茍青松　賈德彬　王琪雯　孫既粵　袁澤

摘 要：結(jié)合我國水資源概況，分析苦咸水淡化的意義，根據(jù)苦咸水處理技術(shù)現(xiàn)狀，將傳統(tǒng)的苦咸水處理方法反滲透與濃差電池發(fā)電的電化學(xué)原理有機(jī)結(jié)合，探索出一種新型的苦咸水處理循環(huán)系統(tǒng)，并簡(jiǎn)述該系統(tǒng)的優(yōu)良性與應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：苦咸水 反滲透 濃差電池

中圖分類號(hào)：TK224.21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）05（a）-0056-02

水（H2O）是生物體生存的重要條件，也是生物體最重要的組成部分。它既有利于維持生物體內(nèi)生化反應(yīng)的正常進(jìn)行，也有利于維持生物體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，如果其中含有某些有害物質(zhì)，就會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成危害?？嘞趟且活愐?yàn)榈V化度較高而無法直接利用的劣質(zhì)水資源，其成因多樣，而且分布面積較廣，危害性大，處理過程單一且耗能較大，因此，提高苦咸水處理效果，探索出一種新型的苦咸水處理循環(huán)系統(tǒng)是我們的研究目標(biāo)[1]。

1 苦咸水淡化的意義

要認(rèn)識(shí)苦咸水淡化的意義，必須要了解我國的水資源概況，尤其是苦咸水資源概況。

1.1 我國淡水資源概況

我國淡水資源總量2.8萬億噸，位居世界第六，但由于人口眾多，我國人均水資源量?jī)H為世界人均的1/4，是全球13個(gè)人均水資源最貧乏的國家之一。我國水資源的時(shí)空分布受季風(fēng)氣候的影響，降雨年內(nèi)分配極不均勻，年際變化也很大，我國有300個(gè)城市不同程度缺水，沿海城市也不例外；全國各地幾乎每年都有旱災(zāi)發(fā)生，尤其是北方地區(qū)更甚。據(jù)專家估計(jì)，我國人口將在2030年達(dá)16億，屆時(shí)我國人均水資源量大約為1 700 m3，中國將步入嚴(yán)重缺水行列。缺水已經(jīng)成為制約我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最重要因素之一，每年因?yàn)槿彼绊懝I(yè)產(chǎn)值可達(dá)2 300 億元，為了改變這一現(xiàn)狀，我們不得不在節(jié)約用水的同時(shí)開辟第二水源。

1.2 我國苦咸水概況

苦咸水是一類因?yàn)榈V化度較高而無法直接利用的劣質(zhì)地下水，通常，我們把礦化度≥1.0 g/L的水稱之為苦咸水，又可細(xì)分為微咸水（礦化度1～3 g/L）、半咸水（3～10 g/L）、苦咸水（10～50 g/L）、鹵水（≥50 g/L），其形成與氣候條件、地形地貌、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、人類活動(dòng)等因素有較大關(guān)系[2-3]。

我國苦咸水主要分布在北方、西北干旱內(nèi)陸、東部沿海地區(qū)，各地區(qū)苦咸水可開采量見表1。

由表1可知，我國苦咸水可開采量約200億m3/a，因此，利用苦咸水淡化，以提供安全、可靠的生產(chǎn)、生活用水，是緩解水危機(jī)的主要途徑之一。

2 系統(tǒng)的工作原理

目前，苦咸水的處理方法有反滲透、電滲析、納濾、蒸餾等，但這些大多都是一次工藝，對(duì)苦咸水的利用率不高，因此，為了提高苦咸水處理效果，我們將傳統(tǒng)的苦咸水處理工藝反滲透與濃差電池發(fā)電的電化學(xué)原理有機(jī)結(jié)合，探索出一種新型較高效的苦咸水處理循環(huán)系統(tǒng)。

2.1 反滲透原理

把相同體積的稀溶液和濃液分別置于一容器的兩側(cè)，中間用半透膜阻隔，稀溶液中的溶劑將自然的穿過半透膜，向濃溶液側(cè)流動(dòng)，濃溶液側(cè)的液面會(huì)比稀溶液的液面高出一定高度，形成一個(gè)壓力差，達(dá)到滲透平衡狀態(tài)，此種壓力差即為滲透壓。若在濃溶液側(cè)施加一個(gè)大于滲透壓的壓力時(shí)，濃溶液中的溶劑會(huì)向稀溶液流動(dòng)，此種溶劑的流動(dòng)方向與原來滲透的方向相反，這一過程稱為反滲透（見圖1）。

