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      雙極膜法處理硝酸鈉制酸堿


      一、設計條件
      1.1進水水質
      待處理廢水中主要鹽分是硝酸鈉,日處理量85m3/d,10%。

      廢水主要成分是硝酸鈉,含量10%(以100g/L計),鹽濃度較高,可以直接使用雙極膜電滲析(BPED)進行酸堿制備。

      料液中其他成分未知,對BPED系統影響不好判斷。進BPED系統需滿足以下進水條件:

      1)濁度:≤1mg/l

      2)COD:≤50mg/l

      3)鐵、錳含量:≤0.3mg/l

      4)其他高價金屬陽離子總量:≤1mg/L

      5)石油類、油脂類等非水溶性物質:≤0.1mg/L

      6)水溫:5~40℃。

      1.2出水水質
      A. 設計均相膜電滲析淡鹽水含鹽量約2%,均相膜電滲析濃鹽水含鹽量約15%;

      B. 設計雙極膜電滲析產出的堿液NaOH濃度約6%;

      C. 設計雙極膜電滲析產生的酸液HNO3濃度約5%;

      D. 設計雙極膜電滲析產出的鹽水出水濃度:5%;

      E. 設計反滲透系統產水含鹽量小于500mg/L。

      二、工藝方案
      2.1 均相膜電滲析工藝簡介
      電滲析(ED,Electrodialysis)是指在直流電場的作用下,溶液中帶電離子定向遷移,選擇性透過離子交換膜并得以去除的一種膜分離技術。以電位差為推動力,利用陰、陽離子交換膜對陰、陽離子的選擇透過性,使離子從一部分水中遷移到另一部分水中的物理化學過程??蓪崿F苦咸水或海水的淡化、鹽濃縮,有機物溶液脫鹽精制等。原理如圖1所示:
       
      圖1 均相膜電滲析工作原理圖

      電滲析膜組器由隔板、離子交換膜、電極、夾緊裝置等主要部件組成。離子交換膜對不同電荷的離子具有選擇透過性。陽膜只允許通過陽離子,阻止陰離子通過;陰膜只允許通過陰離子,阻止陽離子通過。在外加直流電場的作用下,水中離子作定向遷移。由于膜組器是由多層隔室組成,故淡室中陰陽離子遷移到相鄰的濃室中去,從而使含鹽水淡化。

      2.2 雙極膜電滲析工藝簡介
      雙極膜是一種新型的離子交換復合膜 , 它通常由陽離子交換層 (N 型膜) 、界面親水層 ( 催化層) 和陰離子交換層 ( P 型膜) 復合而成 , 是真正意義上的反應膜。在直流電場作用下 , 雙極膜可將水離解 ,在膜兩側分別得到氫離子和氫氧根離子。利用這一特點 , 將雙極膜與其他陰陽離子交換膜組合成的雙極膜電滲析系統 , 能夠在不引入新組分的情況下將水溶液中的鹽轉化為對應的酸和堿, 這種方法稱為雙極膜電滲析法。雙極膜電滲析法不僅用于制備酸和堿,若將其與單極膜巧妙地組合起來 , 能實現多種功能并可用于多個領域。

      硫酸鈉進入鹽室時,在直流電場作用下,硫酸根離子通過陰膜遷移至酸室,遇到雙極膜的陽膜面,由于陽膜面帶負電,所以硫酸根離子無法繼續遷移,留在酸室,跟雙極膜陽膜面分解出的氫離子結合生成硫酸。雙極膜的陰膜面在直流電場的作用下,不斷分解出氫氧根離子,在堿室跟鈉離子結合,生成氫氧化鈉。最終硫酸鈉通過雙極膜電滲析實現了鹽轉化為硫酸和氫氧化鈉。
       
      圖2 雙極膜電滲析的工作原理

       
      2.3 工藝流程
      該項目硝酸鈉溶液使用雙極膜電滲析裝置制備酸液和堿液的建議處理流程如圖3所示:
       
