微咸水化學沉淀脫鹽效能的影響因素及最佳投加量研究

高 峰，楊 宇，宋日權，柴多生，孫 昕，盧金鎖，秦艷春

(1. 內蒙古自治區水利科學研究院，呼和浩特 010052；2.內蒙古自治區水利水電勘測設計院有限公司，呼和浩特 010020；3.西安建筑科技大學 環境與市政工程學院，西安 710055；4.烏蘭察布水文水資源分中心，內蒙古 烏蘭察布 013750)

岱海作為內蒙古自治區第三大內陸湖，是內蒙古生態安全屏障的重要戰略支點[1]。近30 a來，受全球氣候變暖和當地社會經濟發展的共同影響，入海水量顯著減少，岱海水面嚴重萎縮，水體污染日趨嚴重[2]。目前岱海主要水質污染特征為：礦化度高，有機污染嚴重，處于中度富營養狀態，生物多樣性銳減[3]。

目前常用的除鹽方法包括蒸餾法、膜濾法、電滲析法、化學除鹽等[8]。其中蒸餾法除鹽效率高，能夠將水中幾乎所有溶解性離子和有機物排出，可以獲得高純度水，但是能耗較高，需要消耗大量能源對水進行蒸發和冷凝；排放的廢水、廢熱和廢氣會對環境產生影響[9]。膜濾法能耗較低，除鹽能力強，可以濾掉不同分子量的離子和有機分子，但是維護成本較高，需要定期換膜，清洗、消毒等操作；膜濾法易受到水源中溶解物、微生物的影響，導致濾膜易堵[10]。電滲析法方法簡單，可以自動化操作，無需添加化學藥劑，安全、環保，對水質無污染，低能耗維護費用較低。但是電滲析法需要較高的電壓，電流密度對半透膜的影響較大，容易損壞半透膜，增加了成本；電滲析脫鹽速度慢[11]。化學除鹽法速度快、處理效率高，理論上可以處理工業制造、食品加工、環保領域等[12-14]行業污水中的各種高濃度離子，具有廣泛的適用性；但該方法不適用于要求高純度的水質處理，也缺乏針對岱海這類典型微咸水湖除鹽的研究報道。

1 材料與方法

1.1 原水的配制

本實驗所用原水均為向蒸餾水中投加Na2CO3、NaHCO3、Na2SO4、CaCl2、MgCl2、NaCl、KCl藥劑配制而成。原水以5 g/L的基準，根據理論計算和水質分析得到各離子在水中的平均濃度，分別在蒸餾水中加入以上藥劑來配制所需水質(具體含量見表1)。

表1 不同離子加藥量 mg/L

實驗中所用原水中硫酸根濃度為340.430 7 mg/L，需向蒸餾水中投加Na2SO4濃度為503.386 4 mg/L。

1.2 實驗設計

1.2.1加入NaOH除鎂

1)反應時間對去除鎂硬度的影響

在實驗原水中加入足量的NaOH(加入量為鎂硬度理論量的105%)，用磁力攪拌器以一定速度進行攪拌，累計反應時間60 min，取樣間隔10 min。取上清液測定水中Mg2+濃度，探究不同反應時間對鎂硬度的去除效果，設置操作溫度為25℃，處理水樣1 000 mL，攪拌強度為500 r/min，投加NaOH濃度為5 811 mg/L，原水中Mg2+濃度148.01 mg/L。

2)攪拌強度對去除鎂硬度的影響

在實驗原水中加入足量的NaOH(加入量為鎂硬度理論量的105%)，用磁力攪拌器以不同速度進行攪拌，實驗設置轉速為0～800 r/min。取上清液測定水中Mg2+濃度，探究不同攪拌轉速對鎂硬度的去除效果，設置操作溫度為25℃，處理水樣1 000 mL，投加NaOH 0.58 g/L，原水中Mg2+濃度148.01 mg/L。

3)反應溫度對去除鎂硬度的影響

在實驗原水中加入足量的NaOH(加入量為鎂硬度理論量的105%)，用磁力攪拌器以一定速度進行攪拌，設置不同的反應溫度，反應中從第10 min開始取樣，每隔10 min取一次樣，共反應60 min，取上清液測定水中Mg2+濃度，探究不同反應溫度對鎂硬度的去除效果，設置操作攪拌強度為500 r/min，處理水樣1 000 mL，投加NaOH濃度為5 811 mg/L，原水中Mg2+濃度148.01 mg/L。

