双极膜法处理硝酸钠制酸碱


一、设计条件
1.1进水水质
待处理废水中主要盐分是硝酸钠,日处理量85m3/d,10%。

废水主要成分是硝酸钠,含量10%(以100g/L计),盐浓度较高,可以直接使用双极膜电渗析(BPED)进行酸碱制备。

料液中其他成分未知,对BPED系统影响不好判断。进BPED系统需满足以下进水条件:

1)浊度:≤1mg/l

2)COD:≤50mg/l

3)铁、锰含量:≤0.3mg/l

4)其他高价金属阳离子总量:≤1mg/L

5)石油类、油脂类等非水溶性物质:≤0.1mg/L

6)水温:5~40℃。

1.2出水水质
A. 设计均相膜电渗析淡盐水含盐量约2%,均相膜电渗析浓盐水含盐量约15%;

B. 设计双极膜电渗析产出的碱液NaOH浓度约6%;

C. 设计双极膜电渗析产生的酸液HNO3浓度约5%;

D. 设计双极膜电渗析产出的盐水出水浓度:5%;

E. 设计反渗透系统产水含盐量小于500mg/L。

二、工艺方案
2.1 均相膜电渗析工艺简介
电渗析(ED,Electrodialysis)是指在直流电场的作用下,溶液中带电离子定向迁移,选择性透过离子交换膜并得以去除的一种膜分离技术。以电位差为推动力,利用阴、阳离子交换膜对阴、阳离子的选择透过性,使离子从一部分水中迁移到另一部分水中的物理化学过程。可实现苦咸水或海水的淡化、盐浓缩,有机物溶液脱盐精制等。原理如图1所示:
 
图1 均相膜电渗析工作原理图

电渗析膜组器由隔板、离子交换膜、电极、夹紧装置等主要部件组成。离子交换膜对不同电荷的离子具有选择透过性。阳膜只允许通过阳离子,阻止阴离子通过;阴膜只允许通过阴离子,阻止阳离子通过。在外加直流电场的作用下,水中离子作定向迁移。由于膜组器是由多层隔室组成,故淡室中阴阳离子迁移到相邻的浓室中去,从而使含盐水淡化。

2.2 双极膜电渗析工艺简介
双极膜是一种新型的离子交换复合膜 , 它通常由阳离子交换层 (N 型膜) 、界面亲水层 ( 催化层) 和阴离子交换层 ( P 型膜) 复合而成 , 是真正意义上的反应膜。在直流电场作用下 , 双极膜可将水离解 ,在膜两侧分别得到氢离子和氢氧根离子。利用这一特点 , 将双极膜与其他阴阳离子交换膜组合成的双极膜电渗析系统 , 能够在不引入新组分的情况下将水溶液中的盐转化为对应的酸和碱, 这种方法称为双极膜电渗析法。双极膜电渗析法不仅用于制备酸和碱,若将其与单极膜巧妙地组合起来 , 能实现多种功能并可用于多个领域。

硫酸钠进入盐室时,在直流电场作用下,硫酸根离子通过阴膜迁移至酸室,遇到双极膜的阳膜面,由于阳膜面带负电,所以硫酸根离子无法继续迁移,留在酸室,跟双极膜阳膜面分解出的氢离子结合生成硫酸。双极膜的阴膜面在直流电场的作用下,不断分解出氢氧根离子,在碱室跟钠离子结合,生成氢氧化钠。最终硫酸钠通过双极膜电渗析实现了盐转化为硫酸和氢氧化钠。
 
图2 双极膜电渗析的工作原理

 
2.3 工艺流程
该项目硝酸钠溶液使用双极膜电渗析装置制备酸液和碱液的建议处理流程如图3所示:
 
图3  硝酸钠制备酸液碱液的处理流程图

硝酸钠溶液经过预处理系统处理后先进入双极膜电渗析装置制酸碱,产生质量分数约5%的硝酸溶液、质量分数约6%的氢氧化钠溶液和质量分数约3-5%的淡盐水(硝酸钠溶液),淡盐水进入电渗析系统浓缩,ED浓水浓缩到质量分数约10-15%进入后双极膜电渗析BPED系统制备酸碱,ED淡水进入反渗透系统脱盐。反渗透系统产水外排。反渗透浓水返回前端电渗析系统继续浓缩。

2.4 双极膜电渗析工程计算
硝酸钠溶液用均相膜电渗析浓缩和双极膜电渗析制备酸碱的质平衡图如图4所示
 
图4  硝酸钠制备酸液碱液的水质平衡图

说明:

1、废水的处理采用BPED+ED结合的处理工艺。原水质量分数约10%,流量85m3/d,预处理后进入双极膜电渗析BPED系统进行制酸碱,淡盐水进入ED进行浓缩,水量约120.82m3/d。