      圖3  硝酸鈉制備酸液堿液的處理流程圖

      硝酸鈉溶液經過預處理系統處理后先進入雙極膜電滲析裝置制酸堿,產生質量分數約5%的硝酸溶液、質量分數約6%的氫氧化鈉溶液和質量分數約3-5%的淡鹽水(硝酸鈉溶液),淡鹽水進入電滲析系統濃縮,ED濃水濃縮到質量分數約10-15%進入后雙極膜電滲析BPED系統制備酸堿,ED淡水進入反滲透系統脫鹽。反滲透系統產水外排。反滲透濃水返回前端電滲析系統繼續濃縮。

      2.4 雙極膜電滲析工程計算
      硝酸鈉溶液用均相膜電滲析濃縮和雙極膜電滲析制備酸堿的質平衡圖如圖4所示
       
      圖4  硝酸鈉制備酸液堿液的水質平衡圖

      說明:

      1、廢水的處理采用BPED+ED結合的處理工藝。原水質量分數約10%,流量85m3/d,預處理后進入雙極膜電滲析BPED系統進行制酸堿,淡鹽水進入ED進行濃縮,水量約120.82m3/d。

      2、ED濃縮濃水質量分數≥10%,流量約35.82m3/h進入雙極膜電滲析系統的鹽室制備硝酸溶液和氫氧化鈉溶液。ED淡水質量分數1%,進入反滲透系統繼續脫鹽。

      3、設計反滲透系統脫鹽率≥95%,產水率約65%,則反滲透系統產水TDS≤500mg/L,水量約85m3/d,可以回用。RO濃水TDS約27600mg/L,水量約45.77m3/d,返回前端電滲析系統繼續濃縮。

      4、均相膜電滲析ED系統的脫鹽量約為2620kg/d,脫鹽率為59.6%,需要使用2臺TRHE-JACM-12060/200的均相膜電滲析膜堆。

      5、BPED系統的轉化鹽量為8500kg/d,生成純堿約3980kg/d,生產純酸6268.5kg/d。即雙極膜電滲析裝置每小時生成質量分數6% NaOH 溶液約66.33m3;生成質量分數5% HNO3溶液約125.37m3和質量分數3%NaNO3溶液約120.82m3/d。雙極膜電滲析系統共需要去離子水約191.7m3/d,需要使用33臺TRHB-JABCM-8040/60的雙極膜電滲析膜堆。

      三、 電氣設計負荷及設備
      本項目為三級供電負荷。進線電源由業主提供引至本系統的低壓進線柜中,低壓進線柜電壓等級為AC380V,負荷如表2所述。
      2均相膜電滲析與雙極膜電滲析單元負荷表

      序號

        

      總功率(kW

      運行功率(kW

      工作時間(h/d)

      每日耗電(Kwh

      1

      ED高頻電源

      60

      31.325

      20

      626.522

      2

      BPED高頻電源

      475.2

      438.859

      20

      8777.174

      3

      ED1濃淡水泵

      3

      2.4

      20

      48

      4

      ED1極水泵

      0.75

      0.5

      20

      10

      5

      ED清洗水泵

      1.5

      1.2

      2

      2.4

      6

      BPED酸鹽堿水泵

      13.5

      10.8

      20

      216

      7

      BPED極水泵

      4.5

      3.6

      20

      72

      8

      BPED清洗水泵

      2.2

      1.5

      2

      3

      9

      裝機功率

      561.45 KW

      10

      運行功率

      490.825 KW

      11

      日運行耗電

      9761.5 KW


      四、項目公共工程條件
      1、用戶需提供水源:自來水、冷卻循環水,水溫≤20℃,電滲析冷卻循環水用量約45m3/h;