4)加藥量對去除鎂硬度的影響

在實驗原水中加入不同量的NaOH(基于NaOH理論量)，用磁力攪拌器以一定速度進行攪拌，實驗設置加藥量為理論值的0～120%。取上清液測定水中Mg2+濃度，探究不同加藥量對鎂硬度的去除效果，設置操作溫度為25 ℃，處理水樣1 000 mL，攪拌時間為40 min，攪拌轉速為500 r/min，原水中Mg2+濃度148.01 mg/L。

1.2.2加入Na2CO3除鈣

1)反應時間對去除鈣硬度的影響

在實驗原水中加入足量的Na2CO3(加入量為鈣硬度理論量的105%)，其余條件設置同1.2.1(1)，投加碳酸鈉92.20 mg/L，原水中Ca2+濃度1 591.71 mg/L。

2)攪拌強度對去除鈣硬度的影響

在實驗原水中加入足量的Na2CO3(加入量為鈣硬度理論量的105%)，其余條件設置同1.2.1(2)，投加碳酸鈉92.20 mg/L，原水中Ca2+濃度1 591.71 mg/L。

3)溫度對去除鈣硬度的影響

在實驗原水中加入足量的Na2CO3(加入量為鈣硬度理論量的105%)，其余條件設置同1.2.1(3)，原水中Ca2+濃度1 591.71 mg/L。

在實驗原水中加入不同量的Na2CO3(基于鈣硬度理論量)，其余條件設置同1.2.1(4)，原水中Ca2+濃度1 591.71 mg/L。

1.2.3加入Ca(OH)2降低鹽度

在實驗原水中加入不同量的Ca(OH)2(基于鈣鎂硬度以及堿度理論量)，其余條件設置同1.2.1(1)，初始硬度181.21 mg/L。

1)反應時間對去除硫酸根的影響

2)攪拌強度對去除硫酸根的影響

(3)欽州石夾剖面硅質巖微量元素各特征值同樣表明，地質界線處硅質巖形成環境屬于大陸島弧與大陸邊緣過渡區，其受到熱液影響程度經歷了先強后弱的變化過程。

3)投加量對去除硫酸根的影響。

表2 具體反應條件

2 結果與分析

2.1 除鎂硬度結果與分析

2.1.1反應時間對去除鎂硬度的影響

通過向海水中加入化學試劑使海水中的Mg2+沉淀，以降低海水硬度，達到海水軟化的目的。室溫下Mg(OH)2的溶度積為5.61×10-12(mol3/L3)，因此可以通過生成Mg(OH)2沉淀而去除。加OH-來脫除海水中Mg2+。在pH值≥10.5時，Mg2+以Mg(OH)2的形式沉淀下來。

實驗結果顯示(見圖1)，在反應前30 min，水中的Mg2+濃度迅速降低，Mg2+去除率從10 min時的50%增加到30 min時的63%，隨反應時間延長，Mg2+與氫氧根離子結合的越充分；反應40 min后Mg2+去除率趨于平穩，緩慢增加到60 min時的64%，隨著沉淀的增加，Mg2+濃度逐漸減小，導致其不易于氫氧根結合生成沉淀，Mg2+去除速率降低。因此，最佳的反應時間為40 min。

圖1 反應時間對去除鎂硬度的影響示意

2.1.2攪拌強度對去除鎂硬度的影響

實驗結果顯示(見圖2)：改變攪拌強度會明顯提高對Mg2+去除速率，反應20 min后，有無攪拌且攪拌強度的大小對Mg2+去除率的影響差異較小。攪拌速率超過400 r/min時，反應60min時Mg2+去除率穩定增加至64%；當無攪拌時，反應前20 min Mg2+去除率明顯低于有攪拌時的去除率，由于攪拌會使得Mg2+易于與OH-碰撞，生成沉淀。

2.1.3溫度對去除鎂硬度的影響

如圖3所示，當溫度為25℃時Mg2+的去除率明顯低于其他溫度處理下鎂去除率，30 min之后去除率增加較快但仍低于其他處理。溫度超過30℃時均有較高的去除率，且溫度越高鎂硬度去除率越高，由于加熱時鎂易與碳酸根結合，形成水垢，從而去除鎂硬度。反應時間越長，鎂硬度去除率越高，反應時間超過40 min以后去除率趨于穩定，除鎂率超過90%。

