基于中和反滲透方法對(duì)云式除塵系統(tǒng)中主要雜質(zhì)為硝酸根，硫酸根的酸性廢水處理方法

王爾東

（蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

引言

云式除塵系統(tǒng)利用液態(tài)水霧化技術(shù)，構(gòu)建相對(duì)濕度過(guò)飽和的反應(yīng)環(huán)境，使廢氣中的細(xì)小顆粒物與飽和水蒸氣合并、團(tuán)聚，再運(yùn)用旋風(fēng)分離技術(shù)使顆粒物沉降，將沉降的顆粒物通過(guò)飽和廢水的形式排出。

王博等[1]研究發(fā)現(xiàn)云式除塵系統(tǒng)能夠有效收集可吸入顆粒物，對(duì)PM2.5 的收集效率可高達(dá)99.61%，而且能有效收集VOCs、NOx和SO2等有害氣體，因此可以廣泛運(yùn)用于工礦企業(yè)、室內(nèi)空氣凈化和汽車(chē)尾氣凈化等多個(gè)領(lǐng)域，對(duì)大氣污染防治有重要意義。但該系統(tǒng)凈化氣體同時(shí)產(chǎn)生的大量含鹽酸性廢水難以得到合理處理，容易產(chǎn)生二次污染和資源浪費(fèi)；同時(shí)，廢水中含有大量氫離子和重金屬離子，水質(zhì)難以達(dá)到系統(tǒng)回用的標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法通過(guò)廢水回用的方式提高凈化效率和經(jīng)濟(jì)效益。

擴(kuò)散滲析技術(shù)利用離子交換膜兩側(cè)的濃度差以及離子交換膜的選擇透過(guò)性，能夠有效完成對(duì)酸鹽混合物、堿鹽混合物的酸、堿分離。其中陰離子交換膜對(duì)酸和重金屬鹽溶液的分離效果較好。擴(kuò)散滲析具有能耗小、操作簡(jiǎn)單，易于其他工藝耦合的特點(diǎn)。徐銅文[2]對(duì)鈦、銅、鋁的酸性工業(yè)廢液進(jìn)行了擴(kuò)散滲析處理，馬堂文等[3]對(duì)含鉻廢酸進(jìn)行了擴(kuò)散滲析分離，趙宜江等[4]運(yùn)用擴(kuò)散滲析法從鈦白廢酸中回收硫酸，均得到較高的酸回收率；侯曉川等[5]對(duì)鎳鉬礦冶煉煙塵的提硒廢液進(jìn)行了擴(kuò)散滲析靜態(tài)實(shí)驗(yàn)并搭建了酸分離模型。

反滲透（RO）是在溶液側(cè)增加壓力，使溶劑通過(guò)RO 膜反向流向純?nèi)芤海ǜ邼舛葴y(cè)流向低濃度測(cè)）的過(guò)程，從而在膜的低壓側(cè)得到滲透液，高壓側(cè)得到濃縮液。反滲透技術(shù)在各類(lèi)重金屬?gòu)U水的濃縮富集過(guò)程中有較好的截留率。黃萬(wàn)撫等[6]采用反滲透技術(shù)處理紫金山礦含重金屬離子的酸性廢水，滲透液中Cu2+的質(zhì)量濃度＜0.5 mg/L，且Cu2+在濃縮液中得到了富集回收；譚永文等[7]對(duì)電鍍鍍鎳漂洗水進(jìn)行反滲透處理，原廢水中Ni2+的質(zhì)量濃度為650 mg/L，經(jīng)RO 濃縮20 倍后濃縮液Ni2+濃度達(dá)到13 000 mg/L，Ni2+分離率達(dá)到92%，并且在進(jìn)行調(diào)整pH 至中性等預(yù)處理之后能提高反滲透膜對(duì)重金屬離子的截留率。

本研究采用擴(kuò)散滲析、中和反滲透兩種膜處理方法，分別作為酸回收和重金屬離子回收的手段，旨在回收云式除塵系統(tǒng)廢液中的酸和重金屬離子，并將回收后得到的淡水進(jìn)行一定比例的混合處理，使其水質(zhì)達(dá)到云式除塵系統(tǒng)的回用標(biāo)準(zhǔn)，即對(duì)云式除塵效率無(wú)影響的回用水水質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1.1 水質(zhì)分析

