高矿化度矿井水脱盐技术研究进展

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2024-0258

摘要/Abstract

摘要：

煤矿开采必然伴随大量矿井水的生成，其中高矿化度矿井水占比逐年上升。研究高矿化度矿井水的处理与利用，有助于缓解煤矿缺水的现状，提高绿色矿山建设和清洁生产水平。对矿井水零排放处理流程中的深度脱盐工艺进行阐述，对处理系统存在的工艺流程长、能耗大、成本高等问题进行总结，并对比分析脱盐领域的前瞻性处理技术。在膜浓缩工艺方面，介绍了基于传统反渗透的改进技术、正渗透技术和膜蒸馏技术。针对分盐结晶工艺的前瞻性技术，对比了共晶冷冻技术、超临界脱盐技术、加湿-除湿技术以及光热脱盐技术。通过对高矿化度矿井水现有处理技术和前瞻性技术的比较，为高矿化度矿井水处理技术的发展提供指导，继而推动高矿化度矿井水的大规模、低成本和高效处理，以应对煤矿开采过程中高矿化度矿井水带来的挑战，促进煤炭行业的可持续发展。

关键词: 高矿化度矿井水, 零排放工艺, 膜浓缩技术, 蒸发结晶, 光热脱盐

Abstract:

Coal mining inevitably leads to the generation of a substantial volume of mine water,with the proportion of high salinity mine water progressively increasing. Research on the treatment and utilization of high salinity mine water is essential to mitigate the ongoing challenge of coal mine water scarcity and enhance the standards of eco-friendly mine construction and cleaner production. This paper delineated the deep desalination process of the zero-discharge treatment approach for mine water. The problems associated with the extended process flow, significant energy consumption, and elevated costs of the treatment system were outlined. Additionally, a comparative analysis of current and prospective treatment technologies in the desalination was conducted. The membrane concentration process was examined, introducing enhanced technologies derived from traditional reverse osmosis, forward osmosis, and membrane distillation. Regarding salt separation and crystallization, the paper compared eutectic freezing technology, supercritical desalination technology, humidification-dehumidification technology, and photothermal desalination technology. Through a comprehensive evaluation of existing and potential technologies for high salinity mine water treatment, the paper provided insights guiding the development of effective treatment technologies. The objective was to facilitate the large-scale, cost-effective, and efficient treatment of high salinity mine water, addressing the escalating challenges associated with high salinity mine water in the coal mining process and fostering the sustainable development of the coal industry.

Key words: high salinity mine water, zero discharge process, membrane concentration technology, evaporation crystallization, photothermal desalination

中图分类号:

X703

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https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I2/18

图/表 12

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膜浓缩前瞻性技术	原理	优点	缺点
高压反渗透	提高反渗透进水液压，减少蒸发结晶的水力负荷，降低能耗	减少蒸发结晶需要处理的水量，降低整体能耗	过高液压会对反渗透膜的寿命和选择性造成损伤
渗透介导的反渗透	产水侧盐水循环，降低膜两侧渗透压差，降低进水所需压力	进水压力低，提高膜的寿命和选择性	循环盐水流需额外设备，增加设备建设费用，步骤繁琐
余压回用	对反渗透出水进行能量回收，节约运行成本	能源回用可以降碳节能，减少运行费用	余压回收需额外设备，增加建设成本
正渗透	通过高渗透压汲取液，利用自然渗透压脱盐	膜在常压下运行，降低膜污染	汲取液补充成本较大
膜蒸馏	疏水膜两侧蒸汽压力差驱动水-盐分离过程	设备构型更为紧凑，可利用低品位的热源以及可再生能源	脱盐效率受限于低渗透通量，在处理高浓度含盐料液时会严重结垢

膜浓缩前瞻性技术	原理	优点	缺点
高压反渗透	提高反渗透进水液压，减少蒸发结晶的水力负荷，降低能耗	减少蒸发结晶需要处理的水量，降低整体能耗	过高液压会对反渗透膜的寿命和选择性造成损伤
渗透介导的反渗透	产水侧盐水循环，降低膜两侧渗透压差，降低进水所需压力	进水压力低，提高膜的寿命和选择性	循环盐水流需额外设备，增加设备建设费用，步骤繁琐
余压回用	对反渗透出水进行能量回收，节约运行成本	能源回用可以降碳节能，减少运行费用	余压回收需额外设备，增加建设成本
正渗透	通过高渗透压汲取液，利用自然渗透压脱盐	膜在常压下运行，降低膜污染	汲取液补充成本较大
膜蒸馏	疏水膜两侧蒸汽压力差驱动水-盐分离过程	设备构型更为紧凑，可利用低品位的热源以及可再生能源	脱盐效率受限于低渗透通量，在处理高浓度含盐料液时会严重结垢

分盐结晶前瞻性技术	原理	优点	缺点
共晶冷冻技术	控制反应条件在盐-水的共晶温度下进行，实现选择性回收盐	冷冻所需能量较蒸发更少，不易发生设备腐蚀，预处理简单	冰上会附着盐造成产水纯度低
超临界脱盐技术	盐在超临界水中的溶解度大大降低，易从溶液中析出	对进料盐水浓度无要求；预处理过程相对简单；设备紧凑，占地面积小	所需能耗较大，安全稳定性不高，对设备要求较高
加湿-除湿技术	水从高盐进料液蒸发到上方干燥载气中，潮湿的空气进入除湿器，水蒸气冷凝并被收集	常压下运行，可利用低品位热能；蒸发位置远离设备表面，可有效减少设备结垢	溶解性气体和小分子挥发性有机物影响出水水质
光热脱盐技术	利用光热转换材料将光能转换成热能蒸发高浓度盐水	有效利用太阳能，无需额外能源费用	蒸发速率难达到大规模应用需求，对气候有要求，应用场景受限

分盐结晶前瞻性技术	原理	优点	缺点
共晶冷冻技术	控制反应条件在盐-水的共晶温度下进行，实现选择性回收盐	冷冻所需能量较蒸发更少，不易发生设备腐蚀，预处理简单	冰上会附着盐造成产水纯度低
超临界脱盐技术	盐在超临界水中的溶解度大大降低，易从溶液中析出	对进料盐水浓度无要求；预处理过程相对简单；设备紧凑，占地面积小	所需能耗较大，安全稳定性不高，对设备要求较高
加湿-除湿技术	水从高盐进料液蒸发到上方干燥载气中，潮湿的空气进入除湿器，水蒸气冷凝并被收集	常压下运行，可利用低品位热能；蒸发位置远离设备表面，可有效减少设备结垢	溶解性气体和小分子挥发性有机物影响出水水质
光热脱盐技术	利用光热转换材料将光能转换成热能蒸发高浓度盐水	有效利用太阳能，无需额外能源费用	蒸发速率难达到大规模应用需求，对气候有要求，应用场景受限

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