基于双极膜电渗析的矿井浓盐水资源化处理工艺研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0129

摘要/Abstract

摘要：

双极膜电渗析（BMED）工艺能够将矿井水膜浓缩系统产生的浓盐水转化为酸和碱，从而实现浓盐水的资源化处理。BMED系统的运行能耗较高，且其性能与系统的初始酸/碱浓度、电解质质量分数以及电流密度等参数密切相关，有必要对其进行优化研究，以降低系统运行成本。以某矿井水零排放处理系统产生的纳滤（NF）浓盐水和碟管式反渗透（DTRO）浓盐水为研究对象，采用BMED小试装置研究了不同初始酸/碱浓度、电解质质量分数以及电流密度工况下，BMED系统运行电压、酸/碱浓度、电流效率等变化情况。实验结果表明，实验条件下处理浓盐水，当初始酸/碱浓度为0.1 mol/L左右时，BMED产生的酸/碱浓度最高；BMED装置产生酸/碱的速度与电解质质量分数有关，电解质质量分数较低的工况下酸/碱浓度增加较快；此外，产生酸/碱的速度与电流密度呈正相关，而电流效率与电流密度呈负相关。对于NF浓盐水的处理，在初始酸/碱浓度为0.1 mol/L左右、电流密度控制在21 mA/cm²时经济性最高。此外，根据BMED系统的运行参数进行浓盐水资源化处理的成本收益测算，结果表明，采用双极膜电渗析工艺处理NF浓盐水的运行成本低于DTRO-蒸发结晶工艺，具有经济可行性。

关键词: 矿井浓盐水, 资源化处理, 双极膜电渗析, 经济分析

Abstract:

The bipolar membrane electrodialysis（BMED） process can transform the concentrated brine produced by the mine water membrane concentration system into acid and alkali，so as to realize the resource treatment of concentrated brine. The operating energy consumption of BMED is high，and its treatment performance is closely related to the initial acid/base concentrations，electrolyte concentration and current density of the system. So，it is necessary to study and optimize the operating parameters to reduce the operating cost of the system. In this paper，nanofiltration（NF） concentrated brine and disctube reverse osmosis（DTRO） concentrated brine produced by a zero discharge treatment system of mine water as research objects，the operating voltage，initial acid/base concentrations and current efficiency of the BMED were studied by using a bipolar membrane electrodialysis pilot system under different initial acid/base concentrations，electrolyte mass fractions and current densities. The experimental results showed that，for the treatment of concentrated saline，when the initial acid/base concentration was about 0.1 mol/L，the acid/base concentration produced by BMED was the highest. The rates of acid/alkali production in BMED devices was related to the electrolyte mass fraction，and the acid/alkali concentration increased rapidly under low electrolyte mass fraction conditions. In addition，the speed of acid and base generation in the BMED was positively correlated with the current density，while the current efficiency was negatively correlated with the current density. For the treatment of NF concentrated brine，the highest economic efficiency was achieved when the initial acid and base concentrations were both about 0.1 mol/L and the current density was controlled at 21 mA/cm². In addition，according to the operation parameters of the BMED，the cost and benefit of the concentrated brine resource treatment were calculated. The results showed that the operation cost of the BMED process for NF concentrated brine was lower than that of the DTRO-evaporation crystallization process，and it was economically feasible.

Key words: mine high-salinity water, resourceful treatment, bipolar membrane electrodialysis, economic analysis

中图分类号:

晋银佳, 王绍曾, 郭栋, 尤良洲, 衡世权. 基于双极膜电渗析的矿井浓盐水资源化处理工艺研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(3): 104-111.

Yinjia JIN, Shaozeng WANG, Dong GUO, Liangzhou YOU, Shiquan HENG. Study of mine concentrated brine water treatment technology based on bipolar membrane electrodialysis[J]. Industrial Water Treatment, 2024, 44(3): 104-111.

https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I3/104

图/表 12

表1 实验原水水质分析结果

Table 1 Water quality analysis results in the experiments

项目	NF浓盐水	DTRO浓盐水
pH	8.25	8.32
TDS/（mg·L^-1）	52 317	104 227
Cl^-/（mg·L^-1）	516	981
SO₄ ^2-/（mg·L^-1）	34 874	69 024
NO₃ ^-/（mg·L^-1）	226	391
F^-/（mg·L^-1）	162	296
Mg²⁺/（mg·L^-1）	76	141
Ca²⁺/（mg·L^-1）	117	212
COD/（mg·L^-1）	87	164
二氧化硅/（mg·L^-1）	82	152

图1 实验装置

Fig.1 Experiment equipment

图2 膜单元运行示意

Fig.2 Schematic diagram of membrane unit operation

图3 不同初始酸/碱浓度下运行电压变化情况

Fig.3 Operation voltage variations under different initial acid/alkali concentrations

图4 不同初始酸/碱浓度下系统所产酸/碱浓度变化情况

Fig.4 Concentration variations of acid/alkali produced by the system under different initial acid/alkali concentrations

