浓盐水双极膜电渗析制酸碱资源化回用新技术
发布时间:2022-07-01 08:31 作者:admin 点击量：
一、研究的背景与问题
钢铁行业水污染治理工作经过多年努力，已取得显著成效，但仍存在浓盐水资源化回用难等技术瓶颈。随着国家和各地方排放标准相继实施，结合京津冀地区严重缺水的现状，开发钢铁浓盐水资源化回用新技术意义重大。
浓盐水是钢铁企业采用超滤-反渗透工艺制备脱盐水产生的尾水，无机盐和有机物含量高，处理难度大，缺乏经济有效的处理措施。目前一般采用蒸发浓缩工艺得到混合无机盐，或分盐后蒸发结晶制备氯化钠和硫酸钠产品，但存在产生的固体盐无合适的消纳渠道、运行成本高等问题。浓盐水如何高效处理回用是目前制约钢铁企业绿色发展的瓶颈问题。
二、解决问题的思路与技术方案
河钢集团邯钢公司（以下简称河钢邯钢）与中国科学院过程工程研究所密切协作，依托“十三五”水体污染控制与治理科技重大专项课题，针对钢铁浓盐水资源化处理回用难题，开展臭氧界面活化机理、膜表面污染机理等基础理论研究，开发深度催化臭氧氧化、高效纳滤分盐、抗污染电渗析膜浓缩、电渗析双极膜再生酸碱等核心关键技术、配套催化剂、膜材料及设备，通过中试实验论证技术方案，并根据实际水质进行深度除杂和单元工艺组合优化，开发出最优集成工艺（如图1所示），最终在河钢邯钢建成产业化示范工程，实现浓盐水再生酸碱资源化回用。
图1浓盐水资源化处理产酸碱回用集成技术路线
三、主要创新性成果
1、针对浓盐水中有机污染物去除率低的难题，结合自由基抑制实验、原位光谱表征和量子化学计算研究，深入揭示了臭氧在催化剂表面线式吸附-内断键的界面活化新机理（如图2所示），指导开发出富氧缺陷的钙钛矿催化剂和耐高盐改性碳催化剂（如图3所示），催化臭氧氧化效率比常规催化剂提高20%以上。浓盐水中有机物去除率>60%，大幅降低后续处理的膜污染问题。
图2臭氧在固体催化剂界面活化机理
图3不同固体催化剂的表面活性位研究
2、针对浓盐水处理时膜污染难控制及脱盐效率低的难题，系统阐明了不同有机物和操作条件下纳滤膜和电渗析膜表面的综合污染机理（如图4所示），创新开发出表面电沉积-自聚合复合改性技术（如图5所示），有效降低了电渗析阴极膜抗污染污染速率，稳定运行时长由200h延长到500h以上，结合工艺参数优化，实现了浓盐水高效分盐和高倍浓缩减量。
图4改性膜表面Zeta电位及接触角变化情况
图5不同改性膜处理的淡室溶液电导率及膜面电阻变化情况
3、针对浓盐水处理成本高、难以高效资源化回用的难题，通过膜材料和膜堆结构创新设计，建立组合工艺超结构模型（如图6所示），单项膜处理工艺级数选择性模型（如图7所示），开发出适用钢铁行业的双极膜电渗析产酸碱关键技术，并率先构建了“化学软化-催化臭氧氧化-反渗透-深度除杂-纳滤-电渗析-双极膜电渗析”集成技术体系，从反渗透浓盐水中生产高品质淡水及稀NaOH和HCl回用，提供了钢铁浓盐水资源化回用解决新方案。
图6浓盐水资源化处理部分组合工艺超结构模型
图7单项膜处理工艺级数选择模型
四、应用情况与效果
基于以上研究，开发出钢铁浓盐水资源化处理再生酸碱回用集成技术一套，技术成熟度高，在河钢邯钢建立了行业首套浓盐水产酸碱资源化处理回用工程（如图8所示）。
图8河钢邯钢浓盐水资源化处理回用示范工程
工程处理规模为50m3/h，2020年10月建成投运，工程投产运行后，淡水产率平均达到76.3%，最终产品7%~8%的酸和碱全部回用于生产工序（如图9所示），每年消减COD43.1吨、总氮6.1吨，运行成本仅为蒸发结晶工艺的25%~35%。项目通过NaOH、HCl、脱盐水的资源化回用实现了年创效330万元。
图9浓盐水资源化处理回用淡水水质、淡水产率及再生酸碱产品
该项目为解决钢铁行业浓盐水高效低成本回用难题提供了全新技术方案，对促进行业节水减排和高质量绿色发展具有良好的示范效应。
信息来源：河钢集团邯钢公司
