反電滲析處理海水淡化副產(chǎn)濃海水的探討
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隨著海水淡化技術(shù)的日漸成熟，海水淡化產(chǎn)業(yè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，副產(chǎn)物濃海水的產(chǎn)量也在不斷增大。淡化后副產(chǎn)的濃海水濃度高于海水濃度，約為正常海水濃度的2倍，從環(huán)保方面考慮，若將其直接排放會(huì)對(duì)現(xiàn)有的海洋生態(tài)環(huán)境造成威脅。
因此，需要尋求合適的方法對(duì)其進(jìn)行處理。濃海水和河水之間的濃度差為反電滲析（Reverse Electrodialysis，RED）產(chǎn)電提供了可能。通過反電滲析處理不僅可以從中提取能量，而且可以有效降低濃海水的鹽度，純水設(shè)備在產(chǎn)電的同時(shí)可以為濃海水的低鹽排放貢獻(xiàn)一份力量。
RED技術(shù)是一種新型綠色發(fā)電技術(shù)，其基于離子交換膜的選擇透過性，利用濃海水和河水的濃度差進(jìn)行產(chǎn)電。RED更適用于低鹽度差的江河入海口處發(fā)電，因其具有能量密度高、可操作范圍廣、膜污染小、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，成為一種極具潛力的處理技術(shù)。
自20世紀(jì)50年代開始，相關(guān)學(xué)者即開始了有關(guān)RED的研究，隨后各國(guó)有關(guān)RED的研究逐漸展開，離子交換膜的快速發(fā)展也帶動(dòng)了RED技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。自2010年以來，有關(guān)RED研究的文章逐年遞增，關(guān)于反電滲析技術(shù)的應(yīng)用與研究也逐漸從傳統(tǒng)的產(chǎn)電向環(huán)境保護(hù)和新能源開發(fā)方面轉(zhuǎn)變。
在過去的幾十年中，針對(duì)RED的研究主要集中在離子交換膜、鹽類型、溶液濃度、進(jìn)料流速和電極系統(tǒng)等方面。而隔板作為RED膜堆的重要組成部分對(duì)RED的性能也具有重要影響。D. A. VERMAAS等在對(duì)膜間距離分別為60、100、200、485 μm的RED實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，在膜間距為60 μm的膜堆中，泵送功率較大，泵的損耗較大，不能達(dá)到較高的功率密度。
較小的膜間距離會(huì)增大水力學(xué)損失，而較大的膜間距離會(huì)增加歐姆電阻，因此存在一個(gè)合適的膜間距離使RED的性能較優(yōu)。由此可見，研究隔板厚度和流道類型對(duì)RED性能的影響對(duì)于進(jìn)一步完善RED的產(chǎn)電過程具有重要意義。
基于前期研究中探討了重復(fù)單元數(shù)、膜面流速和溶液濃度對(duì)反電滲析產(chǎn)電過程的影響，本研究以海水淡化后副產(chǎn)的濃海水和河水作為濃、淡室進(jìn)料溶液，通過在亞德世膜下采用不同的隔板初步研究膜間距離和流道類型對(duì)反電滲析產(chǎn)電過程的影響，并換用富士膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，以期為反電滲析法處理海水淡化副產(chǎn)濃海水提供技術(shù)參考。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與材料
以海水淡化副產(chǎn)物濃海水的鹽度和河水鹽度為實(shí)驗(yàn)背景，折合NaCl質(zhì)量濃度分別為66.70 g/L和0.66 g/L作為濃、淡室進(jìn)料液濃度，極室溶液為0.05 mol/L的鐵氰化鉀、亞鐵氰化鉀和1 mol/L的氯化鈉溶液。實(shí)驗(yàn)過程中的濃、淡室溶液采用自來水配制，極室溶液采用去離子水配制。主要試劑：氯化鈉（NaCl），注射級(jí)，山東肥城精制鹽廠有限公司；鐵氰化鉀（K3［Fe（CN）6］）、亞鐵氰化鉀（K4［Fe（CN）6］·3H2O），分析純，天津福晨化學(xué)品有限公司；硝酸銀（AgNO3），分析純，天津江天化工技術(shù)股份有限公司；氯化鈉（NaCl），分析純，天津科密歐化學(xué)試劑科技有限公司；鉻酸鉀（K2CrO4），分析純，天津市天大化學(xué)試劑廠。
0.95、1.10 mm，直流道與斜流道隔板示意如圖1所示。
實(shí)驗(yàn)過程中采用了2種離子交換膜，分別為國(guó)產(chǎn)亞德世（Yadeshi，YDS）膜和進(jìn)口富士（Fuji，FJ）膜，均包括均相陽離子交換膜（CEM）和陰離子交換膜（AEM）。除電化學(xué)工作站測(cè)得的膜面電阻外，其余參數(shù)均由廠家提供。富士膜的價(jià)格高于亞德世膜（前者為900~1 400元/m2，后者為400~550元/m2）。2種離子交換膜的參數(shù)如表1所示。