圖3 反應溫度對去除鎂硬度的影響示意

2.1.4加藥量對去除鎂硬度的影響

如圖4所示：隨NaOH投加量增加，Mg2+去除率先快速增加后逐漸穩定。由于NaOH少量，而Mg2+過量，投加的氫氧化鈉會迅速和Mg2+反應，生成沉淀。當NaOH投加量為80 mg/L時Mg2+去除率約為80%。NaOH投加量大于80 mg/L時，Mg2+去除率趨于平穩，所以氫氧化鈉最佳投加量為80 mg/L。

圖4 NaOH投加量對去除鎂硬度的影響示意

2.2 Na2CO3除鈣硬度結果與分析

2.2.1反應時間對去除鈣硬度的影響

如圖5所示，在反應初期，隨著反應時間的增加，Ca2+濃度迅速降低，40 min時Ca2+去除率最大，約為65%，這是因為反應時間越長Ca2+和碳酸根反應越充分，使Ca2+去除率升高。反應時間超過40 min，去除效果明顯下降。因此，最佳反應時間為40 min左右。

圖5 反應時間對去除鈣硬度的影響示意

2.2.2攪拌強度對去除鈣硬度的影響

各攪拌強度下，反應前45 min，隨著時間的增加Ca2+去除率明顯增加。攪拌強度為400 r/min時，去除率從5 min時的55%增加至45 min時的70%(見圖6)。因為隨著時間的增加，Ca2+和氫氧根結合越來越充分，鈣硬度去除率越來越高。反應45 min后，鈣硬度去除率趨于平穩，反應逐漸達到平衡；有攪拌時鈣硬度的去除率明顯高于無攪拌時的去除率，因為攪拌使得Ca2+易與碳酸根碰撞，生成沉淀。攪拌強度為400 r/min時效果最好，攪拌強度過大會使得已生成的沉淀懸浮，從而降低鈣硬度去除率。

圖6 攪拌強度對去除鈣硬度的影響示意

2.2.3溫度對去除鈣硬度的影響

從圖7可以看出，隨著反應溫度升高，Ca2+的去除率逐漸升高，溫度為25 ℃時鈣硬度的去除率明顯低于其他溫度時鈣硬度的去除率，且溫度越高鈣硬度去除率越高。因為加熱時鈣易與碳酸根結合，形成水垢，從而去除鈣硬度。就特定的某一溫度來說，隨著攪拌時間增加，Ca2+去除率上升的趨勢越來越小，攪拌時間大約為45 min時去除率基本趨于穩定。

圖7 反應溫度對去除鈣硬度的影響示意

2.2.4加藥量對去除鈣硬度的影響

實驗結果顯示(見圖8)：當Na2CO3的投加量小于100 mg/L時，加藥量越大，Ca2+的去除效果越好，因為此時Na2CO3少量而Ca2+過量，投加的Na2CO3會迅速和Ca2+反應生成沉淀。當加藥量為100 mg/L時鈣硬度約為0.1 mmpl/L。當加藥量超過100 mg/L時鈣硬度去除率趨于平穩。

圖8 Na2CO3投加量對去除鈣硬度的影響示意

2.3 加入Ca(OH)2降低鹽度的結果與分析

通常可以加Ca(OH)2調節pH值為9.5左右時，就可以把Ca2+以CaCO3的形式沉淀下來。如圖9所示：在本實驗的Ca(OH)2加藥量條件下，鎂去除率約為88%；加藥量對于鉀離子、氯離子、鈉離子以及硫酸根離子的去除率影響不大，當加藥量為理論值的120%時，去除率僅為20%左右；對于Ca2+，Ca(OH)2投加量為理論值40%時，鈣去除率最高，約為60%。若繼續投加Ca(OH)2，鈣去除率驟減，甚至達到負值。雖然加入Ca(OH)2對硬度去除效果不理想，但由于Ca(OH)2在水中呈現懸濁狀態，在反應形成沉淀的過程中會將部分其他離子如鈉、鉀離子裹挾隨之一起沉降，從而降低溶液的整體濃度。

2.4 氯化鋇法去除硫酸根的結果與分析

2.4.1反應時間對去除硫酸根的影響

圖10 反應時間對去除硫酸根離子的影響示意

2.4.2攪拌強度對去除硫酸根的影響

圖11 攪拌強度對去除硫酸根離子的影響示意

2.4.3加藥量對去除硫酸根離子的影響

圖12 加藥量對去除硫酸根離子的影響示意

3 結語