1、2023 年 第 4 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 486 期 139 污染物浓度对膜电容去离子技术脱盐性能影响污染物浓度对膜电容去离子技术脱盐性能影响 李佳音，耿翠玉，周俊强*，赵爱雪(金风环保有限公司，北京 100176)摘 要本文研究了膜电容去离子技术(Membrane Capacitive Deionization，MCDI)处理工业含盐废水时，不同污染物浓度变化对其脱盐性能的影响。试验结果表明，MCDI 脱盐量会随进水 TDS 浓度的增大而增大，当到达 MCDI 电极的饱和吸附量时脱盐量不再增加，其饱和吸附量约为 1800 mg/L；MCDI 的脱盐性能随进水 COD 浓度
2、的增大而小幅下降，且 MCDI 对 COD 基本没有去除效果；进水浊度对 MCDI 设备的稳定运行有显著的影响，MCDI 设备需在设置保安过滤器等前处理工艺下运行，过滤精度为一级 5 m+二级 100 m，并定期进行充分反洗。MCDI 技术在处理该工业含盐废水时具有离子选择性，该技术会优先去除水中电荷较大及水合半径较小的钙离子，离子浓度较大的氯离子等，可为处理其他工业含盐废水提供技术指导。关键词MCDI；脱盐性能；离子选择性；工业废水；电吸附 中图分类号TQ 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)04-0139-03 Effect of Pollutant Concentrati
3、on on Desalination Performance of Membrane Capacitive Deionization Technology Li Jiayin,Geng Cuiyu,Zhou Junqiang*,Zhao Aixue(Goldwind Environmental Protection Co.,Ltd.,Beijing 100176,China)Abstract:In this paper,the effect of different pollutant concentrations on the desalination performance of the
4、membrane capacitive deionization technology for the treatment of industrial saline wastewater was studied.Results showed that the desalination capacity of MCDI increased with the increase of the influent TDS concentration.When the MCDI electrode reached adsorption saturation,the desalination capacit
5、y no longer increased,and the saturated adsorption was about 1800 mg/L;The desalination performance of MCDI decreased slightly with the increase of influent COD concentration,and MCDI had no removal effect on COD;The turbidity of the influent water had a significant impact on the stable operation of
6、 the MCDI equipment.The MCDI equipment should be operated under the pre-treatment process such as setting a security filter,the filtration precision is 5 m for the first stage+100 m for the second stage,and regular backwashing is also required.MCDI technology had ion selectivity in the treatment of
7、industrial saline wastewater.MCDI had preferentially removed calcium ions with a large charge and small hydration radius in water,and chloride ions with large ion concentration,which provide technical guidance for the treatment of other industrial saline wastewater.Keywords:MCDI；desalination perform
8、ance；ion selectivity；industrial wastewater；electrical adsorption 伴随我国工业化快速发展，工业废水的排量日益增多，给生态环境带来巨大压力。在水资源短缺及用水需求持续增加的供需矛盾下，将工业废水进行循环利用是当前较为急迫的需求。工业废水中盐含量较高，一般处理后不能满足废水回用的需求。鉴于这一背景，许多研究者开始关注和开发针对工业废水的脱盐技术。目前，较为成熟的脱盐技术方法有蒸馏法、反渗透法、电渗析法、离子交换法等。但这些技术普遍存在高能耗、易结垢、运行维护成本高等缺点1。膜电容去离子技术(MCDI)是一种基于双电层电容理论的脱盐技术
9、2。MCDI工作电压低，电极脱附过程所释放的能量易被回收利用3，能耗小，运行成本低；脱盐过程操作简单，离子吸脱附过程容易进行，设备维护简便；通过加载反向电压即可实现电极再生，不需要加入任何化学药品，环境友好，电极使用寿命长4，在处理含盐废水领域具有较大的应用前景，受到人们的广泛关注。现阶段，MCDI技术的研究多处于实验开发阶段，在实际工程项目中的应用案例及报道较少。本文以某工业含盐废水作为MCDI的处理对象，考察不同污染物浓度变化对MCDI处理实际工业废水时出水TDS的影响，探索了MCDI设备的维护要求和离子去除特性，为MCDI处理工业废水的实际应用提供技术参考。1 材料与方法材料与方法 1.