1.2 實(shí)驗(yàn)裝置
膜堆是RED實(shí)驗(yàn)中的重要組成部分。
膜堆主要由陽離子交換膜、陰離子交換膜、隔板、隔網(wǎng)、極板和墊片組成。陰陽離子交換膜和隔板隔網(wǎng)交替排列，構(gòu)成RED中的濃室和淡室。溶液在各自室內(nèi)流動(dòng)，互不干擾。隔網(wǎng)的存在，有利于溶液在膜內(nèi)的分布與均勻流動(dòng)，減小濃差極化現(xiàn)象。電極板由鈦釕網(wǎng)構(gòu)成，有效面積（13.5×7） cm2。純水設(shè)備離子交換膜面積為（27×11） cm2，有效面積為（17×7） cm2；膜對(duì)數(shù)為8對(duì)。
極液通過蠕動(dòng)泵打入極室，在陰陽極板中循環(huán)流動(dòng)；濃、淡室的進(jìn)料流量通過蠕動(dòng)泵控制，膜面流速為0.71 cm/s。實(shí)驗(yàn)過程中在膜堆外部連接一個(gè)可調(diào)節(jié)電阻箱，電壓表接至膜堆兩側(cè)，電流表串聯(lián)到該電路中，通過在60~1 Ω范圍內(nèi)改變電阻值來記錄相應(yīng)的電壓、電流數(shù)值。因電壓與電流成線性關(guān)系，故截距即為開路電壓值，而斜率為膜堆內(nèi)阻值，進(jìn)而可計(jì)算RED過程中的功率密度。取實(shí)驗(yàn)前后淡室進(jìn)出口溶液，采用AgNO3滴定法測(cè)量離子濃度變化，可得出離子遷移量，進(jìn)而分析離子由濃室向淡室遷移的情況。
1.3 分析與計(jì)算方法
RED過程為穩(wěn)態(tài)過程，其中RED內(nèi)阻不變，可將膜堆視作有穩(wěn)定輸出的電源。通過調(diào)節(jié)外阻并記錄外電壓及電流，由歐姆定律得到電動(dòng)勢(shì)及內(nèi)阻，其公式表達(dá)為：
2 結(jié)果與討論
2.1 直流道中不同膜間距離的影響
不同的隔板厚度形成的隔室厚度和膜間距離不同，在RED中產(chǎn)生的內(nèi)阻不同。更具體地說，低鹽濃度的河水隔室對(duì)RED的內(nèi)阻貢獻(xiàn)更大。更薄的隔室即更小的膜間距離，將減少系統(tǒng)阻力，從而獲得更大的功率密度。因此，可以通過調(diào)整和改進(jìn)RED的隔板厚度來改善功率密度。圖3為采用YDS膜下直流道中不同膜間距離對(duì)RED性能的影響。
當(dāng)膜間距離從0.75 mm增加到1.10 mm時(shí)，反電滲析的產(chǎn)電性能總體呈下降趨勢(shì)。隨著膜間距離的增加，膜堆的內(nèi)阻增加。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道可知，當(dāng)膜間距>100 μm時(shí)，膜堆中歐姆電阻的貢獻(xiàn)最大，歐姆電阻主要受低濃度河水隔室的電阻控制，與膜間距離成正比。
在相同的膜面流速下，膜間距離越大，進(jìn)料流量越大，溶液歐姆電阻越大，導(dǎo)致總電阻增大。隨著膜間距離的增加，溶液在沿濃度梯度流動(dòng)的過程中濃、淡室之間的離子遷移量減小。
由圖3（b）可以看出，當(dāng)膜間距離從0.75 mm增加到1.10 mm時(shí)，離子遷移量由500.78 mg/L減小到377.29 mg/L。
根據(jù)公式（2）可知，開路電壓與濃度差成正比，離子遷移量的減小使?jié)?、淡室之間一直保持著較高的濃度差，因而形成的開路電壓較高；同時(shí)，在進(jìn)料流量較小時(shí)，膜和溶液界面會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的濃差極化現(xiàn)象，實(shí)際的輸運(yùn)濃度梯度比溶液本身預(yù)期的濃度梯度低，也會(huì)導(dǎo)致在膜間距離較小時(shí)開路電壓的降低。
綜上，隨膜間距離的增加，開路電壓和內(nèi)阻增加，功率密度和離子遷移量減小。為了獲得較高的開路電壓和功率密度，同時(shí)使?jié)夂Ｋ臐舛扔幸欢ǔ潭认陆?，取隔板厚度?span>0.85 mm較適宜。
2.2 斜流道中不同膜間距離的影響
在斜流道中溶液在膜內(nèi)的流動(dòng)會(huì)受到一定影響，不可避免地發(fā)生濃差極化現(xiàn)象，影響膜間離子傳質(zhì)，進(jìn)而影響反電滲析的產(chǎn)電性能。圖4為采用YDS膜下斜流道中不同膜間距離對(duì)RED性能的影響。
開路電壓和膜堆內(nèi)阻都隨膜間距離的增大而增大。雖然膜間距離較大時(shí)，較高的進(jìn)料流量在一定程度上可以減緩濃差極化現(xiàn)象，但淡室溶液的電阻依然起主要作用，因而膜堆內(nèi)阻較大。
