離子交換技術(shù)在海水淡化中的應(yīng)用

摘要：當(dāng)前淡水資源短缺已成為全球性的環(huán)境問題, 海水淡化被認(rèn)為是一種最具前景的解決方法. 目前已開發(fā)出了海水淡化技術(shù)，離子交換法淡化海水具有處理徹底、成本低、可再生等優(yōu)勢(shì)，已在海水淡化預(yù)處理、后處理、濃海水中提取化學(xué)元素等方面得到應(yīng)用，具有廣闊前景。

海水淡化是指將海水里面的溶解性礦物質(zhì)鹽分、有機(jī)物、細(xì)菌和病毒以及固體分離出來從而獲得淡水的過程. 從能量轉(zhuǎn)換角度來講, 海水淡化是將其他能源轉(zhuǎn)化為鹽水分離能的過程。離子交換法是目前除鹽最徹底的水處理技術(shù)[6]，它利用陽(yáng)離子交換樹脂吸附水中的陽(yáng)離子并釋放出氫離子，再用陰離子交換樹脂吸附其中的陰離子并釋放出氫氧根離子，二者中和而達(dá)到除鹽的目的。但是該方法處理含鹽量低的海水運(yùn)行成本較低，而在含鹽量高的區(qū)域運(yùn)行成本高，降低了它在海水淡化除鹽中的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。隨著高容量離子交換樹脂的開發(fā)，其應(yīng)用價(jià)值越來越受到重視。

一、海水淡化技術(shù)

1、多效蒸餾。多效蒸餾法早期MED一直受換熱表面容易結(jié)垢(水垢)的制約, LT-MED系統(tǒng)中采用水平管降膜蒸發(fā)器，可以消除蒸發(fā)表面上的靜壓影響, 當(dāng)海水在冷凝器內(nèi)預(yù)熱后被分成兩股, 一股作為冷卻海水被排放回海中, 用于排出加入到系統(tǒng)中的過多的熱量; 另一股作為進(jìn)料海水被分配到各效蒸發(fā)容器中. 在每一效蒸發(fā)容器中, 進(jìn)料海水通過噴嘴被噴灑在水平布置的換熱管上。第一效內(nèi)水平管上的液膜通過吸收管內(nèi)加熱蒸汽冷凝釋放的潛熱而蒸發(fā), 由此產(chǎn)生的二次蒸汽進(jìn)入第二效的水平管內(nèi)驅(qū)動(dòng)管外液膜的蒸發(fā). 第一效的加熱蒸汽由外部蒸汽發(fā)生器提供, 加熱蒸汽在管內(nèi)冷凝后產(chǎn)生的冷凝水返回到外部蒸汽發(fā)生器. 此后每一效內(nèi)水平管外液膜的蒸發(fā)都由上一效提供的二次蒸汽驅(qū)動(dòng), 而二次蒸汽則在管內(nèi)凝結(jié)成淡水, 并被收集到淡水罐中. 由于每一效蒸發(fā)容器內(nèi)的壓力依次降低, 因而可以實(shí)現(xiàn)海水在每一效內(nèi)的連續(xù)蒸發(fā)而不需要再提供熱量.最后一效產(chǎn)生的二次蒸汽被引入到冷凝器中對(duì)海水進(jìn)行預(yù)熱. 每一效內(nèi)未蒸發(fā)的剩余海水則作為濃鹽水被排出. 每一效蒸發(fā)容器內(nèi)產(chǎn)生的二次蒸汽都需要經(jīng)過除霧器以去除夾帶在二次蒸汽中的海水液滴,從而提高生產(chǎn)的淡水的質(zhì)量. 系統(tǒng)內(nèi)的每一效均需要與真空排氣系統(tǒng)連接以除去不凝氣, 不凝氣的存在會(huì)阻礙傳熱過程, 降低傳熱系數(shù)。

2、多級(jí)閃蒸。MSF系統(tǒng)同樣是由多個(gè)蒸發(fā)容器(閃蒸室)串聯(lián)而成, 海水首先被引入排熱段的冷凝管中, 在吸收蒸汽冷凝釋放的潛熱后, 海水被預(yù)熱至一個(gè)較高的溫度. 加熱后的海水被分成兩部分:一部分為冷卻海水, 排放回海中以排出系統(tǒng)中過多的熱量; 另一部分為進(jìn)料海水, 經(jīng)過脫氣和化學(xué)預(yù)處理后, 與排熱段最后一級(jí)閃蒸室內(nèi)的海水混合. 隨后循環(huán)海水從排熱段最后一級(jí)中抽出, 被引入熱回收段最后一級(jí)的冷凝管中. 當(dāng)循環(huán)海水沿貫穿每一級(jí)的冷凝管向第一級(jí)流動(dòng)時(shí), 吸收管外閃蒸蒸汽冷凝時(shí)放出的潛熱而不斷升高溫度. 循環(huán)海水進(jìn)入鹽水加熱器后, 吸收加熱蒸汽冷凝釋放的潛熱, 從而溫度升高到TBT, 而加熱蒸汽則在管外壁被冷凝成冷凝水. 此后熱海水依次進(jìn)入壓力逐漸降低的熱回收段和排熱段的各級(jí)閃蒸室, 進(jìn)入各級(jí)閃蒸室的熱海水的壓力高于對(duì)應(yīng)閃蒸室內(nèi)的壓力, 海水由于過熱而急速蒸發(fā)(閃蒸), 從而產(chǎn)生蒸汽. 各級(jí)閃蒸室中由閃蒸產(chǎn)生的蒸汽需要通過除霧器以去除夾帶在其中的海水液滴, 以提高產(chǎn)品水質(zhì)量和防止冷凝管外壁水垢的生成。為了將系統(tǒng)內(nèi)鹽水的濃度維持在一個(gè)合適的值, 最后一級(jí)閃蒸室內(nèi)的一部分濃鹽水會(huì)被排放到海洋中. 與MED系統(tǒng)相同, MSF系統(tǒng)需要與真空排氣系統(tǒng)連接以排出不凝氣, 從而消除不凝氣的存在對(duì)傳熱的不利影響。

