摘要：當(dāng)前淡水資源短缺已成為全球性的環(huán)境問題, 海水淡化被認(rèn)為是一種最具前景的解決方法. 目前已開發(fā)出了海水淡化技術(shù)，離子交換法淡化海水具有處理徹底、成本低、可再生等優(yōu)勢，已在海水淡化預(yù)處理、后處理、濃海水中提取化學(xué)元素等方面得到應(yīng)用，具有廣闊前景。

海水淡化是指將海水里面的溶解性礦物質(zhì)鹽分、有機物、細(xì)菌和病毒以及固體分離出來從而獲得淡水的過程. 從能量轉(zhuǎn)換角度來講, 海水淡化是將其他能源轉(zhuǎn)化為鹽水分離能的過程。離子交換法是目前除鹽最徹底的水處理技術(shù)[6]，它利用陽離子交換樹脂吸附水中的陽離子并釋放出氫離子，再用陰離子交換樹脂吸附其中的陰離子并釋放出氫氧根離子，二者中和而達到除鹽的目的。但是該方法處理含鹽量低的海水運行成本較低，而在含鹽量高的區(qū)域運行成本高，降低了它在海水淡化除鹽中的經(jīng)濟優(yōu)勢。隨著高容量離子交換樹脂的開發(fā)，其應(yīng)用價值越來越受到重視。

一、海水淡化技術(shù)

1、多效蒸餾。多效蒸餾法早期MED一直受換熱表面容易結(jié)垢(水垢)的制約, LT-MED系統(tǒng)中采用水平管降膜蒸發(fā)器，可以消除蒸發(fā)表面上的靜壓影響, 當(dāng)海水在冷凝器內(nèi)預(yù)熱后被分成兩股, 一股作為冷卻海水被排放回海中, 用于排出加入到系統(tǒng)中的過多的熱量; 另一股作為進料海水被分配到各效蒸發(fā)容器中. 在每一效蒸發(fā)容器中, 進料海水通過噴嘴被噴灑在水平布置的換熱管上。第一效內(nèi)水平管上的液膜通過吸收管內(nèi)加熱蒸汽冷凝釋放的潛熱而蒸發(fā), 由此產(chǎn)生的二次蒸汽進入第二效的水平管內(nèi)驅(qū)動管外液膜的蒸發(fā). 第一效的加熱蒸汽由外部蒸汽發(fā)生器提供, 加熱蒸汽在管內(nèi)冷凝后產(chǎn)生的冷凝水返回到外部蒸汽發(fā)生器. 此后每一效內(nèi)水平管外液膜的蒸發(fā)都由上一效提供的二次蒸汽驅(qū)動, 而二次蒸汽則在管內(nèi)凝結(jié)成淡水, 并被收集到淡水罐中. 由于每一效蒸發(fā)容器內(nèi)的壓力依次降低, 因而可以實現(xiàn)海水在每一效內(nèi)的連續(xù)蒸發(fā)而不需要再提供熱量.最后一效產(chǎn)生的二次蒸汽被引入到冷凝器中對海水進行預(yù)熱. 每一效內(nèi)未蒸發(fā)的剩余海水則作為濃鹽水被排出. 每一效蒸發(fā)容器內(nèi)產(chǎn)生的二次蒸汽都需要經(jīng)過除霧器以去除夾帶在二次蒸汽中的海水液滴,從而提高生產(chǎn)的淡水的質(zhì)量. 系統(tǒng)內(nèi)的每一效均需要與真空排氣系統(tǒng)連接以除去不凝氣, 不凝氣的存在會阻礙傳熱過程, 降低傳熱系數(shù)。

2、多級閃蒸。MSF系統(tǒng)同樣是由多個蒸發(fā)容器(閃蒸室)串聯(lián)而成, 海水首先被引入排熱段的冷凝管中, 在吸收蒸汽冷凝釋放的潛熱后, 海水被預(yù)熱至一個較高的溫度. 加熱后的海水被分成兩部分:一部分為冷卻海水, 排放回海中以排出系統(tǒng)中過多的熱量; 另一部分為進料海水, 經(jīng)過脫氣和化學(xué)預(yù)處理后, 與排熱段最后一級閃蒸室內(nèi)的海水混合. 隨后循環(huán)海水從排熱段最后一級中抽出, 被引入熱回收段最后一級的冷凝管中. 當(dāng)循環(huán)海水沿貫穿每一級的冷凝管向第一級流動時, 吸收管外閃蒸蒸汽冷凝時放出的潛熱而不斷升高溫度. 循環(huán)海水進入鹽水加熱器后, 吸收加熱蒸汽冷凝釋放的潛熱, 從而溫度升高到TBT, 而加熱蒸汽則在管外壁被冷凝成冷凝水. 此后熱海水依次進入壓力逐漸降低的熱回收段和排熱段的各級閃蒸室, 進入各級閃蒸室的熱海水的壓力高于對應(yīng)閃蒸室內(nèi)的壓力, 海水由于過熱而急速蒸發(fā)(閃蒸), 從而產(chǎn)生蒸汽. 各級閃蒸室中由閃蒸產(chǎn)生的蒸汽需要通過除霧器以去除夾帶在其中的海水液滴, 以提高產(chǎn)品水質(zhì)量和防止冷凝管外壁水垢的生成。為了將系統(tǒng)內(nèi)鹽水的濃度維持在一個合適的值, 最后一級閃蒸室內(nèi)的一部分濃鹽水會被排放到海洋中. 與MED系統(tǒng)相同, MSF系統(tǒng)需要與真空排氣系統(tǒng)連接以排出不凝氣, 從而消除不凝氣的存在對傳熱的不利影響。

