污水、廢水酸堿鹽中和器的研制

顏朝霞 陳紅蕾

摘要：中和反應(yīng)是利用酸堿中和劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)使樣品顯中性。然而，酸堿中和劑的加入導(dǎo)致多離子污染，增加鹽離子濃度，對(duì)檢測(cè)分析造成很大干擾。本項(xiàng)目研制的中和器，可以不添加試劑材料，不更換零部件，通過(guò)電流控制，應(yīng)用在線再生，實(shí)現(xiàn)中和—除鹽的目的，將酸堿鹽水中和轉(zhuǎn)化成為中性水。

關(guān)鍵詞：中和;電滲析;在線再生;離子交換膜

中圖分類(lèi)號(hào)：X703.3

0?? 引言

近年來(lái)，由于工業(yè)現(xiàn)代化飛速發(fā)展，人民生活水平日益提高，同時(shí)造成的問(wèn)題是每天產(chǎn)生批量的工業(yè)廢水和生活污水，由此帶來(lái)的后果是廢水、污水處理問(wèn)題日顯突出。將未被處理的廢水、污水直接排放，則土壤、耕地、江河湖海等環(huán)境被污染、破壞，帶來(lái)生物死亡甚至物種滅絕等嚴(yán)重的問(wèn)題。從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等方面出發(fā)，廢水、污水的有效處理至關(guān)重要。

1?? 設(shè)計(jì)原理及構(gòu)成

本項(xiàng)目擬采用電滲析技術(shù)達(dá)到中和除鹽的目的，利用大容量膜控制電流，節(jié)省時(shí)間，減少材料耗損，從而實(shí)現(xiàn)了在線再生，持續(xù)使用，應(yīng)用中沒(méi)有任何耗材、無(wú)需更換任何配件。能夠?qū)⑺釅A度、鹽度很高的液體中和成為中性水。

中和器的工作原理是中和器被離子交換膜分隔為中間的中和室和兩邊的兩個(gè)再生室，在中和器的陰陽(yáng)兩極加0-200mA的電流，陽(yáng)極再生室內(nèi)的水被分解成H⁺離子和O₂，同時(shí)陰極再生室的水被分解成OH^-根和H₂，陽(yáng)極再生室的H⁺離子在電流的作用下穿過(guò)離子膜進(jìn)入中和室，和中和室內(nèi)的OH^-離子結(jié)合成水從廢液流出中和室，而中和室內(nèi)的Na⁺離子在陰極的吸引下穿過(guò)離子膜進(jìn)入陰極再生室，從廢液流出。電流的大小視樣品pH值及樣品出口pH值確定，電流大小通過(guò)可調(diào)恒流電源調(diào)節(jié)和控制。

2?? 中和器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及研制

2.1 中和器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

從電滲析原理出發(fā)，查閱大量資料，經(jīng)多次設(shè)計(jì)論證，設(shè)計(jì)出以選擇性滲透膜間隔的，具有一個(gè)中和室和兩個(gè)再生室的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，死體積小，流路合理的中和器。圖1是中和器的原理圖，通過(guò)樣品液體與再生液相反的流向以達(dá)到最佳的中和效果。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)中和裝置的具體結(jié)構(gòu)，包括中和器夾板、電極、密封層、流路等。繪制各部件的加工圖：首先繪制三維立體效果圖，然后輸出二維平面圖，包括系統(tǒng)全圖、中和裝置結(jié)構(gòu)圖、系統(tǒng)外觀設(shè)計(jì)圖、原理圖、零件圖等。三維圖利于評(píng)價(jià)和理解整個(gè)系統(tǒng)，二維圖用于加工制作。

圖2是中和器模擬結(jié)構(gòu)圖，包括兩端固定夾板、陰陽(yáng)電極、均相陰陽(yáng)離子交換膜、中和室隔離板。兩端夾板設(shè)計(jì)能安裝電極的凹槽，組成再生室，陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂填充在再生室和中和室。通過(guò)純凈水電解產(chǎn)生的H+離子和OH-離子結(jié)合離子交換膜來(lái)中和酸或堿。

2.2 離子交換膜的選擇、電極的定制

通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)選擇合適的材料，并不是所有的材料都是可用的，在工作中不斷與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行比對(duì)，以達(dá)到合理的選材。比如哪種材料可以耐受有機(jī)溶劑、哪種膜壽命更長(zhǎng)、哪種電極更耐腐蝕等。

經(jīng)多次市場(chǎng)調(diào)研篩選，試驗(yàn)測(cè)試確定，最終選擇離子交換膜采用選擇性滲透均相陽(yáng)離子交換膜，電極定制為鈦電極（如圖3所示）。

