污水、废水酸碱盐中和器的研制

颜朝霞 陈红蕾

摘要：中和反应是利用酸碱中和剂进行化学反应使样品显中性。然而，酸碱中和剂的加入导致多离子污染，增加盐离子浓度，对检测分析造成很大干扰。本项目研制的中和器，可以不添加试剂材料，不更换零部件，通过电流控制，应用在线再生，实现中和—除盐的目的，将酸碱盐水中和转化成为中性水。

关键词：中和;电渗析;在线再生;离子交换膜

中图分类号：X703.3

0   引言

近年来，由于工业现代化飞速发展，人民生活水平日益提高，同时造成的问题是每天产生批量的工业废水和生活污水，由此带来的后果是废水、污水处理问题日显突出。将未被处理的废水、污水直接排放，则土壤、耕地、江河湖海等环境被污染、破坏，带来生物死亡甚至物种灭绝等严重的问题。从社会、经济、生态环境等方面出发，废水、污水的有效处理至关重要。

1   设计原理及构成

本项目拟采用电渗析技术达到中和除盐的目的，利用大容量膜控制电流，节省时间，减少材料耗损，从而实现了在线再生，持续使用，应用中没有任何耗材、无需更换任何配件。能够将酸碱度、盐度很高的液体中和成为中性水。

中和器的工作原理是中和器被离子交换膜分隔为中间的中和室和两边的两个再生室，在中和器的阴阳两极加0-200mA的电流，阳极再生室内的水被分解成H⁺离子和O₂，同时阴极再生室的水被分解成OH^-根和H₂，阳极再生室的H⁺离子在电流的作用下穿过离子膜进入中和室，和中和室内的OH^-离子结合成水从废液流出中和室，而中和室内的Na⁺离子在阴极的吸引下穿过离子膜进入阴极再生室，从废液流出。电流的大小视样品pH值及样品出口pH值确定，电流大小通过可调恒流电源调节和控制。

2   中和器设计开发及研制

2.1 中和器的设计开发

从电渗析原理出发，查阅大量资料，经多次设计论证，设计出以选择性渗透膜间隔的，具有一个中和室和两个再生室的结构简单，死体积小，流路合理的中和器。图1是中和器的原理图，通过样品液体与再生液相反的流向以达到最佳的中和效果。

根据设计方案设计中和装置的具体结构，包括中和器夹板、电极、密封层、流路等。绘制各部件的加工图：首先绘制三维立体效果图，然后输出二维平面图，包括系统全图、中和装置结构图、系统外观设计图、原理图、零件图等。三维图利于评价和理解整个系统，二维图用于加工制作。

图2是中和器模拟结构图，包括两端固定夹板、阴阳电极、均相阴阳离子交换膜、中和室隔离板。两端夹板设计能安装电极的凹槽，组成再生室，阴阳离子交换树脂填充在再生室和中和室。通过纯净水电解产生的H+离子和OH-离子结合离子交换膜来中和酸或碱。

2.2 离子交换膜的选择、电极的定制

通过反复试验选择合适的材料，并不是所有的材料都是可用的，在工作中不断与设计要求进行比对，以达到合理的选材。比如哪种材料可以耐受有机溶剂、哪种膜寿命更长、哪种电极更耐腐蚀等。

经多次市场调研筛选，试验测试确定，最终选择离子交换膜采用選择性渗透均相阳离子交换膜，电极定制为钛电极（如图3所示）。

2.3 中和器加工

按设计图纸要求，通过机械加工来完成所需要的部件，这样加工的速度比较快，可灵活更改。

（1）材料选择

主要的机械加工部分是夹板，开始选择的是PEEK材料，在加工过程中发现PEEK材料虽然在机械性能及耐腐蚀性能方面非常好，但是在试制过程中需要观察液体真正流路，而PEEK不透明不利于观察，且材料成本较贵，经过比对材料的性能，选择了透明有机玻璃作为加工材料，不仅透明易于观察且耐腐蚀性能也可以满足使用要求，但机械性能稍差，最后确定使用有机玻璃板外再加2mm的不锈钢板增加机械强度。

（2）试制过程

此环节包括大量工作，很多需要经过条件试验来确定最终的设计方案。设计的抑制容量和结构，在实际安装使用过程中出现了加工难度大、偏离设计要求等情况，实验测试中根据测试结果及时改进设计方案，逐步完善。关键环节包括：死体积、有效膜面积、电极大小、中和电流大小、中和室厚度、内部流路设计等。

试制过程中大量的工作是反复试装及加工，经过无数个细节的改进、优化，最终达到设计要求。而成品中和器又容量不足、压力偏高。历经了3代产品，试验测试数据见表1所列。

由表1可以看出：

第一代产品：测试时发现可以达到中和的效果，可是容量不够，在1.0mL/min的流速，200mA电流下，只能中和到60mM的氢氧化钠，这样的容量不能满足实际需要，所以对中和器交换面积做了调整。

第二代产品：将中和室膜面积增加了一倍，离子交换树脂，采用300-400目的大容量离子交换树脂，同等条件下中和容量提高到了原来的2.5倍，可是因为树脂粒度小，中和器内部流路管径小（0.5mm）等原因，中和器压力偏高，大约在1.5Mpa左右。

第三代产品：在不影响容量的前提下将树脂粒度调整为200目，流路管径调整为1.5mm，并且对电极室的间距做了调整，现在的容量已经可以中和200mM的氢氧化钠。

中和器的容量受三个因素的影响，分别是流速、电流、膜有效交换面积，膜的有效交换面积与电极大小有关，所以这个是设计环节已经固定的参数，那么在测试过程中容量就只与电流和流速有关了。我们的测试方法有两种：一是固定碱溶液浓度和流速，测试能够完全中和的最小电流，这个电流与容量成反比，即容量越大电流越小。二是固定流速和电流，变化碱溶液浓度，能中和的碱溶液浓度越大则中和器的容量越大。在给中和器连续输送NaOH时，NaOH溶液与中和器达到动态平衡。试验测试数据见表2所列。

3   结果与讨论

由表2可以看出同一中和器：

电流=浓度×流速×系数（系数是一个经验值，根据多次不同浓度流速下的电流计算出来的）

在电流相同的情况下，流速越小，中和能力越强;

在流速相同的情况下，电流越大，中和能力越强;

在流速最小，电流最大时，中和能力最强。

选择离子交换膜采用选择性渗透均相阳离子交换膜、电极定制为钛电极、使用过程中发现中和器的两板夹紧结构，由于用螺栓固定，有机玻璃板较软，长时间压紧后螺栓及帽会嵌入有机玻璃而使用螺栓不能有效夹紧。所以我们在两层有机玻璃外侧又增加了两块2mm的不锈钢板以增加强度。

项目优势在于设备结构简单，成本低廉，易于制造、经久耐用、不用任何化学试剂，整个工作过程中只用到水，是适合我国国情的真正绿色无污染项目，且操作简便，应用前景好。项目的目的旨在推动和促进废水、污水的处理和再生回用的发展，为我国的资源再利用和环境保护工作提供必要的技术支持和保障。

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颜朝霞（1968—），女，汉族，甘肃兰州人，大学本科，高级工程师，主要研究方向：化工产品研发与检测检验。

通讯作者：陈红蕾（1965—），女，汉族，陕西西安人，大学本科，高级工程师，主要研究方向：机械研究。