二、離子交換法在海水淡化中的應(yīng)用

1、離子交換劑直接淡化海水。天然沸石分子篩是一種白色、無毒、無臭的晶體粉末，可吸附尺寸在0.3～2nm 的多種離子。基于這樣的原理，海水中的陽離子可以吸附到沸石分子篩的骨架結(jié)構(gòu)中，定位在孔道或空腔中的一定位置上。但海水溶液中的離子是電中性的，為了同時去除氯離子，[1]將天然沸石分子篩用硝酸銀溶液反應(yīng)，使之與銀離子進行交換，生成沸石銀復(fù)合物。然后利用沸石分子篩陰離子骨架上的銀離子去交換海水中的鈉離子、鎂離子、鈣離子等堿金屬離子，被替換到海水中的銀離子則與氯離子生成氯化銀沉淀，最終完成對海水或微咸水的淡化。天然沸石銀復(fù)合物淡化海水的能力與沸石類型有關(guān)。

從實驗結(jié)果來看，1g 沸石銀分子篩處理5 mL 海水，一般只能將氯離子去除8.73%～28.5%，連續(xù)處理8 次才能達到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。因此，如何提高沸石銀的交換能力仍然是技術(shù)的難點。將3A、4A、13X 和NaY 型沸石分子篩放入馬弗爐中于550℃焙燒，使之具有穩(wěn)定的活性和足夠的機械強度。粉碎，過40 目篩，按固液比1: 10 與硝酸銀溶液混合，微波爐加熱反應(yīng)16 min 后洗滌、抽濾，至濾液中無銀離子，105℃干燥2 h 得海水淡化劑。取各種淡化劑3A、4A、13X、NaY 各50 g，與250 mL 海水混合振蕩30min，海水中的氯離子分別降至1.25、1.20、1.38 和1.27 mg /L，海水中的鈉離子分別降至300、150、420 和800 mg /L，4A 型淡化及處理效果最好，但淡化水中各種離子濃度仍然高于自來水。

2、離子交換劑用于海水淡化預(yù)處理。海水是一個復(fù)雜的稀溶液體系，含有80 多種化學(xué)元素，同時海水中大量的鈣鎂離子所形成的碳酸鹽、碳酸氫鹽、氯化物等又導(dǎo)致海水具有很高的硬度。對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; 對于蒸餾法海水淡化而言，易產(chǎn)生鍋垢，從而降低蒸發(fā)效率。因此，淡化前需要進行海水預(yù)處理。海水預(yù)處理的程序一般是先用石灰-純堿軟化法去掉大部分鈣鎂離子，然后通過離子交換法進一步軟化。陽離子交換樹脂通常用鈉離子、氫離子型，通過陽離子交換反應(yīng)去除海水中的部分鈣鎂離子。如果單純使用鈉型陽離子交換樹脂，交換反應(yīng)后水中硬度雖被去除，但碳酸氫鈣和碳酸氫鎂轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓釟溻c，水質(zhì)呈堿性:

為此，可以同時使用氫型陽離子交換樹脂，使之與水中陽離子交換時釋放出氫離子，只要控制兩種樹脂的使用比例，便可使水的pH 值處于中性范圍之內(nèi)。

離子交換是目前海水淡化脫硼技術(shù)中最為重要和高效的方法，它的機理是利用離子交換樹脂上的功能基團與溶液中的離子發(fā)生交換反應(yīng)，以達到分離濃縮目的。按照活性基團的不同，研究人員先后使用過陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂、大孔樹脂和凝膠樹脂。由于硼酸可以迅速與多元醇和α- 羥基羧酸反應(yīng)形成穩(wěn)定的螯合物，研究人員開發(fā)出大量的含有微孔結(jié)構(gòu)的硼特效吸附樹脂[13]，其中主要是含有N-甲基葡萄糖胺的樹脂。這種弱堿性陰離子交換樹脂加入含硼水中后，硼酸受到功能基團中羥基氧原子的攻擊，原來的B-O 鍵斷裂而形成B -O-C 新鍵，斷裂后生成的羥基與功能基團斷裂產(chǎn)生的氫離子結(jié)合形成水。一般情況下，一個硼酸分子可與兩個羥基作用而形成穩(wěn)定的螯合物，直至離子交換反應(yīng)結(jié)束。離子交換樹脂法可通過較小的能量消耗，獲得很低的硼濃度，具有技術(shù)優(yōu)勢。但樹脂再生操作則耗費大量的化學(xué)藥劑，而且再生產(chǎn)水的處理可能會帶來二次污染，這方面已引起研究者的廣泛關(guān)注。

離子交換法不僅可以直接用于海水淡化，而且在常規(guī)海水淡化預(yù)處理、后處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。此外，該方法在濃海水提取鉀元素中發(fā)揮了重要作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

編輯：王媛媛