      2、室內平地,混凝土地面,均相膜堆及附屬區域占地面積20m2左右,雙極膜膜堆占地面積120m2左右,有排污溝槽;配電控制室占地60m2以上。

      3、本項目為三級供電負荷。進線電源由業主提供引至本系統的低壓進線柜中,低壓進線柜電壓等級為AC380V,用戶提供電力規格:三相五線制;

      4、動力電源:380VAC ,50Hz ,三相+N+PE,接地系統為TN-C-S接地系統;低壓電動機控制回路:220VAC,50Hz。

      5、配電室考慮高頻開關電源散熱,需要控制室溫,考慮通風散熱;

      6、工作環境需控制在-10~40℃,工作水溫控制在5~35℃;

      7、儀表用氣,壓力0.5-0.6MPa;

      8、需方負責照明、消防、通訊、避雷等建設。

      五、電滲析及雙極膜電滲析主要設備清單

      序號

      設備名稱

      設備名稱

      規格型號

      材質

      單位

      數量

      備注

       
       

      一、雙極膜電滲析系統

       

      1

      容器類

      原水箱

      10m3

      PP/PE

      1

       

       

      鹽水箱

      5m3

      PP/PE

      1

       

       

      酸水箱

      5m3

      PP/PE

      1

       

       

      堿水箱

      10m3

      PP/PE

      1

       

       

      極水水箱

      2m3

      PP/PE

      1

       

       

      清洗水箱

      1m3,2m3

      PP/PE

      2

       

       

      酸儲箱

      10m3

      PP/PE

      1

       

       

      堿儲箱

      10m3

      PP/PE

      1

       

       

      淡鹽水儲箱

      10m3

      PP/PE

      1

       

       

      2

      輸送泵

      原水泵

      Q=5m3/h,H=20m

      FRPP

      1

       

       

      鹽水循環泵

      Q=15m3/h,H=15m

      FRPP

      3

       

       

      酸循環泵

      Q=15m3/h,H=15m

      FRPP

      3

       

       

      堿循環泵

      Q=15m3/h,H=15m

      FRPP

      3

       

       

      極水泵

      Q=15m3/h,H=15m

      FRPP

      3

       

       

      酸外供泵

      Q=6m3/h,H=20m

      FRPP

      1

       

       

      堿外供泵

      Q=6m3/h,H=20m

      FRPP

      1

       

       

      清洗水泵

      Q=20m3/h,H=20m

      FRPP

      1

       

       

      3

      保安過濾器

      精密過濾器

      1um,15m3/h

      FRP

      24

      每路11

       

      4

      換熱器

      板式換熱器

      5m2

      SS316

      6

      堿,極液

       

      板式換熱器

      5m2

      3

       

       

      5

      電滲析器

      BPED

      JRHE-JABCM-8040/60

      組合件

      33

       

       

      7

      儀表

      在線電導率1

      0~200ms/cm

      組合件

      4

      極水,鹽水

       

      在線電導率2

      0-500ms/cm

      組合件

      6

      酸,堿

       

      液位計

      0~3m

      組合件

      9

       

       

      電磁流量計

      0~50m3/h,輸出4~20mA信號

      組合件

      3

       

       

      轉子流量計

      0~3m3/h,

      組合件

      1

       

       

      壓力表

      0~4kg/cm2,0~2kg/cm2,徑向隔膜式

      PP

      1

       

       

      溫度計

      0~100

      組合件

      1

       

       

      8

      管閥件

      氣動閥門

      DN80,50

       

      1

      選用,自控系統時用

       

      隔膜閥

      DN20

      UPVC  

      1

       

       

      其他管閥件

      DN80-20

      1

       

       

      9

      電氣控制

      高頻開關電源

      14.4kw

      組合件

      33

       

       

      PLC自控系統

      含工控機、PLC控制系統(含軟件)、總進線柜、就地柜、電氣控制柜、動力電纜、信號電纜、橋架等

      組合件

      1

      可選手動控制系統

       

      10

      五金件

       

      機架,底座,托盤,支架等

       

      1

       

       

      二、濃縮電滲析系統

       