膜堆內(nèi)阻增大帶來的負(fù)影響大于開路電壓上升帶來的正影響，因而最大功率密度呈下降趨勢(shì)，當(dāng)膜間距離從0.85 mm增加到1.10 mm時(shí)，最大功率密度由0.312 5 W/m2減小到0.274 9 W/m2，降低了12.03%。
可知，離子遷移量隨膜間距離的增大而減小。綜上，與直流道相似，在斜流道情況下膜間距離的增大會(huì)對(duì)產(chǎn)電功率密度和離子遷移量帶來不利影響。
2.3 直流道與斜流道的RED性能對(duì)比
固定膜間距離為0.85 mm和1.10 mm，采用YDS膜對(duì)直流道與斜流道的RED性能進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5所示。
直流道與斜流道下的最大功率密度均隨著膜間距離的增大而減小。當(dāng)膜間距離為0.85 mm時(shí)，斜流道的最大功率密度較直流道降低了13.96%；當(dāng)膜間距離為1.10 mm時(shí)，斜流道的最大功率密度較直流道降低了12.90%。斜流道下功率密度較低的主要原因是流體流動(dòng)分布不均，水力學(xué)損失較大，產(chǎn)生的膜堆內(nèi)阻較高，進(jìn)而影響了產(chǎn)電功率密度。
斜流道下的離子遷移量低于直流道，原因在于斜流道中存在流體流動(dòng)分布不均勻的現(xiàn)象，擾亂了離子湍動(dòng)規(guī)律，不利于離子由濃室向淡室遷移。綜上，純水設(shè)備對(duì)于功率密度和離子遷移量而言，直流道的RED性能更優(yōu)。
2.4 基于富士膜的影響結(jié)果
為了進(jìn)一步確定RED中膜間距離和流道類型對(duì)產(chǎn)電性能的影響，更換進(jìn)口富士膜進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2和表3所示。
驗(yàn)結(jié)果表明，無論是直流道還是斜流道，開路電壓均隨膜間距離的增大而增大，但采用富士膜的開路電壓較采用亞德世膜低，這與膜的選擇性和濃度變化有關(guān)；
內(nèi)阻均隨膜間距離的增大而增大，當(dāng)隔板厚度較大時(shí)，經(jīng)過膜堆的料液增加，淡室的電阻會(huì)有明顯提升，使整體電阻增大；
隨著膜間距離的增加，最大功率密度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，采用富士膜的最大功率密度相較亞德世膜更高。
膜間距離越大，離子遷移量越小，直流道下的產(chǎn)電性能和離子遷移量均優(yōu)于斜流道。
綜上，采用富士膜的膜間距離和流道類型對(duì)RED性能的影響規(guī)律與采用亞德世膜一致。由于國(guó)產(chǎn)化的亞德世膜成本遠(yuǎn)低于進(jìn)口富士膜，采用國(guó)產(chǎn)亞德世膜更具經(jīng)濟(jì)意義。
通過實(shí)驗(yàn)分析了反電滲析過程中采用國(guó)產(chǎn)化亞德世膜情況下隔板厚度和流道類型對(duì)RED產(chǎn)電性能的影響，并用進(jìn)口富士膜進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比。具體結(jié)果如下：
（1）在直流道下，隨著膜堆中膜間距離的增大，開路電壓增大，且與之成正比，同時(shí)膜堆內(nèi)阻也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。膜間距離較大時(shí)，較高的進(jìn)料流量會(huì)阻礙膜內(nèi)離子的遷移，有利于開路電壓的升高，但膜堆內(nèi)部存在較多的低濃度溶液會(huì)使膜堆內(nèi)阻升高。
膜堆內(nèi)阻升高帶來的負(fù)影響大于開路電壓升高帶來的正影響，導(dǎo)致功率密度下降。綜合考慮開路電壓、功率密度和離子遷移量，選用0.85 mm的隔板，此時(shí)功率密度為0.363 2 W/m2。
（2）斜流道下RED產(chǎn)電性能趨勢(shì)與直流道情況類似。隨著膜間距離的增大，膜堆開路電壓和內(nèi)阻呈增大趨勢(shì)，功率密度和離子遷移性能呈下降趨勢(shì)。
（3）在相同膜間距離下，斜流道下的開路電壓和膜堆內(nèi)阻高于直流道，功率密度和離子遷移量則低于直流道，斜流道下RED的整體性能不如直流道。
（4）與國(guó)產(chǎn)亞德世膜相比，采用富士膜的RED性能略優(yōu)，但考慮成本問題，采用國(guó)產(chǎn)亞德世膜更具經(jīng)濟(jì)意義。純水設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備，蘭州去離子水設(shè)備，蘭州水處理設(shè)備，超純水設(shè)備，醫(yī)用GMP純化水設(shè)備。銀川純水設(shè)備。
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