扩散渗析-纳滤分离工艺资源化钢铁酸性脱硫废水的研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-1036

摘要/Abstract

摘要：

酸性脱硫废水因其酸度高、成分复杂而难以处理，通常采用加碱中和后按高盐废水进行处理，存在处理成本高和二次污染等问题。为实现酸性脱硫废水的资源化利用，减少污染物排放，采用扩散渗析去除废水中重金属并回收酸（盐酸与硫酸组合成的混合酸），之后对比采用单价选择性电渗析、耐酸纳滤分离盐酸与硫酸的效果，并通过试验确定最佳工艺及参数。结果表明，在扩散渗析膜面流速为2.86×10^-6 cm/s时效果最好，酸回收率可达87.5%，金属离子去除率在93%以上；耐酸纳滤在压力为7.5 MPa时，单价选择性系数 $P S O 4 2 - C l -$ 最大，为210.38，远高于单价选择性电渗析；“扩散渗析+耐酸纳滤”联合处理酸性脱硫废水可以得到质量分数3.34%的盐酸，纯度为99.65%；处理水量30 m³/d，项目总投资396.51万元，运行成本127.03万元/a，相比传统处理工艺，每年可节省费用105.87万元，投资回收期约为3.8 a，具有良好的环境和经济效益。

关键词: 脱硫废水, 扩散渗析, 单价选择性电渗析, 耐酸纳滤, 资源化利用

Abstract:

The treatment of acidic desulphurization wastewater is challenging due to its high acidity and complex composition. Typically, acidic desulphurization wastewater is treated as high-salt wastewater after alkali neutralization, leading to issues such as high treatment costs and secondary pollution. To achieve resource utilization and reduce pollutant discharge, diffusion dialysis was employed for heavy metal removal and acid recovery (comprising hydrochloric acid and sulfuric acid). Subsequently, the separating property of hydrochloric acid and sulfuric acid between monovalent selective electrodialysis and acid-resistant nanofiltration was compared to determine the optimal process, the parameters were optimized through experiments. The results indicated that optimal performance was achieved at membrane surface flow rate of 2.86×10^-6 cm/s, with acid recovery rate of 87.5% and metal ion removal rate of >93%. The monovalent selective coefficient $P S O 4 2 - C l -$ reached its peak at 7.5 MPa, significantly surpassing that of monovalent selective electrodialysis. Through the combined treatment of diffusion dialysis and acid-resistant nanofiltration, hydrochloric acid with a mass fraction of 3.34% and purity of 99.65% could be obtained. The treatment water volume was 30 m³/d, total project investment was 3.96 million yuan, and operating cost was estimated at 1.27 million yuan/a. Compared to traditional treatment processes, annual savings was approximately 1.06 million yuan with the investment payback period of about 3.8 years, which had significant environmental and economic benefits.

Key words: desulfurization wastewater, diffusion dialysis, monovalent selective electrodialysis, acid-resistant nanofiltration, resource utilization

中图分类号:

X756
P747

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https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I11/74

图/表 15

表1 脱硫废水水质 (mg/L)

Table 1 Quality of desulfurization wastewater

项目	酸度	Cl^-	SO₄ ^2-	总硬度（以CaCO₃计）	Fe²⁺	Pb²⁺	Cd²⁺	Hg⁺
数值	80 805.3	51 320.4	7 546.91	460	175	3.1	6	0.4

图1 扩散渗析试验装置

Fig.1 Diffusion dialysis test equipment

表2 TWDDAⅢ膜的物理化学属性

Table 2 Physicochemical properties of TWDDAⅢ membrane

项目	离子交换容量/（mmoL·g^-1）	膜厚/μm	含水率/%	适用pH范围	适用温度/℃
数值	0.9~1.2	0.30~0.32	40~60	0~14	15~40

表3 单价选择性阴离子交换膜性能参数

Table 3 Monovalent selective anion-exchange membrane performance parameters

项目	类别	特性	厚度/μm	反离子	破裂强度/kPa	膜电阻（0.5 moL/L氯化钠）/（Ω·cm²）	迁移率
参数	阴膜	一价离子选择透过	100	Cl^-	200	3.7	$t C l -$ >0.95

表3 单价选择性阴离子交换膜性能参数

Table 3 Monovalent selective anion-exchange membrane performance parameters

项目	类别	特性	厚度/μm	反离子	破裂强度/kPa	膜电阻（0.5 moL/L氯化钠）/（Ω·cm²）	迁移率
参数	阴膜	一价离子选择透过	100	Cl^-	200	3.7	$t C l -$ >0.95

图2 单价选择性电渗析试验装置

Fig.2 Monovalent selective electrodialysis test equipment

表4 耐酸纳滤膜属性

Table 4 Properties of acid-resistant nanofiltration membranes

项目	最大操作压力/MPa	MgSO₄截留率/%	清水通量/（L·m^-2·h^-1）	适用pH范围	最高温度/℃
数值	8	≥99	65	0~12	50

图3 耐酸纳滤装置

Fig.3 Acid-resistant nanofiltration device

图4 膜面流速对酸回收率的影响

Fig.4 Effect of membrane surface flow rate on acid recovery

图5 膜面流速对金属离子截留率的影响

Fig.5 Effect of membrane surface flow rate on metal ion rejection

图6 电流密度对H⁺（a）、Cl^-（b）和SO₄ ^2-（c）迁移率的影响

Fig.6 Effect of current densities on mobility of H⁺（a），Cl^-（b），and SO₄ ^2-（c）

图7 压力对不同膜孔径耐酸纳滤产水酸度（a）、Cl^-（b）和SO₄ ^2-（c）回收率的影响

Fig.7 Effect of pressure on recovery rates of acidity（a），Cl^-（b） and SO₄ ^2-（c） by acid-resistant nanofiltration with different membrane pore sizes

表5 单价选择性电渗析与纳滤分盐效果对比

Table 5 Salt separation effect comparison of monovalent selective electrodialysis and nanofiltration salt separation

参数	单价选择性电渗析（电流4 A）		耐酸纳滤（D 90，7.5 MPa）
参数	浓水	淡水	回收酸	浓水
单价选择性系数	6.26		210.38
酸度/（mg·L^-1）	64 256	6 448	45 837	211 616
Cl^-/（mg·L^-1）	40 876	4 233	32 510	116 628
SO₄ ^2-/（mg·L^-1）	2 410	3 136	24.41	36 841

图8 脱硫废水处理工艺流程

Fig.8 Process flow of desulfurization wastewater treatment

表6 投资预算

Table 6 Investment budget

项目	金额/万元	备注
合计	396.51
土建费	40
设备费	278.2
安装费	22.26	设备费的8%
工程设计费	22
其他费用	34.05	前3项的10%

表7 运行成本分析

Table 7 Run cost analysis

项目	金额/（万元·a^-1）	备注
合计	127.03
电费	19.1	总使用功率大约为28.5 kW，电费0.8元/（kW·h）
人工费	18	配置3人，每人每月5 000元
维修费	13.93	设备费的5%
膜更换费	63	扩散渗析膜3 a一换，耐酸纳滤膜1 a一换
设备折旧费（不含膜费用）	13	按10 a折旧

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