图5 不同初始酸/碱浓度下电流效率变化情况

Fig.5 Current efficiency variations under different initial acid/alkali concentrations

图6 不同电解质质量分数下运行电压变化情况

Fig.6 Operation voltage variations under different electrolyte mass fractions

图7 不同电解质质量分数下酸/碱浓度变化情况

Fig.7 Concentration variations of acid/alkali under different electrolyte mass fractions

图8 不同电流密度下运行电压变化情况

Fig.8 Operation voltage variations under different current densities

图9 不同电流密度下酸/碱浓度变化情况

Fig.9 Concentration variations of acid/alkali under different current densities

图10 不同电流密度下电流效率变化情况

Fig.10 Currency efficiency variations under different current densities

表2 BMED处理浓盐水经济分析

Table 2 Economic analysis of the treatment process of brine with BMED

序号	项目	数值	备注
1	电耗负荷/W	120	平均负荷
2	上网电价/（元·kW^-1·h^-1）	0.421 8	平均电价
3	电耗/（kW·h·m^-3）	240
4	电耗成本/（元·m^-3）	101.23
5	产酸能耗/（kW·h·t^-1）	2 386.63	以纯H₂SO₄计
6	产酸电费/（元·t^-1）	1 006.68
7	产碱能耗/（kW·h·t^-1）	4 204.63	以纯NaOH计
8	产碱电费/（元·t^-1）	1 773.51
9	BMED膜更换平均费用/（元·m^-3）	125.71
10	浓盐水处理成本/（元·m^-3）	226.94	包含电费和膜更换费用
11	DTRO系统处理成本/（元·m^-3）	11.59^〔1〕	不含膜更换成本和折旧成本；为对比工艺的运行成本数据，摘自相应的参考文献
12	MVR系统处理成本/（元·m^-3）	79.09^〔1〕	不含膜更换成本和折旧成本；为对比工艺的运行成本数据，摘自相应的参考文献
13	DTRO膜更换费用/（元·m^-3）	4.75^〔5〕	为对比工艺的运行成本数据，摘自相应的参考文献

