工業(yè)高鹽廢水高效分離與回收技術(shù)

　　目前研究和常用的高鹽廢水處理方法有蒸發(fā)法、電解法、膜分離法、和生物處理法等。蒸發(fā)法是處理高鹽廢水的傳統(tǒng)方法，對(duì)小量高鹽廢水經(jīng)濟(jì)有效，但處理大量的高鹽廢水則需要大面積的蒸發(fā)池和特有的設(shè)備，處理效果有限且運(yùn)行費(fèi)用較高。電解法在處理高鹽廢水過(guò)程中存在電極鈍化和能耗較高等問(wèn)題。膜分離法是目前高鹽廢水處理研究中的熱點(diǎn)，在高鹽廢水處理技術(shù)中具有重要的利用潛力和價(jià)值，但主要問(wèn)題是設(shè)備昂貴、成本較高，處理過(guò)程易堵、易污染。生物處理法不僅能有效降低污水鹽濃度，同時(shí)可降解C、N、S、P等成分，但生物工藝處理高鹽廢水的最大問(wèn)題在于系統(tǒng)耐受值低、容積負(fù)荷小。目前高鹽廢水處理技術(shù)均存在處理成本高、處理后水質(zhì)不穩(wěn)定的問(wèn)題。開(kāi)發(fā)高效低成本的高鹽廢水處理新技術(shù)是未來(lái)的發(fā)展方向。

　　本文以揭陽(yáng)某廠預(yù)處理后的電鍍工業(yè)高鹽廢水混合鹽為處理對(duì)象，采用蒸發(fā)濃縮-冷卻結(jié)晶技術(shù)，通過(guò)蒸發(fā)使高鹽廢水濃縮，然后對(duì)濃縮液進(jìn)行冷卻，從而使高鹽廢水中可溶性鹽類(lèi)物質(zhì)結(jié)晶分離出來(lái)，結(jié)晶母液則返回至前面蒸發(fā)工段進(jìn)行再循環(huán)蒸發(fā)濃縮處理，實(shí)現(xiàn)了可溶解鹽類(lèi)物質(zhì)從廢水中有效分離、回收和資源化利用。該工藝可以用來(lái)處理所有高鹽廢水，基本實(shí)現(xiàn)了高鹽廢水中可溶性鹽類(lèi)的有效分離，解決了其他工藝技術(shù)分離高鹽廢水中鹽類(lèi)物質(zhì)效率低的問(wèn)題。

　　1、成分研究與工藝流程的確定

　　1.1 高鹽廢水混合鹽組成

　　本實(shí)驗(yàn)分離和回收的高鹽廢水混合鹽來(lái)自揭陽(yáng)某廠，其離子分析見(jiàn)表1。從表1可知，該高鹽廢水混合鹽成分主要以硫酸鈉、氯化鈉兩種鹽為主，含有少量的K2SO4、KCl等物質(zhì)。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)工藝流程的確立

　　樣品中的成分以Na2SO4、NaCl兩種鹽類(lèi)物質(zhì)為主，含有少量K2SO4、KCl等物質(zhì)。結(jié)合各物質(zhì)的溶解度圖1可知，當(dāng)溫度處于40℃以下時(shí)，若將溫度升高，硫酸鈉的溶解度將增大，在40℃形成最大的溶解度，40℃以上溶解度變小。而NaCl的溶解度隨溫度的變化不大，幾乎可以忽略。因此，本實(shí)驗(yàn)根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)分離回收實(shí)驗(yàn)工藝流程。

　　如圖2所示，根據(jù)高鹽廢水混合鹽中各類(lèi)鹽在不同溫度下的溶解度變化差異采用蒸發(fā)濃縮-冷卻結(jié)晶的方法分離回收鹽類(lèi)，實(shí)現(xiàn)高鹽廢水的綜合利用。實(shí)驗(yàn)工藝主要分為以下五個(gè)階段。

　　第一階段：以高鹽廢水混合鹽為原料，測(cè)定其硫酸根含量、氯離子含量。加不同劑量的蒸餾水進(jìn)行溶解、定容。第二階段：當(dāng)溫度在40℃以下時(shí)，溫度升高，Na2SO4溶解度增大，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，Na2SO4溶解度變小，即Na2SO4在40℃時(shí)達(dá)到最大溶解度。因此將混合鹽溶液在40℃攪拌1h，使其最大限度的溶解Na2SO4，最大程度的達(dá)到飽和。攪拌后，快速抽濾掉不溶物，使液體保持澄清狀態(tài)。第三階段：由于在低溫狀態(tài)下，Na2SO4溶解度很小，而由于NaCl的溶解度跟著溫度的變化不大，幾乎可以忽略，故在低溫狀態(tài)下，會(huì)大量析出Na2SO4晶體。將抽濾過(guò)后的溶液轉(zhuǎn)移到燒杯中，置于0℃的溫度下保持，直至有大量白色晶體析出。過(guò)濾，將晶體干燥稱(chēng)重，得到的該晶體為硫酸鈉。第四階段：由于在階段三Na2SO4大量析出，溶液處于不飽和狀態(tài)的NaCl占溶液的絕大部分，故將溶液蒸發(fā)掉一部分水，得到的晶體即為NaCl。將第三階段過(guò)濾后的母液蒸發(fā)掉一半左右的水，過(guò)濾得NaCl晶體。第五階段：重復(fù)實(shí)驗(yàn)第三和第四階段。

　　2、實(shí)驗(yàn)

