二氧化碳在工业水处理中的应用概述

柳 洋，李志山

(中昊光明化工研究设计院有限公司，辽宁 大连 甘北路34号 116031)



二氧化碳在工业水处理中的应用概述

柳 洋，李志山

(中昊光明化工研究设计院有限公司，辽宁 大连 甘北路34号 116031)

二氧化碳是一种具有温室效应的气体，大气层中CO2含量的升高显著推高地球表面的温度，引起一系列严重后果，诸如冰川融化、海平面上升、极端气候等。而现代工业的发展，却大大加快了向大气中排放二氧化碳的量，导致严重的温室效应。因此，如何减少排放和利用二氧化碳引起各国的高度重视。目前，处理二氧化碳的方法有深海掩埋、气体肥料、制成碳酸酯等方法。受技术、成本和使用量等因素影响，处理量有限。而工业水处理领域的工业循环冷却水处理、工业废水(污水)处理、工业纯水(原水)处理都是用水的大户，使用水量很大。如果能将二氧化碳在工业水处理方面进行应用，既可处理大量的工业用水，达到节水节能的目的，又可使用大量的温室气体，必将产生较大的社会效益和经济效益。

二氧化碳；工业水处理

0 引 言

水处理是指通过一系列水处理设备或装置将被污染的工业废水或污水进行净化处理，以达到国家规定的水质标准。由于社会生产、生活与水密切相关，因此，水处理领域涉及的应用范围十分广泛，形成了一个非常庞大的产业应用。

工业水处理就是通过物理的、化学的手段，去除水中一些对生产、生活不需要的物质的过程，为了适用于特定的用途而对水进行的沉降、过滤、混凝、絮凝、软化以及缓蚀、阻垢的过程。加工原水为生活或工业的用水时，称为给水处理；加工废水时，则称废水处理；缓蚀、阻垢等水质处理称为循环冷却水处理。水处理的效果可以通过国家相应的水质标准和特定的技术指标进行衡量。

通过查阅国内外的期刊文摘数据库、会议论文、学术数据库、专利文摘数据库等，可以发现，国内外二氧化碳在工业水处理中的应用主要体现在以下几个方面。

1 文献综述

1.1 二氧化碳在软化水给水处理方面的应用

1989年[1-2]清华大学核能技术研究所和齐鲁石化公司第二化肥厂的云桂春,赵模堂,龚闻礼等首次对离子交换部分除盐二氧化碳再生新工艺进行研究，它是利用二氧化碳再生弱酸阳离子交换树脂、强碱阴离子交换树脂，使其恢复到初始状态。与传统的离子交换除盐技术相比，具有利用二氧化碳作为再生剂可同时再生阴、阳两种离子交换树脂，运行费用低，再生液可直接排放，不需投加酸或碱中和，再生离子交换混床时两种树脂无需分开等优点。该项新工艺主要用于工厂企业生产循环冷却水、啤酒厂酿造用水部分除碱脱硬去除硝酸盐，以及含有高碳酸盐硬度与高强酸盐的原水的预脱盐处理。

清华大学热能工程系的王方和山东济宁工矿设备厂的张新泉，对CO2再生离子交换法在工业水处理中应用进行探讨[2]。CO2再生离子交换法是一离子交换的新工艺，由于这种工艺采用价廉而对环境无污染的CO2作再生剂，所以这种工艺颇为人们所重视。讨论了这种工艺的原理，介绍了在水的软化和脱盐处理中采用这种工艺的初步结果，对这种工艺在工业水处理中推广应用的前景进行了探讨。