反滲透是采用膜分離的水處理技術(shù)，與其他水處理方法相比具有無相態(tài)變化、常溫操作、設(shè)備簡(jiǎn)單、效益高、環(huán)保、高脫鹽率（除去90%的可溶性鹽和99%以上的膠體微生物或有機(jī)物）、適應(yīng)水質(zhì)范圍廣的特點(diǎn)，其廣泛應(yīng)用于礦化度高的水的處理。

2.2 濃差電池原理

將濃溶液與稀溶液交替置于極室內(nèi)，其間用具有選擇透過性的陰陽離子交換膜隔開，濃溶液與稀溶液中的陰離子（主要是Cl-）、陽離子（主要是Na+）分別透過陰陽離子交換膜運(yùn)動(dòng)到陰陽極形成穩(wěn)定的電勢(shì)差，陰陽極極室的電中性溶液分別由陰陽極表面的氧化還原反應(yīng)維持，當(dāng)外接負(fù)載時(shí)，電子由陽極到陰極并且形成電流。溶液中的化學(xué)反應(yīng)為：

陽極：2H++2e-=H2↑，OH-+Na+=NaOH

陰極：2Cl--2e-= Cl2↑

反應(yīng)過程中，陰極形成弱酸性溶液，陽極形成弱堿性溶液，電極為鈦涂釕惰性電極，本身不參與化學(xué)反應(yīng)（見圖2）。

2.3 循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

將一定體積的未經(jīng)過處理的高濃度苦咸水通入濃溶液極室，再往電極極室（稀溶液極室）通入少量體積的淡水，濃液極室與電極極室存在較大的離子濃度勢(shì)差，溶液中陰陽離子分別透過陰陽離子交換膜運(yùn)動(dòng)到兩極形成穩(wěn)定的電勢(shì)差，并且通過氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電子得失，外接負(fù)載就有電流產(chǎn)生，濃差電池產(chǎn)生的電能可儲(chǔ)存并利用；將濃差電池反應(yīng)廢液通入水箱，利用水泵通入反滲透裝置濃液裝置（中心圓極室）進(jìn)行進(jìn)一步處理，在濃溶液側(cè)施加一個(gè)大于滲透壓的壓力時(shí)，濃溶液中的溶劑（H2O）會(huì)向稀溶液（外圍圓極室）移動(dòng)，從而達(dá)到進(jìn)一步脫鹽的目的。再將稀溶液一部分通入濃差電池電極極室（不用再往電極極室通入淡水）以供下一個(gè)循環(huán)，另一部分即可排放，由此組成了苦咸水處理循環(huán)系統(tǒng)。

為了便于讀者理解，筆者設(shè)計(jì)了循環(huán)系統(tǒng)裝置如圖3所示。

3 系統(tǒng)的優(yōu)良性

與傳統(tǒng)的苦咸水工藝相比，該系統(tǒng)進(jìn)行了2次濃縮脫鹽，提高了苦咸水處理效果；濃差電池正常發(fā)電，改變了傳統(tǒng)苦咸水處理過程僅耗能不產(chǎn)能的特點(diǎn)，有效降低了處理過程成本；濃差電池發(fā)電過程基本無污染物產(chǎn)生，符合人類對(duì)新能源開發(fā)倡導(dǎo)的綠色理念。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，測(cè)得苦咸水經(jīng)過該系統(tǒng)處理效果如表2所示。

同時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)得發(fā)電單元電壓為2.0 V，電流為11 mA，最大功22 MW，由于濃差電池功率密度與膜面積、苦咸水濃度、離子交換膜性能等多種因素有關(guān)，由于知識(shí)技術(shù)所限，該系統(tǒng)還有許多有待改進(jìn)的地方，隨著技術(shù)進(jìn)一步成熟，該系統(tǒng)的處理效果與發(fā)電量會(huì)進(jìn)一步提高。

4 系統(tǒng)的應(yīng)用前景

該系統(tǒng)利用了鹽差能發(fā)電的原理，結(jié)合苦咸水淡化，可以應(yīng)用于任何富含離子濃度勢(shì)差的廢水處理，如火力發(fā)電廠廢水、海水淡化等。

參考文獻(xiàn)

[1] 王菁，孟祥周，陳玲，等.苦咸水成因及其淡化技術(shù)研究進(jìn)展[J].甘肅農(nóng)業(yè)科技，2010（7）：39-42.

[2] 呂建國.苦咸水技術(shù)研究進(jìn)展[J].全國苦咸水淡化技術(shù)研討論文集，2013（5）：106-109.

[3] 宋序彤，印明善.苦咸水淡化太陽能和電滲析淡化法[M].北京科學(xué)出版社，1983.