离子交换技术与海水淡化

目录

摘要 .......................................................................................................................................... 2

Abstract ..................................................................................................................................... 2

关键词 ...................................................................................................................................... 2

一、海水淡化的背景............................................................................................................... 2

1.海水淡化的原因 .................................................................................................................... 2

2.海水的成分 ............................................................................................................................ 3

二、海水淡化的技术： ........................................................................................................... 3 1.海水的预处理 ........................................................................................................................ 3

2.反渗透.................................................................................................................................... 4

3.电渗析.................................................................................................................................... 4

4.蒸馏法.................................................................................................................................... 4

5.海水淡化的建设周期 ............................................................................................................ 4

三、离子交换海水的淡化技术： ........................................................................................... 5 1.淡化原理 ................................................................................................................................ 5

2.离子交换剂直接淡化海水 .................................................................................................... 5

3.离子交换剂用于淡化海水的预处理 .................................................................................... 5

3.离子交换剂用于淡化海水的后处理 .................................................................................... 6

4.离子交换技术淡化海水的特点 ............................................................................................ 6

5.离子交换技术淡化海水的发展前景 .................................................................................... 6

四、结语................................................................................................................................... 7

五、参考文献：....................................................................................................................... 7

摘要

随着我国经济的快速发展，用水量急剧增加，沿海地区由于经济发达人口众多，对水资源的需求量更大，水资源严重匮乏，海水淡化将成为沿海城市解决水危机的重要途径。离子交换法淡化海水具有处理彻底、成本低、可再生等优势，已在海水淡化预处理、后处理、浓海水提取化学元素等方面得到广泛的应用，具有广阔的前景。

Abstract

With the rapid development of economy in our country, water consumption has increased dramatically, due to the economic developed coastal areas with a large population, the greater demand for water resources, water resources are scarce, desalination will become the important way to solve the problem of water crisis in coastal cities.Method of ion exchange desalination has complete processing, low cost and renewable advantages, has been in seawater desalination pretreatment, aftertreatment, strong water extraction widely used in the chemical elements and so on, has a broad prospect.

关键词

海水淡化；离子交换技术应用；离子交换技术海水淡化前景

一、海水淡化的背景

1.海水淡化的原因

水资源是基础性自然资源和战略性经济资源，是经济社会发展的命脉，淡水资源短缺已成为制约我国经济和社会可持续发展的重要因素之一。海水利用已成为世界许多临海国家新水源开发的战略决策,也是缓解我国水资源短缺、促进经济可持续发展的重要途径。

为解决淡水资源的供需矛盾，人们的目光早已转向相当于全球淡水37.6倍储量的海水。于是，海水和微咸水淡化被视为开发新水源、解决淡水资源危机的基本途径。由于物理方法耗能多、造价高，只适合于经济发达国家，适用性有限。为此，有人研究开发了用离子交换法进行海水淡化的新技术，并取得了成功。表1为淡化综合水价与沿海自来水价的比较：

从上表可以看出，到了2010年，海水淡化的水价，比居民自来水价比居民自来水价和工业自来水价都要低。

2.海水的成分

海水是一种非常复杂的多组分水溶液，海水中各种元素都以一定的物理化学形态存在。海水中溶解有各种盐分，海水盐分的成因是一个复杂的问题，与地球的起源、海洋的形成及演变过程有关。一般认为盐分主要来源于地壳岩石风华产物及火山喷出物。另外，全球的河流每年向海洋输送5.5×1015g溶解盐，这也是海水盐分来源之一。从其来源看，海水中似乎应该含有地球上的所有元素，但是，由于分析水平所限，已经测定的仅有80多种。

下表为典型海水水质中心表；

二、海水淡化的技术：

海水的淡化技术主要是将海水脱盐产生淡水，以用来实现水资源的利用，增加淡水量，全球的海水淡化有很多种方法，有反渗透法、低多效、多级闪蒸、电渗析法、压汽蒸馏、露点蒸发法、水电联产、热膜联产以及利用核能、太阳能、风能、潮汐能海水淡化技术等等，以及微滤、超滤、纳滤等多项预处理和后处理工艺。在这里我们主要介绍反渗透、电渗析和蒸馏三种的方法。

1.海水的预处理

海水预处理的目的是去除地表海水中存在的泥沙、胶体、微生物等杂质，它为了确保反渗透系统能够长期稳定的运行，在海水预处理工艺设计时经预处理后的海水水质应达到反渗透膜元件的进水水质要求。