清华大学和北京市自来水公司在1993年对二氧化碳再生离子交换树脂水处理工艺进行了技术鉴定[3]。利用在一定压力作用下二氧化碳溶于水后生成的碳酸的电离产物H+和HCO-3来代替酸或碱电离提供的H+或OH-离子的置换反应，使失效的离子交换树脂恢复到初始状态。其优点在于：利用一种再生剂可同时再生阴、阳两种树脂，操作简单、安全性好,保护水资源不增加盐负荷、不污染环境，在有二氧化碳来源的工厂企业应用投资少、见效快、运行费用低，可节省大量化工原料酸和碱，回收二氧化碳作为资源加以利用，同时减少二氧化碳排放量，有利于减少大气温室效应。本技术可推广应用于具有二氧化碳来源的大、中、小化工厂，化工企业生产循环冷却水的半软化；饮用水中硬度和硝酸盐较高，以及含高碳酸硬度与高强酸盐原水制备脱盐水的预除盐。实际应用于齐鲁石化公司第二化肥厂一套产能为200 m3/h的半软化水装置中，每年可节约硫酸费30万元，加氨中和废再生液的费用6万多元，此外每年还将减少排入水体的硫酸盐736 t，氨25 t。同时排放污水中含盐量与氨氮含量大大降低，有利于污水回用。

1.2 二氧化碳在废水和污水处理方面的应用

利用二氧化碳可以溶于水并和水反应生成碳酸，CO2+H2O=H2CO3，使水溶液呈弱酸性的特性，国内外在废水和污水处理方面，均进行过利用二氧化碳代替部分酸性物质，中和碱性废水方面的应用[4-7]。另外，发明人戴均和的发明专利CN103739121A[8]公开一种超临界二氧化碳萃取分离和超临界水氧化联合处理工业废水的方法。发明专利提到先期采用超临界二氧化碳萃取分离技术萃取所述工业废水中的氯化物，后续采用超临界水氧化技术降解除去其中的有毒有机物。

1.3 二氧化碳在工业循环冷却水处理方面的应用

水的热容或比热较大，水的汽化潜热(蒸发潜热)和熔化潜热也很高，因此水是比较理想的冷却介质。冷却水由循环泵送往系统中各换热器，以冷却工艺热介质，冷却水本身温度升高，变成热水，同时热水被送往冷却塔顶部，由布水管道喷淋到塔内填料上。空气则由塔底百页窗空隙中进入塔内，并被塔顶风扇抽吸上升，与落下的水滴和填料上的水膜相遇进行热交换，水滴和水膜则在下降过程中逐渐变冷，空气在塔内上升过程中则逐渐变热，最后由塔顶逸出，同时带走水蒸气，使水得以循环使用。冷却水在循环系统中不断循环使用，由于水的温度升高，水的蒸发，各种无机离子和有机物质的不断浓缩，由此引起的最严重的问题之一就是结垢。目前，控制结垢的方法有：去除水中的成垢离子；加酸中和碱度，降低pH值稳定水中的成垢离子；通入二氧化碳气体，稳定重碳酸盐；投加阻垢剂，控制结垢。

利用二氧化碳气体控制循环冷却水系统的结垢，内蒙古工业大学能源与动力工程学院的沈炳耘,袁源等进行过系统的研究[9]。在自行搭建的电厂循环冷却水动态模拟试验台上,用二氧化碳作为模拟烟气,通过空白试验、加载离子棒试验、加载模拟烟气试验,对炉烟处理循环冷却水的阻垢、抑垢性能进行试验，结果表明:模拟烟气具有较好的阻垢、抑垢作用,且在循环冷却水流量相同的情况下,模拟烟气比离子棒的阻垢率高,阻垢、抑垢效果明显。樊向东在原有基础上，对模拟烟气的阻垢性能作了进一步的研究[10]。在实验室原有循环冷却水动态模拟试验台的基础上,设计并安装模拟烟气处理循环水系统,通过动态模拟试验,与高压静电离子棒阻垢法在不同凝汽器管材、不同循环水流量下进行试验对比,其次,在改造的试验台上进行模拟烟气处理循环水的阻垢、抑垢试验,空白试验结果表明:模拟烟气具有一定的阻垢、抑垢效果,加载模拟烟气试验的污垢热阻明显小于空白试验；与加载高压静电离子棒试验结果对比表明：在相同流量、相同凝汽器管材的条件下,模拟烟气的阻垢、抑垢效果要优于高压静电离子棒。虽然使用二氧化碳进行循环冷却水的阻垢存在一些不足之处：换热器管材和循环水流量对模拟烟气的阻垢、抑垢效果有一定的影响，存在垢的转移现象。如果，二氧化碳处理法能与传统的化学法水质稳定处理相结合，解决存在的缺陷，即可达到良好的水处理效果，又可以减少传统水处理剂的使用量，实现“以废治废,废物利用”。