      1

      容器類

      淡水箱

      10m3

      PP/PE

      1

       

       

      濃水箱

      2m3

      PP/PE

      1

       

       

      極水水箱

      0.2m3

      PP/PE

      1

       

       

      清洗水箱

      0.5m3

      PP/PE

      1

      可與雙極膜的共用

       

      2

      輸送泵

      濃水泵

      Q=10m3/h,H=20m

      FRPP

      1

       

       

      淡水泵

      Q=10m3/h,H=20m

      FRPP

      1

       

       

      極水泵

      Q=6m3/h,H=20m

      FRPP

      1

       

       

      清洗泵

      Q=20m3/h,H=20m

      FRPP

      1

       

       

      3

      保安過濾器

       

      1um

      FRP

      3

       

       

      4

      換熱器

      板式換熱器

      5m2

      Ti

      2

      濃水,極水

       

      5

      電滲析器

      ED

      TRHE-JACM-15W-12060/200

      組合件

      2

       

       

      6

      儀表

      在線電導率

      0~200ms/cm,

      組合件

      3

      濃淡極

       

      轉子流量計

      0~5m3/h,0~16m3/h

      組合件

      4

       

       

      壓力表

      0~4kg/cm2,0~2kg/cm2,徑向隔膜式

      PP

      4

       

       

      溫度表

      0~100

      組合件

      2

       

       

      7

      管路系統

      氣動閥

      DN50

      UPVC  

      1

       

       

      隔膜閥

      DN50,DN20

      UPVC

      4

       

       

      其他管路管件

      DN50-20

      1

       

       

      8

      電氣控制

      高頻開關電源

      130kw

      組合件

      2

       

       

      控制系統

      PLC控制系統,電氣柜、動力電纜、信號電纜、橋架等

      組合件

      1

       

       

      六、經濟性分析(參考信息)
      每天運行時間按20h計,年運行天數按330天計,均相膜電滲析和雙極膜電滲析的經濟運行分析如表3所示。

      表3 均相膜電滲析和雙極膜電滲析的初步經濟運行分析
      雙極膜電滲析項目 單位 經濟指標 備注
      廢水處理規模 m3/d 85  
      電耗 總裝機功率 Kw 496.2  
      運行功率 Kw 455.399  
      BPED噸水耗電 kwh/m3 106.760 折算至原水
      年電費用 萬元/年 179.677 330d/a
      單位運行電費 元/噸水 64.056 電價按0.6元/度計
      膜及耗材更換費用 年更換費 萬元/年 142.56 雙極膜2年,陰陽膜以5年計
      噸水換膜費用 元/噸水 50.824  
      總運行消耗費用 年總運行費用 萬元/ 322.237  
      單位運行費用 /噸水 114.88  
      酸堿價值 產堿量 kg/d 3980  
      噸水堿價值 元/噸水 163.88 堿折百3500元/t
      產酸量 kg/d 6269.5  
      噸水酸價值 元/噸水 125.39 酸折百1700元/t
      酸堿噸水價值 元/噸水 289.27  
      年價值 萬元/年 811.402  
      盈利 萬元/ 489.165  
      噸水 元/噸水 174.39 產出-消耗
       
       
      電滲析項目 單位 經濟指標 備注
      廢水處理規模 m3/d 85  
      電耗 總裝機功率 Kw 65.25  
      運行功率 Kw 35.426  
      ED噸水耗電 kwh/m3 8.08 折算至原水
      年電費用 萬元/年 13.599 330d/a
      單位運行電費 元/噸水 4.848 電價按0.6元/度計
      膜及耗材更換費用 年更換費 萬元/年 6.4 陰陽膜以5年計
      噸水換膜費用 元/噸水 2.282  
      總運行費用 年總運行費用 萬元/ 20  
      單位運行費用 /噸水 7.13  
       
       
      說明:該表是針對該水質情況的初步經濟運行分析數據,供用戶參考。
       
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