海水预处理的处理工艺有：(1)混凝过滤或者浅层气浮；(2)加药消除余氯和防止反渗透膜面结垢沉淀；(3)保安过滤。

2.反渗透 通常又称超过滤法，是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开的。在通常情况下，淡水通过半透膜扩散到海水一侧，从而使海水一侧的液面逐升高，直至一定的高度才停止，这个过程为渗透。此时，海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压，那么海水中的纯水将反渗透到淡水中。反渗透法的最大优点是节能。它的能耗仅为电渗析法的1/2，蒸馏法的1/40。 反渗透海水淡化技术发展很快，工程造价和运行成本持续降低，主要发展趋势为降低反渗透膜的操作压力，提高反渗透系统回收率，廉价高效预处理技术，增强系统抗污染能力等。

3.电渗析

渗析是属于一种自然发生的物理现象。如将两种不同含盐量的水，用一张渗透膜隔开，就会发生含盐量大的水的电介质离子穿过膜向含盐量小的水中扩散，这个现象就是渗析。这种渗析是由于含盐量浓度不同而引起的，称为浓差渗析。渗析过程与浓度差的大小有关，浓差越大，渗析的过程越快，否则就越慢。因为是以浓差作为推动力的。因此，扩散速度比较慢。如果在膜的两边施加直流电场，就可以加快扩散速度。电解质离子在电场的作用下，会迅速地通过膜，进行迁移过程，这样，就形成了去除水中离子的淡水室和离子浓缩的浓水室，将浓水排放，淡水即为除盐水。这就是电渗析法除盐原理。

4.蒸馏法

蒸馏法虽然是一种古老的方法，但由于技术不断地改进与发展，该法至今仍占统治地位。蒸馏淡化过程的实质就是水蒸气的形成过程，其原理如同海水受热蒸发形成云，云在一定条件下遇冷形成雨，而雨是不带咸味的。根据设备蒸馏法、蒸汽压缩蒸馏法、多级闪急蒸馏法等。

5.海水淡化的建设周期

一般来说，万吨级反渗透海水淡化工程的建设周期为2年左右，百吨级至一千吨海水淡化工程的建设周期为3~12个月。而低温多效海水淡化工程的时间稍长，万吨级海水淡化工程的建设周期为3年左右，百吨级至一千吨淡化工程的建设周期为6~18个月。

三、离子交换海水的淡化技术：

1.淡化原理 该技术采用天然沸石分子筛作基本材料。天然沸石分子筛是一种白色、无毒、无臭的晶体粉末，可吸附尺寸在0.3-2nm的多种离子。在分子筛骨架结构中，阳离子定位在孔道或空腔中的一定位置上，在水溶液中，是可以互相交换的。 具体方法是将天然沸石分子筛作为基本材料，加入到AgNO3中，与Ag离子进行交换，然后利用交换在天然沸石分子筛阴离子骨架上的Ag 离子去沉淀溶液中Cl离子，同时溶液中的Na离子、Mg离子等碱金属、碱土金属被反交换在天然沸石分子筛阴离子骨架上，最终完成对海水（sw）或微咸水（ww）的淡化。 实验的技术路线为：

NaZ+Ag+→AgZ+Na+

AgZ+Na++Mg++K++Cl−→NaZ+AgCl↓（白色）

KZ

MgZ

式中：NaZ为钠型沸石分子筛；

AgZ为银型沸石分子筛；

KZ为钾型沸石分子筛；

MgZ为镁型沸石分子筛。

2.离子交换剂直接淡化海水

天然沸石分子筛是一种白色无毒无臭的晶体粉末，可吸附尺寸在0.3~2nm的多种离子，基于这样的原理，海水中的阳离子吸附到沸石分子筛的骨架结构中，定位孔道或空腔中的一定位置，但海水溶液离子是电中性的，为了同时去除氯离子，将天然分子筛与硝酸银溶液反应，将银离子进行交换，生成沸石银复合物，然后利用沸石分子筛的阴离子结构上的银离子去交换海水中的钠离子、镁离子、钙离子等碱金属离子，被替换掉的银离子则与海水中的氯离子产生氯化银沉淀，反应方程式在上式，最终完成海水的淡化。