2 总结与展望

综上所述，二氧化碳在工业水处理中主要应用于软化水水处理、二氧化碳代替部分酸性物质中和碱性废水和工业循环冷却水处理三个方面。鉴于工业循环冷却水用水量大，约占工业用水的80%以上，结合目前绿色阻垢剂的推广应用以及不断提高循环水运行浓缩倍数直至零排放的要求，若能将二氧化碳添加与工业循环冷却水水质稳定处理技术相结合，具有广阔的研究价值和应用前景，必将产生较大的社会效益和经济效益。

[1] 云桂春,赵模堂,龚闻礼，等.清华大学核能技术研究所,齐鲁石化公司第二化肥厂,离子交换部分除盐二氧化碳再生新工艺,1989.项目年度编号892828.

[2] 王方,张新泉.CO2再生离子交换法在工业水处理中应用的探讨[J].工业水处理,1994(5)：1-5.

[3] 清华大学,北京市自来水公司.二氧化碳再生离子交换树脂水处理工艺1993,项目年度编号6000012440.

[4] 应宝华.二氧化碳处理法在钢铁工业废水处理回用中的应用[J].现代冶金,2012,40(2):37-39.

[5] 应宝华,姚凤凤.二氧化碳在钢铁工业废水处理中的应用研究[C]//全国冶金节水与废水利用技术研讨会论文集.北京：中国冶金学会，2011:62-65.

[6] THOMAS P.Neutralization of Alkaline Effluents with Carbon Dioxide[J].Industrie-Anzeiger, 1974,96(45):1022-1023.

[7] GRIFFITH M J, Muscle Shoals, AL, United States, Carbon dioxide neutralization of an alkaline effluent[J].IND WASTES, 1982,28(2)：18，24-25.

[8] 戴均和.一种超临界二氧化碳萃取分离和超临界水氧化联合处理工业废水的方法:中国，CN103739121A[P].2014-04-23.

[9] 樊向东,沈炳耘,袁源.电厂循环冷却水动态模拟试验台炉烟除垢方法的试验与研究[J].节能,2012,31(11):27-29.

[10] 樊向东.炉烟处理电厂循环冷却水的试验研究与分析[D].内蒙古：内蒙古工业大学，2013.

Summary of the Application of Carbon Dioxide in Industrial Water Treatment

LIU Yang，LI Zhishan

(Zhonghao Guangming Research & Design Institute of Chemical Industry Co.,Ltd., Dalian 116031,China)

CO2as a greenhouse gas can significantly raise the temperature on the surface of earth if its content in the atmosphere keeps growing. The consequences can be disastrous such as melting glaciers, rising sea level and extreme weather conditions. Nevertheless, the development of modern industries is boosting the emission of CO2into the atmosphere, resulting in increasingly serious greenhouse effects. Therefore, how to reduce emission and utilize CO2has become a question that needs to be answered by governments as soon as possible. Currently CO2is treated in several ways like buried in deep sea, transformed into gaseous fertilizer, used as a material for carbonic acid esters, etc. However, the quantity being treated is very small due to the restrictions related to technology, cost and usage. On the other hand, industrial water treatment industry is a major water consumer since it involves treatment of industrial circulation cooling water, industrial waste water (effluent) and industrial pure water (raw water). If we can find a way to utilize CO2in industrial water treatment industry, then it is possible to consume more greenhouse gas while increasing treatment capacity of the industrial water, in addition to saving more water and power. The social and economic benefits thus created can be quite considerable.

CO2；industrial water treatment

2016-07-12

X703

A

1007-7804(2016)05-0008-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.05.003

柳 洋(1984)，男，大专学历，2005年毕业于广播电视大学环境工程专业，2008年至今就职于中昊光明化工研究设计院有限公司从事水处理工作。