鎂離子對脫硫廢水電解-電滲析過程的影響

北極星環(huán)保網(wǎng)訊:石灰石-石膏濕法脫硫工藝是應用最廣泛的煙氣脫硫技術(shù),該工藝運行過程中會產(chǎn)生一定量的脫硫廢水,脫硫廢水中富集的氯離子會導致漿液的腐蝕性增加并且難以用常規(guī)的處理方法除去。電解-電滲析法是一種有前景的資源化處理方式,但是脫硫廢水中的鎂離子會影響系統(tǒng)的可靠運行。本文采用三室兩膜電解裝置以及不同鎂離子濃度的CaCl2與MgCl2的混合溶液模擬實際的脫硫廢水,進行了Mg2+對電解-電滲析影響的實驗研究。

實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),Mg2+濃度的增加會導致pH難以上升、槽電壓升高及電耗增加等不利因素。脫硫廢水中的Mg2+濃度大于0.179mol/L時,則需在電解前用化學沉淀法或其他合適方法控制Mg2+濃度以保證電解-電滲析系統(tǒng)的可靠運行。

石灰石-石膏濕法脫硫工藝是火力發(fā)電廠應用最為普遍的煙氣脫硫技術(shù),其工藝成熟、脫硫效率高、對煤種的適應性好、運行穩(wěn)定。該工藝運行過程中,煙氣中所含的HCl、工藝水中的氯離子和脫硫劑中的氯離子不斷進入脫硫漿液且逐漸富集,會增加漿液的腐蝕性,腐蝕類型主要為點蝕,同時還會影響石膏的品質(zhì)及石灰石的溶解度,最終影響脫硫效率。

因此為了使脫硫系統(tǒng)能夠在安全穩(wěn)定狀態(tài)下運行并保持較高的脫硫效率,需要排出一定量的廢水,即脫硫廢水。脫硫廢水水質(zhì)成分非常復雜,主要包含懸浮物、氯化物、高濃度的亞硫酸鹽、氟化物、硫酸鹽以及微量的重金屬離子(Hg、As、Cr、Ni、Pb等)],因此需將脫硫廢水進行處理后排放或回用。

脫硫廢水常規(guī)處理方法主要有化學沉淀法、將脫硫廢水排至除灰系統(tǒng)法、蒸發(fā)濃縮法以及膜分離技術(shù)。

化學沉淀法是應用最為普遍的廢水處理工藝,由于目前沒有合適藥劑能夠去除其中所含的Cl-,因此經(jīng)過該工藝處理后的廢水中的含鹽量(主要為氯鹽)依然很高,所以該工藝處理后的廢水一般很難回收利用,且若直接排放將對環(huán)境造成污染;將脫硫廢水排至除灰系統(tǒng)法中,其中含有的重金屬物質(zhì)和酸性物質(zhì)會與灰中的CaO反應生成固體物質(zhì)而除去,但是脫硫廢水的排入會造成除灰系統(tǒng)中氯離子逐漸增多,會加劇設(shè)備的腐蝕,從而影響系統(tǒng)的正常運行;

蒸發(fā)濃縮法可以實現(xiàn)固液分離,系統(tǒng)流程簡單,蒸發(fā)回收水水質(zhì)較好;但是該工藝具有較高的投資成本,在實際工程中的應用會受到限制;膜分離技術(shù)由于膜對進水水質(zhì)有特殊要求,進水需要進行預處理后才可以進入膜反應系統(tǒng),主要包含濁度、結(jié)垢物質(zhì)、COD等,系統(tǒng)比較復雜,無法實現(xiàn)廢水的完全回收]。

近年來,電解-電滲析技術(shù)在國內(nèi)外廢水處理中得到廣泛運用,具有效率高、占地少、裝置緊湊以及造價低等優(yōu)點。根據(jù)現(xiàn)有文獻指出目前廢水的電解-電滲析的應用及研究主要有以下6個方面:

①廢水中重金屬離子在電解反應器中通過電解的方法達到回收和去除的目的;②利用電解絮凝法對難生化降解廢水的處理;③水的殺菌和消毒;④電解法與其他方法相結(jié)合處理廢水;⑤電解反應器不同結(jié)構(gòu)形式的研制;⑥對新型高效陽極材料的進一步研制。

雖然電解-電滲析技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域的應用已經(jīng)日漸成熟,但是目前尚未見到利用電解-電滲析的方法處理濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中氯離子的相關(guān)報道。由于脫硫廢水經(jīng)過預處理之后所含的物質(zhì)主要為氯鹽,并以離子的形式存在于溶液中。

根據(jù)電化學反應原理,離子在電場力的作用下能夠進行遷移及放電并發(fā)生化學反應,因此鑒于上述常規(guī)方法在去除脫硫廢水中氯離子的有效性、可靠性和經(jīng)濟性方面存在難題,本文作者課題組基于對電解-電滲析技術(shù)的研究,提出一種利用電解-電滲析技術(shù)處理濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中氯離子的方法。

該方法的機理為:脫硫廢水中的氯離子在電場力的作用下遷移到陽極板處放電生成氯氣并可以回收利用;脫硫廢水中的鈣離子在電場力的作用下遷移到陰極室與陰極板處電解產(chǎn)生的氫氧根結(jié)合形成氫氧化鈣溶液并可以通入脫硫系統(tǒng)中進行回用,從而避免了脫硫廢水的排放。

本文作者課題組在前期研究發(fā)現(xiàn),如果電解槽的結(jié)構(gòu)為兩室一膜時,若采用陽離子交換膜且兩室溶液均為CaCl2溶液,則生成的氯氣易溶于溶液中又形成一部分Cl-,從而會使Cl-的脫除效率降低;若采用陰離子交換膜,Cl-穿過膜的同時陰極室電解產(chǎn)生的OH-也會穿過,從而會影響Cl-的遷移及脫除效率。

因此為了有效避免以上現(xiàn)象的發(fā)生,本文作者課題組最終采用三室兩膜電解槽裝置,并以氯化鈣溶液模擬脫硫廢水完成了電流密度、電解液濃度以及陽離子膜種類對電解-電滲析的影響探究和經(jīng)濟性的初步估算,并得到了良好效果。

在前期研究中發(fā)現(xiàn),由于脫硫廢水中含有一部分Mg2+,Mg2+的存在會對電解過程中電解液的pH、槽電壓及電耗造成一定的影響。然而已有文獻缺乏對這一影響的量化描述,無法判斷這一影響因素對電解-電滲析技術(shù)應用于處理脫硫廢水可靠性的影響,因此本文作者通過實驗研究了Mg2+對電解過程中的pH、槽電壓及電耗的影響規(guī)律,為電解-電滲析技術(shù)應用于處理脫硫廢水提供一定的參考價值。

1實驗裝置與方法

1.1實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。三室電解槽的中間室與陰極室由一張陽離子交換膜隔開,中間室與陽極室由一張陰離子交換膜隔開,所用離子膜由北京廷潤膜技術(shù)有限公司生產(chǎn)。離子膜有效面積為64cm2,陰陽極板材料分別為純Ti和鈦基釕-銥-鈦涂層,陰陽極板間距為10cm。為使電解液混合均勻,實驗中每個極室的電解液采用攪拌器進行攪拌。

1.2實驗方法

實驗中的電解液采用不同Mg2+濃度的CaCl2與MgCl2的混合溶液來模擬實際的脫硫廢水。根據(jù)氯離子守恒可以得到不同Mg2+濃度的CaCl2與MgCl2混合溶液中各組分的含量,如表1所示,其中Mg2+濃度用Cm表示。

實際電解過程中,將脫硫廢水加入到陰極室與中間室,稀鹽酸加入到陽極室。中間室的脫硫廢水中的Cl-在電場力的作用下穿過陰離子膜到達陽極室,在陽極板上以氯氣的形式析出;中間室的脫硫廢水中的Mg2+在電場力的作用下穿過陽離子膜到達陰極室,陰極室發(fā)生析氫反應,產(chǎn)生OH-。

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