首先收集云式除塵系統(tǒng)的廢水樣本，測(cè)量幾種金屬離子的濃度和pH，并根據(jù)廢水水質(zhì)數(shù)據(jù)配制相關(guān)樣液。云式除塵系統(tǒng)廢水中的金屬離子濃度見(jiàn)表1。

表1 云式除塵系統(tǒng)廢水樣本主要離子組成

1.1.2 技術(shù)路線

使用擴(kuò)散滲析對(duì)酸性金屬?gòu)U水進(jìn)行酸分離處理，再將分離之后得到的殘液進(jìn)行中和沉淀，去除其中的金屬離子，將中和沉淀后所得的鹽溶液進(jìn)行反滲透處理，處理后的殘液進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶。最后將反滲透所得淡水與處理前的鹽溶液按不同混合后，確定回用淡水對(duì)云式系統(tǒng)的除塵效率影響。

圖1 實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線及思路

1.1.3 分析儀器

本研究采用PHS-3C 型pH 計(jì)進(jìn)行酸度測(cè)量，利用原子吸收分光度計(jì)進(jìn)行重金屬元素分析。

1.2 擴(kuò)散滲析的酸回收

擴(kuò)散滲析器由20 片規(guī)格為400 mm×200 mm 擴(kuò)散滲析陰離子交換膜與20 片彈性隔板疊裝而成，總有效面積為2 m2。

本實(shí)驗(yàn)采用的陰離子交換膜為北京潔睿環(huán)?？萍加邢挢?zé)任公司研發(fā)生產(chǎn)的均相陰離子交換膜。彈性隔板構(gòu)造見(jiàn)圖2，隔板交替翻轉(zhuǎn)疊放，使膜與膜之間保持一定的間隔，并且產(chǎn)生湍流作用減小濃差極化提高擴(kuò)散滲析效率。

圖2 擴(kuò)散滲析器彈性隔板

擴(kuò)散滲析的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3，在擴(kuò)散滲析過(guò)程中，我們將溫度控制在(20±5) ℃，以確保最高的擴(kuò)散滲析效率。

圖3 擴(kuò)散滲析實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：向液槽中加入純水，緩慢開(kāi)回收液和殘液閥門(mén)直至液槽中不出現(xiàn)氣泡，完成裝置排氣后排出純水，向兩液缸中分別加入純水和廢液，打開(kāi)回收液和殘液閥門(mén)控制流量，每隔15 min 取樣并測(cè)量pH，裝置運(yùn)行過(guò)程中保持純水和原酸液的液面高度始終持平。擴(kuò)散滲析過(guò)程中間隔一定時(shí)間段進(jìn)行取樣并測(cè)量氫離子和金屬離子濃度。

回收液中留有大量的回收酸，金屬離子則留在滲析殘液中。根據(jù)取樣結(jié)果計(jì)算酸回收率和金屬離子截留率，所得殘液進(jìn)行下一步的中和反滲透處理。

1.3 中和反滲透廢水處理和廢水回用可行性實(shí)驗(yàn)

首先我們搭建反滲透處理裝置系統(tǒng)對(duì)擴(kuò)散滲析得到的殘液進(jìn)行中和沉淀，去除其中的金屬離子。加入濃度為0.288 mol/L 的NaOH 溶液將Al3+，F(xiàn)e3+沉淀，直至無(wú)沉淀生成，立刻完成過(guò)濾；再加入濃度為0.816 mol/L 的NaOH 將Ni2+進(jìn)行沉淀，直至無(wú)沉淀生成后完成過(guò)濾。此時(shí)所得濾液中僅含Na+的各種鹽（如Na2SO4，NaNO3等）。將濾液進(jìn)行反滲透處理，并且對(duì)反滲透裝置的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，包括原水鹽量、運(yùn)行溫度、產(chǎn)水流量，分別觀察反滲透系統(tǒng)的脫鹽率和產(chǎn)水能耗的變化。

濃水中含鹽量較高，采取蒸發(fā)濃縮的方式進(jìn)行回收。反滲透得到的淡水在云式除塵系統(tǒng)中進(jìn)行回用，測(cè)定其回用時(shí)除塵效率的變化，并選擇對(duì)除塵效率沒(méi)有影響的最高濃度作為回用淡水的濃度最佳值。

