40d便攜式pH計(jì)測(cè)定，硬度采用EDTA滴定法測(cè)定，堿度采用酸堿滴定法測(cè)定，渾濁度采用哈希2100Q便攜式濁度儀測(cè)定。

試驗(yàn)中使用的設(shè)備有磁力攪拌器(上海艾測(cè)78-1)、電子天平(浙江君凱順工rj-5025)等。

試驗(yàn)時(shí)使用粒徑為0.1 mm的礦物顆粒作為誘導(dǎo)晶種，CO2采用純度為99%的商品氣體，N2為商品氮?dú)猓兌葹?9.99%。

1.3 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。化學(xué)結(jié)晶造粒流化床生產(chǎn)系統(tǒng)中，軟化藥劑投加點(diǎn)為流化床反應(yīng)器底部，具有一定的壓力，系統(tǒng)上升負(fù)荷可達(dá)到80～110 m/h，會(huì)產(chǎn)生水力攪拌。為模擬生產(chǎn)性系統(tǒng)中的反應(yīng)條件，本試驗(yàn)使用密封抗壓裝置，使用可加熱式磁力攪拌裝置為系統(tǒng)提供機(jī)械攪拌作用力，同時(shí)控制反應(yīng)器水溫。反應(yīng)器為不銹鋼材質(zhì)，設(shè)有壓力表、溫度計(jì)、氣體進(jìn)出口、泄壓口等設(shè)施。

圖1 靜態(tài)試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)時(shí)首先加入50 g晶種、1 L原水并將反應(yīng)器密封。調(diào)整攪拌器轉(zhuǎn)速為350 r/min，調(diào)節(jié)溫度后首先加入NaOH溶液，然后加入定量CO2，切換氣體投加閥門通入N2進(jìn)行加壓。關(guān)閉閥門持續(xù)攪拌15 min，對(duì)投加前后CO2氣體儲(chǔ)存袋進(jìn)行稱重以確定CO2投加量。攪拌結(jié)束打開(kāi)泄壓閥，先測(cè)定軟化后水中pH，然后使用0.22 μm濾膜進(jìn)行抽濾，取濾后水測(cè)定各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 藥劑投加量

2.1.1 NaOH投加量對(duì)硬度去除效果的影響

控制水溫為25 ℃，反應(yīng)壓力為2.5 kg/m2，CO2投加量為0.85 mmol/L，根據(jù)碳酸平衡反應(yīng)計(jì)算，該投加量即為理想狀態(tài)下原水中Ca2+完全去除時(shí)所需藥劑量。試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)定不同NaOH投加量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同NaOH投加量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

2.1.2 CO2投加量對(duì)硬度去除效果的影響

控制NaOH投加量為1.1 mmol/L，該值為理想狀態(tài)下原水Ca2+完全去除時(shí)的藥劑量，其他試驗(yàn)條件同2.1.1小節(jié)。測(cè)定不同CO2投加量時(shí)軟化出水水質(zhì)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同CO2投加量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

由上述兩部分試驗(yàn)結(jié)果可知，在化學(xué)結(jié)晶法中使用CO2與NaOH作為軟化劑可以滿足硬度處理需求，硬度去除率主要由NaOH投加量決定，此外可以通過(guò)控制CO2投加量對(duì)軟化后水中pH進(jìn)行調(diào)控。

2.2 反應(yīng)溫度對(duì)硬度去除效果的影響

CO2在水中的溶解度與水溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[15]，需要對(duì)不同水溫條件下的試驗(yàn)效果進(jìn)行探究。控制NaOH、CO2投加量分別為2.5、3.5 mmol/L，反應(yīng)壓力為2.5 kg/m2，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同反應(yīng)溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

2.3 反應(yīng)壓力對(duì)硬度去除效果的影響

化學(xué)結(jié)晶造粒流化床動(dòng)態(tài)系統(tǒng)為上向式反應(yīng)器[7]，該系統(tǒng)采用加壓泵將原水從反應(yīng)器底部流經(jīng)布水布藥系統(tǒng)送入反應(yīng)器，經(jīng)反應(yīng)器軟化后由頂部流出，因此，反應(yīng)器為承壓密封狀態(tài)。此外，在軟化過(guò)程中，隨著誘導(dǎo)晶種粒徑的逐漸增大，反應(yīng)器內(nèi)的壓力也不斷提高，藥劑投加點(diǎn)為可變有壓環(huán)境。在靜態(tài)試驗(yàn)中需對(duì)不同壓力條件下的試驗(yàn)效果進(jìn)行探究。控制NaOH、CO2投加量分別為2.5、3.5 mmol/L，反應(yīng)溫度為20 ℃，使用N2調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)壓力，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同反應(yīng)壓力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

3 結(jié)論

(1)本文在將CO2和NaOH作為軟化藥劑應(yīng)用于化學(xué)結(jié)晶造粒流化床系統(tǒng)中，對(duì)高硬度水質(zhì)進(jìn)行軟化靜態(tài)試驗(yàn)。當(dāng)試驗(yàn)壓力為2.5 kg/m2、溫度為20 ℃、CO2與NaOH 投加量分別為3.5 mmol/L和2.5 mmol/L時(shí)，Ca2+去除率為85.0%，總硬度去除率為74.0%。與目前使用的雙堿法(Na2CO3、NaOH)技術(shù)相比，使用CO2進(jìn)行軟化處理具有出水水質(zhì)pH低、水質(zhì)穩(wěn)定好等優(yōu)點(diǎn)。CO2在化學(xué)結(jié)晶法軟化處理水中具有應(yīng)用潛力。

(2)試驗(yàn)中藥劑投加配比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力等控制條件會(huì)對(duì)CO2溶解度產(chǎn)生影響。其中NaOH對(duì)CO2的溶解具有促進(jìn)作用；反應(yīng)壓力升高同樣會(huì)使軟化效果提升。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需對(duì)相關(guān)控制條件進(jìn)行試驗(yàn)并優(yōu)化CO2溶解效率以獲得良好的軟化效果。

(3)CO2回收用于化學(xué)結(jié)晶造粒流化床系統(tǒng)達(dá)到了碳減排和污水處理的雙重目的,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。