微咸水化学沉淀脱盐效能的影响因素及最佳投加量研究

2023-10-17宋日权柴多生卢金锁秦艳春

广东水利水电 2023年9期

高峰，杨宇，宋日权，柴多生，孙昕，卢金锁，秦艳春

(1. 内蒙古自治区水利科学研究院，呼和浩特 010052；2.内蒙古自治区水利水电勘测设计院有限公司，呼和浩特 010020；3.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安 710055；4.乌兰察布水文水资源分中心，内蒙古乌兰察布 013750)

岱海作为内蒙古自治区第三大内陆湖，是内蒙古生态安全屏障的重要战略支点[1]。近30 a来，受全球气候变暖和当地社会经济发展的共同影响，入海水量显著减少，岱海水面严重萎缩，水体污染日趋严重[2]。目前岱海主要水质污染特征为：矿化度高，有机污染严重，处于中度富营养状态，生物多样性锐减[3]。

目前常用的除盐方法包括蒸馏法、膜滤法、电渗析法、化学除盐等[8]。其中蒸馏法除盐效率高，能够将水中几乎所有溶解性离子和有机物排出，可以获得高纯度水，但是能耗较高，需要消耗大量能源对水进行蒸发和冷凝；排放的废水、废热和废气会对环境产生影响[9]。膜滤法能耗较低，除盐能力强，可以滤掉不同分子量的离子和有机分子，但是维护成本较高，需要定期换膜，清洗、消毒等操作；膜滤法易受到水源中溶解物、微生物的影响，导致滤膜易堵[10]。电渗析法方法简单，可以自动化操作，无需添加化学药剂，安全、环保，对水质无污染，低能耗维护费用较低。但是电渗析法需要较高的电压，电流密度对半透膜的影响较大，容易损坏半透膜，增加了成本；电渗析脱盐速度慢[11]。化学除盐法速度快、处理效率高，理论上可以处理工业制造、食品加工、环保领域等[12-14]行业污水中的各种高浓度离子，具有广泛的适用性；但该方法不适用于要求高纯度的水质处理，也缺乏针对岱海这类典型微咸水湖除盐的研究报道。

1 材料与方法

1.1 原水的配制

本实验所用原水均为向蒸馏水中投加Na2CO3、NaHCO3、Na2SO4、CaCl2、MgCl2、NaCl、KCl药剂配制而成。原水以5 g/L的基准，根据理论计算和水质分析得到各离子在水中的平均浓度，分别在蒸馏水中加入以上药剂来配制所需水质(具体含量见表1)。

表1 不同离子加药量 mg/L

实验中所用原水中硫酸根浓度为340.430 7 mg/L，需向蒸馏水中投加Na2SO4浓度为503.386 4 mg/L。

1.2 实验设计

1.2.1加入NaOH除镁

1)反应时间对去除镁硬度的影响

在实验原水中加入足量的NaOH(加入量为镁硬度理论量的105%)，用磁力搅拌器以一定速度进行搅拌，累计反应时间60 min，取样间隔10 min。取上清液测定水中Mg2+浓度，探究不同反应时间对镁硬度的去除效果，设置操作温度为25℃，处理水样1 000 mL，搅拌强度为500 r/min，投加NaOH浓度为5 811 mg/L，原水中Mg2+浓度148.01 mg/L。

2)搅拌强度对去除镁硬度的影响

在实验原水中加入足量的NaOH(加入量为镁硬度理论量的105%)，用磁力搅拌器以不同速度进行搅拌，实验设置转速为0～800 r/min。取上清液测定水中Mg2+浓度，探究不同搅拌转速对镁硬度的去除效果，设置操作温度为25℃，处理水样1 000 mL，投加NaOH 0.58 g/L，原水中Mg2+浓度148.01 mg/L。

3)反应温度对去除镁硬度的影响

在实验原水中加入足量的NaOH(加入量为镁硬度理论量的105%)，用磁力搅拌器以一定速度进行搅拌，设置不同的反应温度，反应中从第10 min开始取样，每隔10 min取一次样，共反应60 min，取上清液测定水中Mg2+浓度，探究不同反应温度对镁硬度的去除效果，设置操作搅拌强度为500 r/min，处理水样1 000 mL，投加NaOH浓度为5 811 mg/L，原水中Mg2+浓度148.01 mg/L。