参考文献 16

1	李竞赢，刘启蒙，杨明慧. 矿井水水化学特征及资源化利用研究：以张集煤矿为例［J］. 煤炭科学技术，2023，51（4）：254-263.
	LI Jingying， LIU Qimeng， YANG Minghui. Study on chemical characteristics and resource utilization of mine water：Taking Zhangji Coal Mine as an example［J］. Coal Science and Technology，2023，51（4）：254-263.
2	王惠，赵新星，朱安民，等. 电渗析脱盐处理离子交换再生废水的实验与研究［J］. 工业水处理，2019，39（7）：50-53. doi:10.11894/iwt.2018-0681
	WANG Hui， ZHAO Xinxing， ZHU Anmin，et al. Experiment and study on ion-exchange regenerating wastewater treatment by electrodialysis desalination［J］. Industrial Water Treatment，2019，39（7）：50-53. doi:10.11894/iwt.2018-0681
3	李福勤，朱敏，张引弓，等. 单价选择性电渗析对高盐废水一/二价阴离子的分离［J］. 工业水处理，2021，41（9）：56-59. doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-1176
	LI Fuqin， ZHU Min， ZHANG Yingong，et al. Separation of monovalent/divalent anions in high-salt wastewater by monovalent selective electrodialysis［J］. Industrial Water Treatment，2021，41（9）：56-59. doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-1176
4	顾大钊，李庭，李井峰，等. 我国煤矿矿井水处理技术现状与展望［J］. 煤炭科学技术，2021，49（1）：11-18.
	GU Dazhao， LI Ting， LI Jingfeng，et al. Current status and prospects of coal mine water treatment technology in China［J］. Coal Science and Technology，2021，49（1）：11-18.
5	卞伟，李井峰，刘淑琴，等. 宁东基地高矿化度矿井水处理工程实践与发展方向［J］. 水处理技术，2021，47（8）：120-123. doi:10.16796/j.cnki.1000-3770.2021.08.023
	BIAN Wei， LI Jingfeng， LIU Shuqin，et al. Study on the technical route of highly mineralized mine water treatment in ningdong energy base［J］. Technology of Water Treatment，2021，47（8）：120-123. doi:10.16796/j.cnki.1000-3770.2021.08.023
6	王仁雷，秦树蓬，马红亮，等. 煤矿矿井水综合利用系统运行性能评估与优化分析［J］. 工业水处理，2021，41（12）：141-145. doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-1288
	WANG Renlei， QIN Shupeng， MA Hongliang，et al. Performance evaluation and optimization analysis of comprehensive utilization system for mine wastewater in coal mine［J］. Industrial Water Treatment，2021，41（12）：141-145. doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-1288
7	张海琴，李庭，李井峰. 电化学技术在矿井水处理中的应用与展望［J］. 中国煤炭，2021，47（2）：70-75.
	ZHANG Haiqin， LI Ting， LI Jingfeng. Application and prospect of electrochemical technology in mine water treatment［J］. China Coal，2021，47（2）：70-75.
8	杨露. 双极膜电渗析处理高盐废液的研究［D］. 杭州：浙江工业大学，2019.
	YANG Lu. Study on bipolar membrane electrodialysis for treatment of high salinity wastewater［D］. Hangzhou：Zhejiang University of Technology，2019.
9	汤颖岚，张玉凤，刘孟. 双极膜电渗析资源化Na₂SO₄制备酸/碱的实验研究［J］. 中国资源综合利用，2021，39（7）：1-5. doi:10.3969/j.issn.1008-9500.2021.07.001
	TANG Yinglan， ZHANG Yufeng， LIU Meng. Experimental study on preparation of acid-base by bipolar membrane electrodialysis using Na₂SO₄ as resource［J］. China Resources Comprehensive Utilization，2021，39（7）：1-5. doi:10.3969/j.issn.1008-9500.2021.07.001
10	田雨，张宇峰，张文娟，等. 双极膜电渗析电解硫酸钠高盐废水资源化研究［J］. 天津城建大学学报，2020，26（4）：284-289.
	TIAN Yu， ZHANG Yufeng， ZHANG Wenjuan，et al. Utilization of sodium sulfate and high salinity wastewater by bipolar membrane electrodialysis electrolysis［J］. Journal of Tianjin Chengjian University，2020，26（4）：284-289.
11	杨浩然，王炳煌，郑煜铭，等. 双极膜电渗析处理工业高盐废水的研究现状［J］. 膜科学与技术，2022，42（4）：148-156.
	YANG Haoran， WANG Binghuang， ZHENG Yuming，et al. Review on the research status of bipolar membrane electrodialysis toward the treatment of hyperhaline industrial wastewater［J］. Membrane Science and Technology，2022，42（4）：148-156.
12	黄灏宇，叶春松. 双极膜电渗析技术在高盐废水处理中的应用［J］. 水处理技术，2020，46（6）：4-8.
	HUANG Haoyu， YE Chunsong. Application of bipolar membrane electrodialysis in the treatment of high-salinity wastewater［J］. Technology of Water Treatment，2020，46（6）：4-8.
13	WILHELM F G， VAN DER VEGT N F A， WESSLING M，et al. Chronopotentiometry for the advanced current-voltage characterisation of bipolar membranes［J］. Journal of Electroanalytical Chemistry，2001，502（1/2）：152-166. doi:10.1016/s0022-0728(01)00348-5
14	ZHOU Yongming， YAN Haiyang， WANG Xiaoli，et al. A closed loop production of water insoluble organic acid using bipolar membranes electrodialysis（BMED）［J］. Journal of Membrane Science，2016，520：345-353. doi:10.1016/j.memsci.2016.08.011
15	WEI Yanxin， WANG Yaoming， ZHANG Xu，et al. Treatment of simulated brominated butyl rubber wastewater by bipolar membrane electrodialysis［J］. Separation and Purification Technology，2011，80（2）：196-201. doi:10.1016/j.seppur.2011.04.003
16	黄杰. 以草甘膦母液废水资源化处理为示例的BMED酸/碱制备过程［D］. 杭州：浙江工业大学，2014.
	HUANG Jie. Taking the resource treatment of glyphosate mother liquor wastewater as an example，BMED acid-base preparation process［D］. Hangzhou：Zhejiang University of Technology，2014.

[1]	孙旭, 谢彤, 张超杰, 张亚雷, 周雪飞. 光合微生物在畜禽养殖废水资源化处理中的研究进展[J]. 工业水处理, 2024, 44(10): 40-51.
[2]	袁国全,陈渝楠,胡特立,周家材. 某热电厂脱硫废水旁路烟道蒸发系统工程设计开发[J]. 工业水处理, 2021, 41(10): 145-150.
[3]	曹智,周律,马可可,时义磊. 磷酸铵镁结晶法回收污水厂沼液中磷的经济性分析[J]. 工业水处理, 2020, 40(10): 43-46.
[4]	周添红,赵鑫,高祥虎,刘刚. 马铃薯淀粉废水的资源化处理研究[J]. 工业水处理, 2011, 31(12): 35-38.
[5]	刘蕾, 李亚林, 刘焕平, 杜冬云. 复合硫化法处理工业酸性含铜废水[J]. 工业水处理, 2009, 29(9): 54-57.
[6]	杨新萍, 王世和. Fenton氧化与混凝耦合法处理有机氯农药废水的研究[J]. 工业水处理, 2006, 26(4): 62-65.
[7]	李静, 鲍东杰, 司芬改, 汤梦玲. 热电厂锅炉补给水处理方案设计与技术经济分析[J]. 工业水处理, 2006, 26(11): 80-82.
[8]	聂锦旭,肖贤明. 纳滤膜在火电厂循环冷却水处理中的应用[J]. 工业水处理, 2005, 25(5): 72-73.

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