2 結(jié)果與討論

2.1 擴(kuò)散滲析回收酸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們根據(jù)云式除塵系統(tǒng)的廢液成分，將鋁、鐵離子濃度合并，鎳、錳離子濃度合并，配制了成分為1.2 mol/L HNO3、1 g/L Ni (NO3)2、8 g/L Na2SO4的模擬廢液。同時(shí)，控制擴(kuò)散滲析裝置的流速為1 L/h，每隔15 min 取樣一次，擴(kuò)散滲析的回收液氫離子濃度變化見(jiàn)圖4。

圖4 氫離子濃度變化圖

大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，擴(kuò)散滲析裝置在運(yùn)行1h 后達(dá)到穩(wěn)定的回收效率。擴(kuò)散滲析對(duì)氫離子的回收率達(dá)到了85.11%。實(shí)驗(yàn)測(cè)得回收液中鎳離子濃度為0.14g/L，說(shuō)明擴(kuò)散滲析可截留85%以上的重金屬離子。

完成模擬廢液的擴(kuò)散滲析裝置測(cè)試后，將云式除塵系統(tǒng)的廢水樣本進(jìn)行擴(kuò)散滲析處理，并測(cè)量酸回收液的氫離子濃度和金屬離子濃度，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 擴(kuò)散滲析回收液離子濃度及截留率

2.2 中和反滲透與廢水回用可行性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將配置不同濃度的NaCl 鹽溶液作為云式除塵裝置的霧化器的霧化劑，得到對(duì)應(yīng)的除塵效率變化見(jiàn)表3。

表3 霧化劑鹽溶液濃度與除塵效率變化對(duì)應(yīng)關(guān)系

以上結(jié)果得出，在霧化劑的鹽溶液濃度為5 g/L時(shí)，除塵效率與加入純水時(shí)無(wú)影響，因此以5 g/L 作為回用水的最佳濃度。

再 配 制1.2 mol/L HNO3、1g/L Ni (NO3)2、8 g/L Na2SO4的模擬廢液進(jìn)行擴(kuò)散滲析處理，將所得的殘液（濃水）進(jìn)行中和沉淀處理。殘液中的酸根離子為NO3-和SO42-。根據(jù)擴(kuò)散滲析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)中和沉淀后的濾液鹽濃度進(jìn)行計(jì)算，得出濾液的鹽濃度為10.358 g/L。該鹽溶液濾液即為反滲透系統(tǒng)的處理原液。

最后按照中國(guó)膜工業(yè)協(xié)會(huì)給出的反滲透系統(tǒng)在廢水處理中運(yùn)行的基本參數(shù)調(diào)試已經(jīng)搭建好的反滲透裝置，并將其作為系統(tǒng)的初始值，測(cè)出系統(tǒng)透鹽率和產(chǎn)水能耗。具體系統(tǒng)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)見(jiàn)表4。

以5 g/L 作為最終進(jìn)入云式除塵系統(tǒng)的回用水濃度，將表4 中反滲透處理后的淡水與反滲透系統(tǒng)原液進(jìn)行混合比例與產(chǎn)水能耗計(jì)算，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，反滲透進(jìn)水鹽量與產(chǎn)水能耗呈負(fù)相關(guān)，而產(chǎn)水流量、溫度、濃水回流量與產(chǎn)水能耗呈正相關(guān)。因此選取原水鹽量2 000 mg/L、產(chǎn)水流量20 m3/L、溫度5 ℃、關(guān)閉濃水回流的反滲透系統(tǒng)模型，進(jìn)行透鹽率測(cè)量，并計(jì)算回用水的混合比例和產(chǎn)水能耗，結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 反滲透系統(tǒng)初始參數(shù)

表5 回用水混合比例計(jì)算

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：采用原水鹽量2 000 mg/L、產(chǎn)水流量20 m3/L、溫度5 ℃、關(guān)閉濃水回流的反滲透裝置模型，并按照1.078 715：1 的比例將反滲透淡水和原液進(jìn)行混合，可以用最低的產(chǎn)水能耗完成云式除塵系統(tǒng)廢水的回用。

3 結(jié)論

擴(kuò)散滲析、中和沉淀和反滲透方法的結(jié)合能夠有效的回收云式除塵系統(tǒng)的廢水中的酸和重金屬離子，并且能夠在不影響除塵效率的情況下完成廢水回用。

本次的實(shí)驗(yàn)研究成果有效提高了云式除塵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，減少了云式除塵系統(tǒng)的二次污染，具有相當(dāng)可觀的現(xiàn)實(shí)意義。