4)加药量对去除镁硬度的影响

在实验原水中加入不同量的NaOH(基于NaOH理论量)，用磁力搅拌器以一定速度进行搅拌，实验设置加药量为理论值的0～120%。取上清液测定水中Mg2+浓度，探究不同加药量对镁硬度的去除效果，设置操作温度为25 ℃，处理水样1 000 mL，搅拌时间为40 min，搅拌转速为500 r/min，原水中Mg2+浓度148.01 mg/L。

1.2.2加入Na2CO3除钙

1)反应时间对去除钙硬度的影响

在实验原水中加入足量的Na2CO3(加入量为钙硬度理论量的105%)，其余条件设置同1.2.1(1)，投加碳酸钠92.20 mg/L，原水中Ca2+浓度1 591.71 mg/L。

2)搅拌强度对去除钙硬度的影响

在实验原水中加入足量的Na2CO3(加入量为钙硬度理论量的105%)，其余条件设置同1.2.1(2)，投加碳酸钠92.20 mg/L，原水中Ca2+浓度1 591.71 mg/L。

3)温度对去除钙硬度的影响

在实验原水中加入足量的Na2CO3(加入量为钙硬度理论量的105%)，其余条件设置同1.2.1(3)，原水中Ca2+浓度1 591.71 mg/L。

在实验原水中加入不同量的Na2CO3(基于钙硬度理论量)，其余条件设置同1.2.1(4)，原水中Ca2+浓度1 591.71 mg/L。

1.2.3加入Ca(OH)2降低盐度

在实验原水中加入不同量的Ca(OH)2(基于钙镁硬度以及碱度理论量)，其余条件设置同1.2.1(1)，初始硬度181.21 mg/L。

1)反应时间对去除硫酸根的影响

2)搅拌强度对去除硫酸根的影响

(3)钦州石夹剖面硅质岩微量元素各特征值同样表明，地质界线处硅质岩形成环境属于大陆岛弧与大陆边缘过渡区，其受到热液影响程度经历了先强后弱的变化过程。

3)投加量对去除硫酸根的影响。

表2 具体反应条件

2 结果与分析

2.1 除镁硬度结果与分析

2.1.1反应时间对去除镁硬度的影响

通过向海水中加入化学试剂使海水中的Mg2+沉淀，以降低海水硬度，达到海水软化的目的。室温下Mg(OH)2的溶度积为5.61×10-12(mol3/L3)，因此可以通过生成Mg(OH)2沉淀而去除。加OH-来脱除海水中Mg2+。在pH值≥10.5时，Mg2+以Mg(OH)2的形式沉淀下来。

实验结果显示(见图1)，在反应前30 min，水中的Mg2+浓度迅速降低，Mg2+去除率从10 min时的50%增加到30 min时的63%，随反应时间延长，Mg2+与氢氧根离子结合的越充分；反应40 min后Mg2+去除率趋于平稳，缓慢增加到60 min时的64%，随着沉淀的增加，Mg2+浓度逐渐减小，导致其不易于氢氧根结合生成沉淀，Mg2+去除速率降低。因此，最佳的反应时间为40 min。

图1 反应时间对去除镁硬度的影响示意

2.1.2搅拌强度对去除镁硬度的影响

实验结果显示(见图2)：改变搅拌强度会明显提高对Mg2+去除速率，反应20 min后，有无搅拌且搅拌强度的大小对Mg2+去除率的影响差异较小。搅拌速率超过400 r/min时，反应60min时Mg2+去除率稳定增加至64%；当无搅拌时，反应前20 min Mg2+去除率明显低于有搅拌时的去除率，由于搅拌会使得Mg2+易于与OH-碰撞，生成沉淀。