10、1 试验装置与运行 图图 1 MCDI 系统工艺流程系统工艺流程 Fig.1 The process flow of MCDI system 收稿日期 2022-08-12 作者简介 李佳音(1996-)，女，河北涿州人，硕士，助理工程师，主要研究方向为水污染防治。*为通讯作者。广 东 化 工 2023 年 第 4 期 140 第 50 卷 总第 486 期 本研究使用的 MCDI 设备主要由预处理系统，电极脱盐系统，能源回收系统，反洗系统部分组成，如图 1 所示。预处理系统是为了满足电极正常运行对水中污染物质的最低要求而设计的处理系统，如保安过滤器等，是保证整体系统稳定运行的辅助系统，主要针
11、对悬浮，有机物等污染因子设计；反洗系统的作用是对电极在运行过程中产生的结垢，污堵，生物污染等物质进行清洗；能源回收系统是将电极在充放电过程中产生的能量进行回收，实现节能的要求；MCDI 电极系统是整个系统的核心组件，起到吸脱附离子的作用。MCDI 电极由导电板、电极和离子变换膜组成。其基本原理是通过对碳电极的正、负电极间施加低电压，驱动水中的阴、阳离子在电场力和含量梯度的作用下向两极迁移并吸附到电极表面，达到脱盐和去除离子的目的5。待离子吸附饱和后，停止对两电极施加电压，或施加反向电压，电极上吸附的离子迁移扩散到水体中，获得富集水体排出，进入下一个循环。离子交换膜具有选择透过性，只允许单一电性
12、的离子通过，使得异电荷离子无法离开电极，从而达到保护电极和增加电极吸附量的作用6-7。MCDI 电极系统的能量来源于 8 个 200 Ahr 12 V 密封铅酸(SLA)电池组，电池组可以通过电网或太阳能板充电。MCDI设备中4个独立的MCDI电极可并行运行，处理水量为24.8 m3/h，经保安过滤器分离掉孔径大于5 m的大颗粒污染物后，再通过MCDI电极系统去除水中的带电离子，将脱盐水泵送至纯水箱，废水从排水管排出。具体流程见图1。该试验反应条件为常温常压，试验设备可采用间歇和连续运行方式，可从进水桶、产水桶和废水取水口取测定水样。1.2 取样与分析 MCDI 设备进水取自某工业园区污水处理
13、厂出水，该水厂出 水 水 质 满 足 城 镇 污 水 处 理 厂 污 染 物 排 放 标 准(GB18918-2002)一级 A 标准，设计出水主要水质指标见表 1。MCDI 处理后的产水和废水分别取自设备产水桶和废水取水口。表表 1 污水处理厂设计出水主要水质指标污水处理厂设计出水主要水质指标 Tab.1 Main design outtake water quality indexes of sewage treatment plant mg/L COD TN NH3-N TP SS 50 15 5 0.5 10 1.3 仪器与试剂 在试验中使用的氯化钠、葡萄糖为工业级试剂；硫酸、硫酸银、
14、硫酸汞剂等药剂均为分析纯试剂，统一采购于北京化工厂。重铬酸钾标准溶液由固体重铬酸钾试验室配置而成，试验用水为一级水(电导率(25)/S/cm0.1)。处理后的水样需测定化学需氧量(COD)、总溶解固体量(TDS)、浊度等分析检测项目，COD 采用水质 化学需氧量的测定 快速消解分光光度法(HJ/T399-2007)进行分析检测，水样 TDS 检测设备为TDS 检测笔，浊度检测设备为常规款工业浊度计。2 结果与分析结果与分析 2.1 进水 TDS 浓度变化对 MCDI 设备处理含盐废水的影响 根据前期的试验经验，选取 MCDI 设备适宜的试验条件为：进水流量 5 L/min，充电电流 130 A
15、，放电电流 160 A，充电电压为 1.3 V，放电电压 0.12 V。在原工业含盐废水的基础上，通过添加工业氯化钠用于配置不同进水 TDS 浓度的含盐废水；获得的不同进水 TDS 浓度分别为 1762 mg/L、2067 mg/L、3150 mg/L、4300 mg/L、5220 mg/L。MCDI 设备连续运行，在不同的进水 TDS 浓度下对 MCDI 进行性能测试，考察进水 TDS 浓度变化对 MCDI 设备脱盐效果的影响。由图2可知，随着进水TDS浓度的增大，TDS去除量呈现出先增大后趋于平衡的趋势；TDS去除率呈现出先减小后趋于平衡的趋势。当进水TDS为4300 mg/L和5220
16、mg/L时，TDS的去除量趋于平衡；其对应的产水TDS为分别2467 mg/L、3353 mg/L，TDS 去除量分别为 1833 mg/L、1867 mg/L；这表明电极的对离子的吸附量已经趋于饱和8。另外，由于电极对离子吸附量的增长速度小于进水离子浓度增长速度，导致 TDS 去除率表现出降低的趋势。通过增大进水 TDS 浓度，发现处理该类工业含盐废水时 MCDI 饱和吸附量约为 1800 mg/L，电极达到吸附饱和后吸附量不再随进水 TDS 的增加而升高，该饱和吸附量为处理其他类工业含盐废水提供参考。图图 2 进水进水 TDS 浓度对浓度对 MCDI 脱盐性能的影响脱盐性能的影响 Fig.2 Influence of influent TDS concentration on MCDI desalination performance 2.2 进水 COD 浓度变化对 MCDI 设备处理含盐废水的影响 设定试验条件为进水流量 5 L/min，充电电流 130 A，放电电流 160 A，充电电压为 1.3 V，放电电压 0.12 V。在原工业含盐废水的基础上，通过添加工业级葡萄糖用于