二、離子交換法在海水淡化中的應(yīng)用

1、離子交換劑直接淡化海水。天然沸石分子篩是一種白色、無毒、無臭的晶體粉末，可吸附尺寸在0.3～2nm 的多種離子。基于這樣的原理，海水中的陽(yáng)離子可以吸附到沸石分子篩的骨架結(jié)構(gòu)中，定位在孔道或空腔中的一定位置上。但海水溶液中的離子是電中性的，為了同時(shí)去除氯離子，[1]將天然沸石分子篩用硝酸銀溶液反應(yīng)，使之與銀離子進(jìn)行交換，生成沸石銀復(fù)合物。然后利用沸石分子篩陰離子骨架上的銀離子去交換海水中的鈉離子、鎂離子、鈣離子等堿金屬離子，被替換到海水中的銀離子則與氯離子生成氯化銀沉淀，最終完成對(duì)海水或微咸水的淡化。天然沸石銀復(fù)合物淡化海水的能力與沸石類型有關(guān)。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，1g 沸石銀分子篩處理5 mL 海水，一般只能將氯離子去除8.73%～28.5%，連續(xù)處理8 次才能達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。因此，如何提高沸石銀的交換能力仍然是技術(shù)的難點(diǎn)。將3A、4A、13X 和NaY 型沸石分子篩放入馬弗爐中于550℃焙燒，使之具有穩(wěn)定的活性和足夠的機(jī)械強(qiáng)度。粉碎，過40 目篩，按固液比1: 10 與硝酸銀溶液混合，微波爐加熱反應(yīng)16 min 后洗滌、抽濾，至濾液中無銀離子，105℃干燥2 h 得海水淡化劑。取各種淡化劑3A、4A、13X、NaY 各50 g，與250 mL 海水混合振蕩30min，海水中的氯離子分別降至1.25、1.20、1.38 和1.27 mg /L，海水中的鈉離子分別降至300、150、420 和800 mg /L，4A 型淡化及處理效果最好，但淡化水中各種離子濃度仍然高于自來水。

2、離子交換劑用于海水淡化預(yù)處理。海水是一個(gè)復(fù)雜的稀溶液體系，含有80 多種化學(xué)元素，同時(shí)海水中大量的鈣鎂離子所形成的碳酸鹽、碳酸氫鹽、氯化物等又導(dǎo)致海水具有很高的硬度。對(duì)于膜法海水淡化而言，高硬度海水容易堵塞膜孔，降低膜的透水率; 對(duì)于蒸餾法海水淡化而言，易產(chǎn)生鍋垢，從而降低蒸發(fā)效率。因此，淡化前需要進(jìn)行海水預(yù)處理。海水預(yù)處理的程序一般是先用石灰-純堿軟化法去掉大部分鈣鎂離子，然后通過離子交換法進(jìn)一步軟化。陽(yáng)離子交換樹脂通常用鈉離子、氫離子型，通過陽(yáng)離子交換反應(yīng)去除海水中的部分鈣鎂離子。如果單純使用鈉型陽(yáng)離子交換樹脂，交換反應(yīng)后水中硬度雖被去除，但碳酸氫鈣和碳酸氫鎂轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓釟溻c，水質(zhì)呈堿性:

為此，可以同時(shí)使用氫型陽(yáng)離子交換樹脂，使之與水中陽(yáng)離子交換時(shí)釋放出氫離子，只要控制兩種樹脂的使用比例，便可使水的pH 值處于中性范圍之內(nèi)。

離子交換是目前海水淡化脫硼技術(shù)中最為重要和高效的方法，它的機(jī)理是利用離子交換樹脂上的功能基團(tuán)與溶液中的離子發(fā)生交換反應(yīng)，以達(dá)到分離濃縮目的。按照活性基團(tuán)的不同，研究人員先后使用過陽(yáng)離子交換樹脂、陰離子交換樹脂、大孔樹脂和凝膠樹脂。由于硼酸可以迅速與多元醇和α- 羥基羧酸反應(yīng)形成穩(wěn)定的螯合物，研究人員開發(fā)出大量的含有微孔結(jié)構(gòu)的硼特效吸附樹脂[13]，其中主要是含有N-甲基葡萄糖胺的樹脂。這種弱堿性陰離子交換樹脂加入含硼水中后，硼酸受到功能基團(tuán)中羥基氧原子的攻擊，原來的B-O 鍵斷裂而形成B -O-C 新鍵，斷裂后生成的羥基與功能基團(tuán)斷裂產(chǎn)生的氫離子結(jié)合形成水。一般情況下，一個(gè)硼酸分子可與兩個(gè)羥基作用而形成穩(wěn)定的螯合物，直至離子交換反應(yīng)結(jié)束。離子交換樹脂法可通過較小的能量消耗，獲得很低的硼濃度，具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但樹脂再生操作則耗費(fèi)大量的化學(xué)藥劑，而且再生產(chǎn)水的處理可能會(huì)帶來二次污染，這方面已引起研究者的廣泛關(guān)注。

離子交換法不僅可以直接用于海水淡化，而且在常規(guī)海水淡化預(yù)處理、后處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。此外，該方法在濃海水提取鉀元素中發(fā)揮了重要作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

編輯：王媛媛