热膜耦合海水淡化除硬预处理技术探讨

热膜耦合海水淡化除硬预处理技术探讨
梁红英;唐智新;吴礼云;孙雪
【摘要】针对热法海水淡化浓盐水中硬度含量较高的问题,探讨研究了诱导结晶、纳滤、化学沉淀三种除硬预处理技术,并指出各种技术的优缺点,对热膜耦合海水淡化工艺的设计具有指导意义.
【期刊名称】《冶金动力》
【年(卷),期】2017(000)005
【总页数】3页(P46-48)
【关键词】热膜耦合;海水淡化;浓盐水;除硬;预处理
【作者】梁红英;唐智新;吴礼云;孙雪
【作者单位】首钢京唐钢铁联合有限责任公司,河北唐山 063200;首钢京唐钢铁联合有限责任公司,河北唐山 063200;首钢京唐钢铁联合有限责任公司,河北唐山063200;首钢京唐钢铁联合有限责任公司,河北唐山 063200
【正文语种】中文
【中图分类】TQ085
随着全球淡水资源的日益短缺，海水淡化作为一种淡水开源增量技术，越来越受到全球缺水国家的高度重视。

目前，大规模工业化的海水淡化技术主要有热法中的多级闪蒸（MSF）、低温多效蒸馏（LTMED）及膜法中反渗透（RO）。

膜法海水淡化对海水水温比较敏感，随着海水温度的降低其产量也相应减少[1]。

为了解决我国北方沿海地区冬季海水水温较低的问题，单独的膜法海水淡化厂一般使用蒸汽对
海水进行加热来提高海水温度，消耗了大量的能源。

热法海水淡化浓盐水水温较高，且比较稳定，可以作为膜法海水淡化原料水，实现热膜耦合海水淡化，不但充分利用热法海水淡化浓盐水的余热资源，而且减少了海水的取排水量及相关建设费用。

但热法海水淡化浓盐水中存在大量的Ca2+、Mg2+等易结垢离子，易形成碳酸盐、硫酸盐、氢氧化物等沉淀堵塞膜孔，造成膜通量衰减严重，操作压力升高，增加了能耗，并降低的膜的使用寿命[2]。

因此需要对热法海水浓盐水进行除硬预处理，
以减少对后续膜法海水淡化的影响，并有利于二次淡化后的浓盐水的综合利用。

本文重点对几种热法海水浓盐水除硬预处理技术进行了探讨及研究。

诱导结晶技术是在传统化学沉淀法的基础上改进而成，其特点是在沉淀反应体系中人为地加入大量合适的诱晶载体粒子，使沉淀反应产生的沉淀物在载体表面生成，使沉淀反应加速，从而使化学沉淀工艺时间大大缩短[3]。

该技术主要用于水质软
化以及磷、氟、重金属等离子的去除与回收[4]。

在水质软化方面，主要集中在自
来水、工业原水等低硬度水的软化研究，而对于含有高硬度的浓盐水的软化方面研究却极少[5]。

以石英砂为晶核，采用诱导结晶技术对热法海水淡化产生的浓盐水进行除硬预处理试验研究。

Ca2+、Mg2+结晶反应分别在两级串联的不同的粒丸反应器中进行，
在一级粒丸反应器中投加Na2CO3药剂，Ca2+以CaCO3的形式结晶出来，附着于晶核上形成粒丸；除Mg2+后的浓盐水进入二级粒丸反应器，在二级粒丸反应
器中投加NaOH药剂，Mg2+以Mg（OH）2的形式结晶出来，附着于晶核上形成粒丸。

试验结果表明：除Ca2+阶段，可以获得很高的结晶效率，产生的CaCO3粒丸也很密实稳定，Ca2+的去除率可以达到79.2%；除Mg2+阶段，只能在较低的运行负荷及化学药剂投加量为理论值的数倍的情况下，Mg（OH）2粒丸才能形成，
且极容易破碎，Mg2+的去除率仅为29.8%；处理前后悬浮物（SS）从0 mg/L
增加至30 mg/L，原因主要是Mg（OH）2粒丸破碎导致一些微小的晶体颗粒悬浮于浓盐水中，对后续膜法海水淡化将产生不利影响。

该方法具有工艺过程简单、设备占地面积小、处理速度快、粒丸易与水分离及可以回收利用等优点，但存在粒丸纯度不高（含有晶核）、Mg2+去除率较低、处理后的水悬浮物较高（需进一步处理）等缺点。

纳滤膜孔径介于超滤膜与反渗透膜之间，不仅可以截留海水中的有机物、胶体、悬浮物等污染物，而且对不同价态的离子有不同的截留能力，可以有效截留SO42－、Mg2+、Ca2+等易结垢离子[6]，可以有效降低海水淡化的结垢风险，显著提高淡水回收率。