2、ED浓缩浓水质量分数≥10%,流量约35.82m3/h进入双极膜电渗析系统的盐室制备硝酸溶液和氢氧化钠溶液。ED淡水质量分数1%,进入反渗透系统继续脱盐。

3、设计反渗透系统脱盐率≥95%,产水率约65%,则反渗透系统产水TDS≤500mg/L,水量约85m3/d,可以回用。RO浓水TDS约27600mg/L,水量约45.77m3/d,返回前端电渗析系统继续浓缩。

4、均相膜电渗析ED系统的脱盐量约为2620kg/d,脱盐率为59.6%,需要使用2台TRHE-JACM-12060/200的均相膜电渗析膜堆。

5、BPED系统的转化盐量为8500kg/d,生成纯碱约3980kg/d,生产纯酸6268.5kg/d。即双极膜电渗析装置每小时生成质量分数6% NaOH 溶液约66.33m3;生成质量分数5% HNO3溶液约125.37m3和质量分数3%NaNO3溶液约120.82m3/d。双极膜电渗析系统共需要去离子水约191.7m3/d,需要使用33台TRHB-JABCM-8040/60的双极膜电渗析膜堆。

三、 电气设计负荷及设备
本项目为三级供电负荷。进线电源由业主提供引至本系统的低压进线柜中,低压进线柜电压等级为AC380V,负荷如表2所述。
2均相膜电渗析与双极膜电渗析单元负荷表

序号

  

总功率(kW

运行功率(kW

工作时间(h/d)

每日耗电(Kwh

1

ED高频电源

60

31.325

20

626.522

2

BPED高频电源

475.2

438.859

20

8777.174

3

ED1浓淡水泵

3

2.4

20

48

4

ED1极水泵

0.75

0.5

20

10

5

ED清洗水泵

1.5

1.2

2

2.4

6

BPED酸盐碱水泵

13.5

10.8

20

216

7

BPED极水泵

4.5

3.6

20

72

8

BPED清洗水泵

2.2

1.5

2

3

9

装机功率

561.45 KW

10

运行功率

490.825 KW

11

日运行耗电

9761.5 KW


四、项目公共工程条件
1、用户需提供水源:自来水、冷却循环水,水温≤20℃,电渗析冷却循环水用量约45m3/h;

2、室内平地,混凝土地面,均相膜堆及附属区域占地面积20m2左右,双极膜膜堆占地面积120m2左右,有排污沟槽;配电控制室占地60m2以上。

3、本项目为三级供电负荷。进线电源由业主提供引至本系统的低压进线柜中,低压进线柜电压等级为AC380V,用户提供电力规格:三相五线制;

4、动力电源:380VAC ,50Hz ,三相+N+PE,接地系统为TN-C-S接地系统;低压电动机控制回路:220VAC,50Hz。

5、配电室考虑高频开关电源散热,需要控制室温,考虑通风散热;

6、工作环境需控制在-10~40℃,工作水温控制在5~35℃;

7、仪表用气,压力0.5-0.6MPa;

8、需方负责照明、消防、通讯、避雷等建设。

五、电渗析及双极膜电渗析主要设备清单

序号

设备名称

设备名称

规格型号

材质

单位

数量

备注

 
 

一、双极膜电渗析系统

 

1

容器类

原水箱

10m3

PP/PE

1

 

 

盐水箱

5m3

PP/PE

1

 

 

酸水箱

5m3

PP/PE

1

 

 

碱水箱

10m3

PP/PE

1

 

 

极水水箱

2m3

PP/PE

1

 

 

清洗水箱

1m32m3

PP/PE

2

 

 

酸储箱

10m3

PP/PE

1

 

 

碱储箱

10m3

PP/PE

1

 

 

淡盐水储箱

10m3

PP/PE

1

 

 

2

输送泵

原水泵

Q=5m3/h,H=20m

FRPP

1

 

 

盐水循环泵

Q=15m3/h,H=15m

FRPP

3

 

 

酸循环泵

Q=15m3/h,H=15m

FRPP

3

 

 

碱循环泵

Q=15m3/h,H=15m

FRPP

3

 

 

极水泵

Q=15m3/h,H=15m

FRPP

3

 

 

酸外供泵

Q=6m3/h,H=20m

FRPP

1

 

 

碱外供泵

Q=6m3/h,H=20m

FRPP

1

 

 

清洗水泵

Q=20m3/h,H=20m

FRPP

1

 

 

3

保安过滤器

精密过滤器

1um15m3/h

FRP

24

每路11

 

4

换热器

板式换热器

5m2

SS316

6

碱,极液

 