3.离子交换剂用于淡化海水的预处理

海水是复杂的稀溶液体系，含有80多种化学元素，同时海水中含有大量的钙镁离子，导致海水具有很高的硬度，对于膜法海水淡化而言，高硬度海水容易堵塞膜孔，降低膜的透水率，对于蒸馏法淡化海水而言，在锅内易结垢，从而降低蒸发效率，使锅体受热不均匀，已发生意外。因此，淡化海水需要预处理。 海水的预处理程序先用石灰软化去掉大部分钙镁离子，然后通过离子交换法进一步软化，阳离子交换树脂常用钠离子、氢离子型，通过与海水中的反应去除

大部分的钙镁离子，如果单纯使用钠型阳离子型交换树酯，交换反应后，水中硬度虽被去除，但碳酸氢钙和碳酸氢镁转换为碳酸氢钠，水质呈碱性：

Ca(HCO3)2+2NaR→Ca2++2NaHCO3

Mg(HCO3)2+2NaR→Mg2++2NaHCO3

所以，同时使用氢离子树脂，与水中阳离子交换时释放氢离子：

Ca2++2HR→CaR2+2H+

Mg2++2HR→MgR2+2H+

从式子可以看出，只要控制两种树脂的使用比例，便可是水的pH值处于中性范围内。 3.离子交换剂用于淡化海水的后处理

反渗透法是现如今淡化海水最常用的一种方法，但是此法还存在很多问题，其中最令人关注的便是除硼问题，反渗透法只能除去海水中40%~50%的硼，淡化海水中的硼含量仍在0.5~2.5mg/l之间，完全不符合饮用水和灌溉水的标准。而离子交换是目前海水淡化除硼最为重要和高效的方法，它的机理是利用离子交换树脂内的功能基团与溶液中的离子发生交换反应，以达到分离和浓缩的目的，按照活性基团的不同，研究人员先后通过阳离子交换树脂、阴离子交换树脂、大孔树脂和凝胶树脂，由于硼酸可以迅速与多元醇和α—羟基羧酸反应形成稳定的螯合物，研究人员研发出了大量含有微孔结构的硼特效吸附树脂，其中主要含有N-甲基葡萄糖胺的树脂，这种弱碱性阴离子交换树脂加入含硼的水后，硼酸受到功能基团中羟基氧原子的攻击，原来的B—O键断裂形成B-O-C新键，断裂后形成的羟基与功能基团断裂产生的氢离子形成水，一般情况下，一个硼酸分子可与两个羟基作用形成稳定的螯合物，直至离子交换反应结束。

4.离子交换技术淡化海水的特点

（1）含Ag 离子的天然沸石分子筛处理海水及微咸水后，Ag 离子以AgCl状态沉淀；含K、Na、Mg 离子的沸石分子筛亦以沉淀状态从淡化后的水中分离出去，淡化后的水中未带入其他离子。

（2）淡化后的水中仍会保留部分人体需要的离子，不是纯水，符合国家规定的饮用水标准，有利于人体健康。

（3）本工艺过程中，不排放污染环境的污气、液、渣，符合环保要求。

（4）由于形成AgCl沉淀的溶解度极小，化学反应的化学动力性强，在无电力的情况下，用风力或人力搅拌、晃动等都可以完成淡化，适用范围广。

（5）作为生产含Ag 离子的沸石分子筛之原料的天然沸石在我国贮量大，质优价廉，可供充分开发利用。

5.离子交换技术淡化海水的发展前景

（1）民用。由于目前自来水净化工艺无法去除微咸水中氯、钠、钾、镁等离子，因此，以微咸水为源的食品、造纸、印染等工艺，可以用该技术自制小型淡化设施，淡化后的水产品质量好，淡化的费用低。亦可以在居民小区建小型微咸

水淡化厂，应用含Ag离子的沸石分子筛淡化微咸水，以桶装形式向居民或企事业单位出售，供直接饮用，造价是纯净水造价的0.9%-2.5%。

（2）军用。为战备需要，可在远离海岸无淡水的军事用小岛上，建小型海水淡化装置。该装置简单，易操作（不考虑回收）。

四、结语

离子交换树脂法可通过较小的能耗来获得很低的硼浓度的水，具有技术上的优势，但树脂再生的操作则要花费大量的化学药剂，而且再生产水处理会产生二次污染，在这一方面引起了研究者们的广泛关注。

五、参考文献：

陈鹏飞.李媛.陈玲.曾宇佳.王瑶.周学永.Chen Pengfei.LiYuan.ChenLing.ZengYujia.WangYao.ZhouXueyong离子交换法在海水淡化中的应用[期刊论文]-山东化工 2015(11)