采用纳滤法对热法海水淡化产生的浓盐水进行了除硬预处理试验研究，见表2，考察了不同压力下DL2540纳滤膜对浓盐水主要离子的截留性能，处理结果如图1
所示。

从图1可知，纳滤膜对浓盐水中各离子截留率顺序为SO42－＞Mg2+＞Ca2+＞
Cl－＞Na+，随着纳滤膜操作压力的升高，各离子的截留率整体也逐渐升高。

压
力从0.3 MP升高至2.1 MPa时，其中SO42－的截留率变化不大，从97.1升高
至98.1%；Mg2+、Ca2+截留率开始升高较快，后续升高缓慢，截留率分别由56.1%、38.3%升高至79.9%、60.2%；单价离子的截留率远远小于二价离子，Cl －、Na+的截留率最高分别仅有6.5%、11.2%。

该方法不但可以截留Mg2+、Ca2+，而且SO42－的截留率也非常高，对后续浓盐水综合利用非常有利，但纳滤膜本身也存在结垢的风险[7]，并会产生一定的浓
盐水外排，对海洋生态环境产生不利影响。

化学沉淀法是利用化学沉淀原理，向水中投加化学药剂，使水中易结垢的Mg2+、Ca2+等离子生成难溶物质而沉淀析出。

化学沉淀法主要有石灰法，石灰纯碱法，苛性钠法三种，根据不同方法的优缺点[8]，采用苛性钠法对热法海水淡化产生的
浓盐水进行了除硬预处理试验研究。

热法海水淡化产生的浓盐水经过滤后进入CaCO3结晶器与10%的碳酸钠溶液反应，经过一定的停留时间后，结晶液进入一次压滤机过滤，滤液进入脱镁工序，滤料进入打浆洗涤槽经洗涤后进入二次压滤机过滤，产生的滤液返回CaCO3结晶器重新反应，产生的滤料干燥成碳酸钙成品。

来自脱钙工序的脱钙液进入Mg（OH）2结晶器与10%的氢氧化钠溶液反应，经过一定的停留时间后，结晶液进入一次
压滤机过滤，滤液进入后续膜法海水淡化系统，滤料进入打浆洗涤槽经洗涤后进入二次压滤机过滤，产生的滤液返回结晶器重新反应，产生的滤料干燥成氢氧化镁成品。

处理前后的水质变化如表3所示。

从表3可知，Mg2+、Ca2+去除率非常高，分别达到99.4%、91.7%，SO42-几乎没有参与反应，去除率仅为4.6%。

从表4可知，CaCO3和Mg（OH）2副产
品纯度都在95%以上，白度都大于95，激光体积平均粒径都小于15 μm，分别
满足HG/T2567-1994、HG/ T3607-2007要求。

该方法不但对浓盐水有很好的软化效果，而且得到的CaCO3和Mg（OH）2副
产品品质很高，具有显著的经济效益。

但该方法具有工艺流程复杂、占地面积大等缺点。

我国淡水资源短缺，海水淡化是解决我国水资源危机的重要途径。

制水成本较高、浓盐水排放是限制海水淡化产业发展的关键因素，制约了海水淡化向更大规模的发展。

开发海水淡化浓盐水综合利用技术，降低海水淡化制水成本，已成为下一步研究的重点。

通过对热法海水淡化浓盐水除硬预处理技术探讨及研究，可以解决浓盐水结垢的关键问题，为热膜耦合海水淡化浓盐水综利用技术的实施奠定了基础。

该技术将海水淡化与盐化工有机结合起来，充分利用了余热资源及化工原料，不但降低海水淡化制水成本，而且将从根本上解决浓盐水的排放问题，符合发展循环经济和低碳经济
的潮流，是绿色环保产业的发展方向。

【相关文献】
[1]Essam El-Sayed,Sadeq Ebrahim,Ahmad Al-Saffar and Mahmoud Abdel-Jawad,Pilot study of MSF/RO hybrid systems[J].Desalination, 1998(120):121-128.．
[2]周栋，傅寅翼，朱丽静等．纳滤预处理反渗透海水淡化研究进展[J]．膜科学与技术，2015，
35(3)：106-112．
[3]王凯军，熊娅，阎中．结晶工艺在废水处理领域的应用与发展[J]．环境工程学报，2010，4(1)：1－7．
[4]陈平，金奇庭．诱导沉淀结晶技术在水处理中的应用[J]．中国给水排水，2004，20(9)：24-26．
[5]贾永强，李伟，贾立庄等．诱导沉淀结晶软化浓盐水的实验研究[J]．环境科学与技术，2014，37(10)：90-93．
[6]陈侠，詹志斌，陈丽芳等．纳滤作为反渗透海水淡化预处理的研究[J]．膜科学与技术，2013，33(5)：59-62．
[7]宋跃飞．集成膜法海水淡化过程中纳滤—反渗透膜面结垢趋势预测及防垢研究[D]．中国海洋大学，2013．
[8]赵志军．药剂法海水软化研究[D]．天津大学，2008．。