2.1.3温度对去除镁硬度的影响

如图3所示，当温度为25℃时Mg2+的去除率明显低于其他温度处理下镁去除率，30 min之后去除率增加较快但仍低于其他处理。温度超过30℃时均有较高的去除率，且温度越高镁硬度去除率越高，由于加热时镁易与碳酸根结合，形成水垢，从而去除镁硬度。反应时间越长，镁硬度去除率越高，反应时间超过40 min以后去除率趋于稳定，除镁率超过90%。

图3 反应温度对去除镁硬度的影响示意

2.1.4加药量对去除镁硬度的影响

如图4所示：随NaOH投加量增加，Mg2+去除率先快速增加后逐渐稳定。由于NaOH少量，而Mg2+过量，投加的氢氧化钠会迅速和Mg2+反应，生成沉淀。当NaOH投加量为80 mg/L时Mg2+去除率约为80%。NaOH投加量大于80 mg/L时，Mg2+去除率趋于平稳，所以氢氧化钠最佳投加量为80 mg/L。

图4 NaOH投加量对去除镁硬度的影响示意

2.2 Na2CO3除钙硬度结果与分析

2.2.1反应时间对去除钙硬度的影响

如图5所示，在反应初期，随着反应时间的增加，Ca2+浓度迅速降低，40 min时Ca2+去除率最大，约为65%，这是因为反应时间越长Ca2+和碳酸根反应越充分，使Ca2+去除率升高。反应时间超过40 min，去除效果明显下降。因此，最佳反应时间为40 min左右。

图5 反应时间对去除钙硬度的影响示意

2.2.2搅拌强度对去除钙硬度的影响

各搅拌强度下，反应前45 min，随着时间的增加Ca2+去除率明显增加。搅拌强度为400 r/min时，去除率从5 min时的55%增加至45 min时的70%(见图6)。因为随着时间的增加，Ca2+和氢氧根结合越来越充分，钙硬度去除率越来越高。反应45 min后，钙硬度去除率趋于平稳，反应逐渐达到平衡；有搅拌时钙硬度的去除率明显高于无搅拌时的去除率，因为搅拌使得Ca2+易与碳酸根碰撞，生成沉淀。搅拌强度为400 r/min时效果最好，搅拌强度过大会使得已生成的沉淀悬浮，从而降低钙硬度去除率。

图6 搅拌强度对去除钙硬度的影响示意

2.2.3温度对去除钙硬度的影响

从图7可以看出，随着反应温度升高，Ca2+的去除率逐渐升高，温度为25 ℃时钙硬度的去除率明显低于其他温度时钙硬度的去除率，且温度越高钙硬度去除率越高。因为加热时钙易与碳酸根结合，形成水垢，从而去除钙硬度。就特定的某一温度来说，随着搅拌时间增加，Ca2+去除率上升的趋势越来越小，搅拌时间大约为45 min时去除率基本趋于稳定。

图7 反应温度对去除钙硬度的影响示意

2.2.4加药量对去除钙硬度的影响

实验结果显示(见图8)：当Na2CO3的投加量小于100 mg/L时，加药量越大，Ca2+的去除效果越好，因为此时Na2CO3少量而Ca2+过量，投加的Na2CO3会迅速和Ca2+反应生成沉淀。当加药量为100 mg/L时钙硬度约为0.1 mmpl/L。当加药量超过100 mg/L时钙硬度去除率趋于平稳。

图8 Na2CO3投加量对去除钙硬度的影响示意

2.3 加入Ca(OH)2降低盐度的结果与分析

通常可以加Ca(OH)2调节pH值为9.5左右时，就可以把Ca2+以CaCO3的形式沉淀下来。如图9所示：在本实验的Ca(OH)2加药量条件下，镁去除率约为88%；加药量对于钾离子、氯离子、钠离子以及硫酸根离子的去除率影响不大，当加药量为理论值的120%时，去除率仅为20%左右；对于Ca2+，Ca(OH)2投加量为理论值40%时，钙去除率最高，约为60%。若继续投加Ca(OH)2，钙去除率骤减，甚至达到负值。虽然加入Ca(OH)2对硬度去除效果不理想，但由于Ca(OH)2在水中呈现悬浊状态，在反应形成沉淀的过程中会将部分其他离子如钠、钾离子裹挟随之一起沉降，从而降低溶液的整体浓度。