基于离子浓度势差发电的苦咸水处理循环系统

苟青松　贾德彬　王琪雯　孙既粤　袁泽

摘 要：结合我国水资源概况，分析苦咸水淡化的意义，根据苦咸水处理技术现状，将传统的苦咸水处理方法反渗透与浓差电池发电的电化学原理有机结合，探索出一种新型的苦咸水处理循环系统，并简述该系统的优良性与应用前景。

关键词：苦咸水 反渗透 浓差电池

中图分类号：TK224.21 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（a）-0056-02

水（H2O）是生物体生存的重要条件，也是生物体最重要的组成部分。它既有利于维持生物体内生化反应的正常进行，也有利于维持生物体内环境的稳定，如果其中含有某些有害物质，就会对人们的生产生活造成危害。苦咸水是一类因为矿化度较高而无法直接利用的劣质水资源，其成因多样，而且分布面积较广，危害性大，处理过程单一且耗能较大，因此，提高苦咸水处理效果，探索出一种新型的苦咸水处理循环系统是我们的研究目标[1]。

1 苦咸水淡化的意义

要认识苦咸水淡化的意义，必须要了解我国的水资源概况，尤其是苦咸水资源概况。

1.1 我国淡水资源概况

我国淡水资源总量2.8万亿吨，位居世界第六，但由于人口众多，我国人均水资源量仅为世界人均的1/4，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。我国水资源的时空分布受季风气候的影响，降雨年内分配极不均匀，年际变化也很大，我国有300个城市不同程度缺水，沿海城市也不例外；全國各地几乎每年都有旱灾发生，尤其是北方地区更甚。据专家估计，我国人口将在2030年达16亿，届时我国人均水资源量大约为1 700 m3，中国将步入严重缺水行列。缺水已经成为制约我国社会经济发展的最重要因素之一，每年因为缺水影响工业产值可达2 300 亿元，为了改变这一现状，我们不得不在节约用水的同时开辟第二水源。

1.2 我国苦咸水概况

苦咸水是一类因为矿化度较高而无法直接利用的劣质地下水，通常，我们把矿化度≥1.0 g/L的水称之为苦咸水，又可细分为微咸水（矿化度1～3 g/L）、半咸水（3～10 g/L）、苦咸水（10～50 g/L）、卤水（≥50 g/L），其形成与气候条件、地形地貌、构造运动、人类活动等因素有较大关系[2-3]。

我国苦咸水主要分布在北方、西北干旱内陆、东部沿海地区，各地区苦咸水可开采量见表1。

由表1可知，我国苦咸水可开采量约200亿m3/a，因此，利用苦咸水淡化，以提供安全、可靠的生产、生活用水，是缓解水危机的主要途径之一。

2 系统的工作原理

目前，苦咸水的处理方法有反渗透、电渗析、纳滤、蒸馏等，但这些大多都是一次工艺，对苦咸水的利用率不高，因此，为了提高苦咸水处理效果，我们将传统的苦咸水处理工艺反渗透与浓差电池发电的电化学原理有机结合，探索出一种新型较高效的苦咸水处理循环系统。

2.1 反渗透原理

把相同体积的稀溶液和浓液分别置于一容器的两侧，中间用半透膜阻隔，稀溶液中的溶剂将自然的穿过半透膜，向浓溶液侧流动，浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度，形成一个压力差，达到渗透平衡状态，此种压力差即为渗透压。若在浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力时，浓溶液中的溶剂会向稀溶液流动，此种溶剂的流动方向与原来渗透的方向相反，这一过程称为反渗透（见图1）。

反渗透是采用膜分离的水处理技术，与其他水处理方法相比具有无相态变化、常温操作、设备简单、效益高、环保、高脱盐率（除去90%的可溶性盐和99%以上的胶体微生物或有机物）、适应水质范围广的特点，其广泛应用于矿化度高的水的处理。

2.2 浓差电池原理

将浓溶液与稀溶液交替置于极室内，其间用具有选择透过性的阴阳离子交换膜隔开，浓溶液与稀溶液中的阴离子（主要是Cl-）、阳离子（主要是Na+）分别透过阴阳离子交换膜运动到阴阳极形成稳定的电势差，阴阳极极室的电中性溶液分别由阴阳极表面的氧化还原反应维持，当外接负载时，电子由阳极到阴极并且形成电流。溶液中的化学反应为：

阳极：2H++2e-=H2↑，OH-+Na+=NaOH

阴极：2Cl--2e-= Cl2↑

反应过程中，阴极形成弱酸性溶液，阳极形成弱碱性溶液，电极为钛涂钌惰性电极，本身不参与化学反应（见图2）。

2.3 循环系统的设计原理

将一定体积的未经过处理的高浓度苦咸水通入浓溶液极室，再往电极极室（稀溶液极室）通入少量体积的淡水，浓液极室与电极极室存在较大的离子浓度势差，溶液中阴阳离子分别透过阴阳离子交换膜运动到两极形成稳定的电势差，并且通过氧化还原反应产生电子得失，外接负载就有电流产生，浓差电池产生的电能可储存并利用；将浓差电池反应废液通入水箱，利用水泵通入反渗透装置浓液装置（中心圆极室）进行进一步处理，在浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力时，浓溶液中的溶剂（H2O）会向稀溶液（外围圆极室）移动，从而达到进一步脱盐的目的。再将稀溶液一部分通入浓差电池电极极室（不用再往电极极室通入淡水）以供下一个循环，另一部分即可排放，由此组成了苦咸水处理循环系统。

为了便于读者理解，笔者设计了循环系统装置如图3所示。

3 系统的优良性

与传统的苦咸水工艺相比，该系统进行了2次浓缩脱盐，提高了苦咸水处理效果；浓差电池正常发电，改变了传统苦咸水处理过程仅耗能不产能的特点，有效降低了处理过程成本；浓差电池发电过程基本无污染物产生，符合人类对新能源开发倡导的绿色理念。

经过多次实验，测得苦咸水经过该系统处理效果如表2所示。

同时实验测得发电单元电压为2.0 V，电流为11 mA，最大功22 MW，由于浓差电池功率密度与膜面积、苦咸水浓度、离子交换膜性能等多种因素有关，由于知识技术所限，该系统还有许多有待改进的地方，随着技术进一步成熟，该系统的处理效果与发电量会进一步提高。

4 系统的应用前景

该系统利用了盐差能发电的原理，结合苦咸水淡化，可以应用于任何富含离子浓度势差的废水处理，如火力发电厂废水、海水淡化等。

参考文献

[1] 王菁，孟祥周，陈玲，等.苦咸水成因及其淡化技术研究进展[J].甘肃农业科技，2010（7）：39-42.

[2] 吕建国.苦咸水技术研究进展[J].全国苦咸水淡化技术研讨论文集，2013（5）：106-109.

[3] 宋序彤，印明善.苦咸水淡化太阳能和电渗析淡化法[M].北京科学出版社，1983.