2.3 中和器加工

按設(shè)計(jì)圖紙要求，通過(guò)機(jī)械加工來(lái)完成所需要的部件，這樣加工的速度比較快，可靈活更改。

（1）材料選擇

主要的機(jī)械加工部分是夾板，開(kāi)始選擇的是PEEK材料，在加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)PEEK材料雖然在機(jī)械性能及耐腐蝕性能方面非常好，但是在試制過(guò)程中需要觀察液體真正流路，而PEEK不透明不利于觀察，且材料成本較貴，經(jīng)過(guò)比對(duì)材料的性能，選擇了透明有機(jī)玻璃作為加工材料，不僅透明易于觀察且耐腐蝕性能也可以滿足使用要求，但機(jī)械性能稍差，最后確定使用有機(jī)玻璃板外再加2mm的不銹鋼板增加機(jī)械強(qiáng)度。

（2）試制過(guò)程

此環(huán)節(jié)包括大量工作，很多需要經(jīng)過(guò)條件試驗(yàn)來(lái)確定最終的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)的抑制容量和結(jié)構(gòu)，在實(shí)際安裝使用過(guò)程中出現(xiàn)了加工難度大、偏離設(shè)計(jì)要求等情況，實(shí)驗(yàn)測(cè)試中根據(jù)測(cè)試結(jié)果及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，逐步完善。關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括：死體積、有效膜面積、電極大小、中和電流大小、中和室厚度、內(nèi)部流路設(shè)計(jì)等。

試制過(guò)程中大量的工作是反復(fù)試裝及加工，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)個(gè)細(xì)節(jié)的改進(jìn)、優(yōu)化，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而成品中和器又容量不足、壓力偏高。歷經(jīng)了3代產(chǎn)品，試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列。

由表1可以看出：

第一代產(chǎn)品：測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)可以達(dá)到中和的效果，可是容量不夠，在1.0mL/min的流速，200mA電流下，只能中和到60mM的氫氧化鈉，這樣的容量不能滿足實(shí)際需要，所以對(duì)中和器交換面積做了調(diào)整。

第二代產(chǎn)品：將中和室膜面積增加了一倍，離子交換樹(shù)脂，采用300-400目的大容量離子交換樹(shù)脂，同等條件下中和容量提高到了原來(lái)的2.5倍，可是因?yàn)闃?shù)脂粒度小，中和器內(nèi)部流路管徑小（0.5mm）等原因，中和器壓力偏高，大約在1.5Mpa左右。

第三代產(chǎn)品：在不影響容量的前提下將樹(shù)脂粒度調(diào)整為200目，流路管徑調(diào)整為1.5mm，并且對(duì)電極室的間距做了調(diào)整，現(xiàn)在的容量已經(jīng)可以中和200mM的氫氧化鈉。

中和器的容量受三個(gè)因素的影響，分別是流速、電流、膜有效交換面積，膜的有效交換面積與電極大小有關(guān)，所以這個(gè)是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)已經(jīng)固定的參數(shù)，那么在測(cè)試過(guò)程中容量就只與電流和流速有關(guān)了。我們的測(cè)試方法有兩種：一是固定堿溶液濃度和流速，測(cè)試能夠完全中和的最小電流，這個(gè)電流與容量成反比，即容量越大電流越小。二是固定流速和電流，變化堿溶液濃度，能中和的堿溶液濃度越大則中和器的容量越大。在給中和器連續(xù)輸送NaOH時(shí)，NaOH溶液與中和器達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所列。

3?? 結(jié)果與討論

由表2可以看出同一中和器：

電流=濃度×流速×系數(shù)（系數(shù)是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，根據(jù)多次不同濃度流速下的電流計(jì)算出來(lái)的）

在電流相同的情況下，流速越小，中和能力越強(qiáng);

在流速相同的情況下，電流越大，中和能力越強(qiáng);

在流速最小，電流最大時(shí)，中和能力最強(qiáng)。

選擇離子交換膜采用選擇性滲透均相陽(yáng)離子交換膜、電極定制為鈦電極、使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)中和器的兩板夾緊結(jié)構(gòu)，由于用螺栓固定，有機(jī)玻璃板較軟，長(zhǎng)時(shí)間壓緊后螺栓及帽會(huì)嵌入有機(jī)玻璃而使用螺栓不能有效夾緊。所以我們?cè)趦蓪佑袡C(jī)玻璃外側(cè)又增加了兩塊2mm的不銹鋼板以增加強(qiáng)度。

項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)在于設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，易于制造、經(jīng)久耐用、不用任何化學(xué)試劑，整個(gè)工作過(guò)程中只用到水，是適合我國(guó)國(guó)情的真正綠色無(wú)污染項(xiàng)目，且操作簡(jiǎn)便，應(yīng)用前景好。項(xiàng)目的目的旨在推動(dòng)和促進(jìn)廢水、污水的處理和再生回用的發(fā)展，為我國(guó)的資源再利用和環(huán)境保護(hù)工作提供必要的技術(shù)支持和保障。

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顏朝霞（1968—），女，漢族，甘肅蘭州人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：化工產(chǎn)品研發(fā)與檢測(cè)檢驗(yàn)。

通訊作者：陳紅蕾（1965—），女，漢族，陜西西安人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：機(jī)械研究。