　　2.1 主要材料與儀器

　　高鹽廢水混合鹽(揭陽(yáng)某廠提供，已預(yù)處理)，氯化銀、硫酸鉀、氯化鋇、氯化鎂、鹽酸、鉻黑T等均為市售分析純。

　　DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，HHS-6S電子恒溫不銹鋼水浴鍋，SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵，F(xiàn)A2104N電子天平，DHG-9030A鼓風(fēng)干燥箱，KQ-B玻璃儀器氣流烘干器。2.2 實(shí)驗(yàn)部分

　　2.2.1 混合鹽的分離回收過(guò)程

　　準(zhǔn)確稱(chēng)量100g高鹽廢水混合鹽，分別用不同體積的蒸餾水溶解，并置于40℃下攪拌1h，抽濾后棄去濾渣。將濾液在0℃下冷卻析晶，抽濾得Na2SO4?10H2O晶體和濾液，將Na2SO4?10H2O晶體干燥，稱(chēng)重，得到硫酸鈉鹽。將濾液在電爐上緩慢攪拌加熱，蒸發(fā)掉一部分水。將上述溶液置于水浴鍋中，在40℃下加熱，趁熱快速抽濾，得到白色NaCl晶體，干燥，稱(chēng)重，得到氯化鈉鹽。將抽濾后所剩的濾液回收到高鹽廢水混合鹽溶液中，繼續(xù)重復(fù)以上操作，進(jìn)行分離回收。

　　本研究共開(kāi)展了10組實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同體積蒸餾水溶解的高鹽廢水混合鹽的分離和回收情況進(jìn)行探索和對(duì)比，得出了獲得產(chǎn)品高產(chǎn)出率和高純度的最佳實(shí)驗(yàn)方案，為工業(yè)化生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

　　2.2.2 產(chǎn)品鹽純度的檢測(cè)分析

　　(1)硫酸根離子含量的檢測(cè)分析依據(jù)《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)―工業(yè)無(wú)水硫酸鈉》(GB/T6009-2014)，測(cè)定樣品中的硫酸根離子的含量。

　　(2)氯離子含量的檢測(cè)分析綜合《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)―制鹽工業(yè)通用試驗(yàn)方法：氯離子的測(cè)定(GB/T13025.5-91)和《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)―工業(yè)鹽》(GB/T5462-2003)，測(cè)定樣品中的氯離子的含量。

　　3、結(jié)果與討論

　　3.1 高鹽廢水混合鹽濃度與產(chǎn)品鹽產(chǎn)出率關(guān)系

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立了高鹽廢水混合鹽濃度與兩種產(chǎn)品鹽產(chǎn)出率的關(guān)系，見(jiàn)表2。從表2可知，隨著加入的蒸餾水的增加，硫酸鈉產(chǎn)出先高后低。加入蒸餾水180mL為最佳值，此時(shí)，高鹽廢水混合鹽濃度0.56g/mL，硫酸鈉產(chǎn)出最大。而在兩次析出過(guò)程中，隨著蒸餾水加入量的增加，氯化鈉產(chǎn)出一直下降。但從蒸餾水加入量180mL處開(kāi)始，蒸餾水加入量的增加對(duì)氯化鈉的產(chǎn)出無(wú)明顯影響。綜合兩種鹽的產(chǎn)出情況可以得出，高鹽廢水混合鹽濃度為0.56g/mL時(shí)，混合鹽中兩種鹽的產(chǎn)出最佳。

　　3.2 高鹽廢水混合鹽濃度與產(chǎn)品鹽純度的關(guān)系

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立了高鹽廢水混合鹽濃度與產(chǎn)品的純度的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。從表3可以看出，隨著加入的混合鹽溶液濃度的增加，硫酸鈉和氯化鈉的產(chǎn)出純度均先升高后降低。兩次析晶過(guò)程表明，蒸餾水量對(duì)兩次析晶得到的硫酸鈉產(chǎn)品的純度影響不大，但能提高第二次析晶得到的氯化鈉產(chǎn)出純度。

　　3.3 鹽產(chǎn)品純度與利用率的關(guān)系

　　產(chǎn)品的純度與產(chǎn)品的利用率的關(guān)系如表4所示：在10組實(shí)驗(yàn)中，無(wú)論蒸餾水量加入量如何變化，所有鹽產(chǎn)品的純度都達(dá)到80%以上。絕大多數(shù)鹽產(chǎn)品的純度在90%以上，基本達(dá)到技術(shù)要求。而當(dāng)加入的蒸餾水的量為180mL時(shí)，兩種產(chǎn)品鹽的純度最高，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)明顯優(yōu)于其他的指標(biāo)。因此，選用M6實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)方案，進(jìn)行放大中試，期望得到較好的工業(yè)生產(chǎn)效果。

　　4、結(jié)論

　　本項(xiàng)目采用蒸發(fā)濃縮-冷卻析晶的方法研究開(kāi)發(fā)了高鹽廢水混合鹽中硫酸鈉和氯化鈉的分離和回收，通過(guò)低溫析Na2SO4、高溫析NaCl的工藝，實(shí)現(xiàn)了硫酸鈉、氯化鈉的分離和回收。通過(guò)考察10組不同樣品鹽濃度對(duì)產(chǎn)品鹽產(chǎn)出率和純度的影響，確定了在100g高鹽廢水混合鹽中加入180mL蒸餾水溶解的方案為最佳實(shí)驗(yàn)方案，兩種產(chǎn)品鹽的產(chǎn)出率和純度最高，為下一步高鹽廢水混合鹽分離回收產(chǎn)業(yè)化提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。本項(xiàng)目的完成不僅可以消除工業(yè)高鹽廢水混合鹽排放對(duì)環(huán)境的污染，還可以為企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。(來(lái)源：仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，廣州市農(nóng)用化學(xué)品高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)