板式换热器

5m2

3

 

 

5

电渗析器

BPED

JRHE-JABCM-8040/60

组合件

33

 

 

7

仪表

在线电导率1

0~200ms/cm

组合件

4

极水,盐水

 

在线电导率2

0-500ms/cm

组合件

6

酸,碱

 

液位计

0~3m

组合件

9

 

 

电磁流量计

0~50m3/h,输出4~20mA信号

组合件

3

 

 

转子流量计

0~3m3/h,

组合件

1

 

 

压力表

0~4kg/cm2,0~2kg/cm2,径向隔膜式

PP

1

 

 

温度计

0~100

组合件

1

 

 

8

管阀件

气动阀门

DN80,50

 

1

选用,自控系统时用

 

隔膜阀

DN20

UPVC  

1

 

 

其他管阀件

DN80-20

1

 

 

9

电气控制

高频开关电源

14.4kw

组合件

33

 

 

PLC自控系统

含工控机、PLC控制系统(含软件)、总进线柜、就地柜、电气控制柜、动力电缆、信号电缆、桥架等

组合件

1

可选手动控制系统

 

10

五金件

 

机架,底座,托盘,支架等

 

1

 

 

二、浓缩电渗析系统

 

1

容器类

淡水箱

10m3

PP/PE

1

 

 

浓水箱

2m3

PP/PE

1

 

 

极水水箱

0.2m3

PP/PE

1

 

 

清洗水箱

0.5m3

PP/PE

1

可与双极膜的共用

 

2

输送泵

浓水泵

Q=10m3/h,H=20m

FRPP

1

 

 

淡水泵

Q=10m3/h,H=20m

FRPP

1

 

 

极水泵

Q=6m3/h,H=20m

FRPP

1

 

 

清洗泵

Q=20m3/h,H=20m

FRPP

1

 

 

3

保安过滤器

 

1um

FRP

3

 

 

4

换热器

板式换热器

5m2

Ti

2

浓水,极水

 

5

电渗析器

ED

TRHE-JACM-15W-12060/200

组合件

2

 

 

6

仪表

在线电导率

0~200ms/cm,

组合件

3

浓淡极

 

转子流量计

0~5m3/h,0~16m3/h

组合件

4

 

 

压力表

0~4kg/cm2,0~2kg/cm2,径向隔膜式

PP

4

 

 

温度表

0~100

组合件

2

 

 

7

管路系统

气动阀

DN50

UPVC  

1

 

 

隔膜阀

DN50DN20

UPVC

4

 

 

其他管路管件

DN50-20

1

 

 

8

电气控制

高频开关电源

130kw

组合件

2

 

 

控制系统

PLC控制系统,电气柜、动力电缆、信号电缆、桥架等

组合件

1

 

 

六、经济性分析(参考信息)
每天运行时间按20h计,年运行天数按330天计,均相膜电渗析和双极膜电渗析的经济运行分析如表3所示。

表3 均相膜电渗析和双极膜电渗析的初步经济运行分析
双极膜电渗析项目 单位 经济指标 备注
废水处理规模 m3/d 85  
电耗 总装机功率 Kw 496.2  
运行功率 Kw 455.399  
BPED吨水耗电 kwh/m3 106.760 折算至原水
年电费用 万元/年 179.677 330d/a
单位运行电费 元/吨水 64.056 电价按0.6元/度计
膜及耗材更换费用 年更换费 万元/年 142.56 双极膜2年,阴阳膜以5年计
吨水换膜费用 元/吨水 50.824  
总运行消耗费用 年总运行费用 万元/ 322.237  
单位运行费用 /吨水 114.88  
酸碱价值 产碱量 kg/d 3980  
吨水碱价值 元/吨水 163.88 碱折百3500元/t
产酸量 kg/d 6269.5  
吨水酸价值 元/吨水 125.39 酸折百1700元/t
酸碱吨水价值 元/吨水 289.27  
年价值 万元/年 811.402  
盈利 万元/ 489.165  
吨水 元/吨水 174.39 产出-消耗
 
 
电渗析项目 单位 经济指标 备注
废水处理规模 m3/d 85  
电耗 总装机功率 Kw 65.25  
运行功率 Kw 35.426  
ED吨水耗电 kwh/m3 8.08 折算至原水
年电费用 万元/年 13.599 330d/a
单位运行电费 元/吨水 4.848 电价按0.6元/度计
膜及耗材更换费用 年更换费 万元/年 6.4 阴阳膜以5年计
吨水换膜费用 元/吨水 2.282  
总运行费用 年总运行费用 万元/ 20  
单位运行费用 /吨水 7.13  
 
 
说明:该表是针对该水质情况的初步经济运行分析数据,供用户参考。
 
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