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冷冻法处理浓盐水研究 　　摘要：文章基于冷冻脱盐机理，利用六西格玛的方法论设计并研究了冷冻时间、冷媒温度对悬浮法冷冻结晶过程的影响。结果表明，随着冷冻时间的增加、冷媒温度的降低，产冰率增加，脱盐率随着产冰率的增加先增大后减小，呈现曲线关系。对实际水样的悬浮法冷冻脱盐过程研究表明，冷冻法除了对盐度有一定的去除作用之外，对COD脱除率达到50%左右。 　　关键词：冷冻脱盐；悬浮结晶法；产冰率；脱盐率；浓盐水 文献标识码：A 　　中图分类号：X701 文章编号：1009-2374（2016）30-0087-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.042 　　浓盐水最早产生于海水淡化过程中，是指将淡水分离出去之后的浓缩液。煤化工浓盐水相比而言具体的特点是含盐种类多、污染物浓度高、成分复杂等。 　　现有成熟的商业化浓盐水浓缩技术主要是沿用海水淡化工艺，得到普遍应用的有蒸馏法和反渗透法，但蒸馏法存在沸点高能耗高、腐蚀结垢严重，从而导致设备投资运行维护费用高等问题，而反渗透技术由于渗透压大、操作压力大，投资及运行成本加大，甚至部分煤化工浓盐水浓度超过了反渗透技术适用的上限。对比而言，冷冻法作为一种有很好应用前景的水处理方法，有其独特的优点：首先，水的凝固热仅为汽化热的1/7，所以过程本身能耗比蒸馏法大大降低；其次，因为是低温操作，大大减少了对设备材料的腐蚀，同时低温操作也会避免结垢问题；最后，冷冻法不需要添加任何化学试剂，避免了二次污染，是一种环境友好型的技术。 　　冷冻法按照结晶方式的不同分为悬浮结晶法和层状结晶法。层状结晶法是在冷却面上产生并成长为整体冰晶的冻结方式，固液界面小，母液与冰晶的分离十分容易但不能连续不间断操作；悬浮结晶法的特点是无数自由分散的细小的冰晶悬浮于溶液中，随着冷冻时间的增加冰晶逐渐长大并不断排除，使母液浓度增加而实现浓缩，缺点是分离操作不彻底，往往冰晶上会夹带小部分盐水，需要增加淋洗环节。 　　1 实验 　　1.1 实验原理 　　冷冻法是依据盐水比纯水的凝固点低的原理来进行的一种脱盐工艺。在对盐水降温的过程中，当温度降到0℃以下，溶液中的纯水会凝固成冰，盐分被排除在冰晶以外，从而使溶液得到浓缩。冷冻法的技术路线如图1所示： 　　1.2 实验设备 　　实验所用设备为带制冷和搅拌的结晶罐，主要包括制冷循环系统、搅拌系统和结晶分离系统，如图2所示： 　　1.3 实验设计 　　实验采用六西格玛方法设计，包括定义（Define）、测量（Measure）、分析（Analyze）、设计（Design）、优化（Optimize）、验证（Verify）六大工具。该方法通过深入挖掘分析市场、客户需求，识别、规避项目中的风险，科学、合理地安排及挖掘数据背后的信息，从而大幅度缩短了研发周期，节省了大量人力和财力，提高了研发项目的质量。 　　基于六西格玛方法的实验设计工具，确定了实验目的，即考察冷冻时间和溶液终点温度（冷媒温度）两个关键因子对脱盐率和产冰率两个考核指标的影响。运用响应曲面的设计工具，设计实验如图3所示。 　　1.4 实验方法 　　实验采用制冷循环系统降低盐水温度达到其冰点，在冰点附近加入冰晶作为晶种，改变冷冻时间、冷媒温度等因素研究冷冻浓缩工艺。结晶过程结束后，通过调节结晶罐底部的阀门放出浓缩液，产生的冰晶留在结晶罐内部，待融化后取出。测定浓缩液和冰融水的电导率，并与原液对比，探讨冷冻过程的脱盐效果。 　　1.5 实验现象 　　本研究采用悬浮结晶法冷冻浓盐水，实验过程中观察到从溶液中慢慢出现无数细小的冰晶，最初呈现絮状。随着冷冻过程的进行，冰晶的数量增加，溶液变得浑浊，冰晶粒径也不断均匀长大，最终在结晶罐中生成大小基本均一的冰晶颗粒。 　　1.6 数据分析 　　冷冻过程的脱盐效果用脱盐率进行评价，即： 　　Y1=100%×（1-K/K） 　　式中：kIn、kOut是结晶罐进、出口液体的电导率，通过电导率仪直接测量，单位为mS/cm。 　　另外对冷冻过程的产冰率进行了分析，即： 　　Y=100%×Vce/V 　　式中：VIce、VIn是冰、总溶液的体积，通过量筒直接测量，单位为mL。 　　2 结果与讨论 　　2.1 不同浓度盐水溶液的冰点 　　在一定盐度范围内，随着溶液盐度的增加，溶液的冰点随之下降，因此海水的冰点比纯水低，下降幅度随含盐量的增加而增加。实验研究了4种不同浓度的盐水溶液，得到其室温下对应的冰点，结果如图4。与文献中已有的海水冰点变化趋势一致。 　　2.2 初步结果 　　利用六西格玛方法的分析工具，初步得到了反应时间和冷冻温度对产冰率和脱盐率的关系曲线，如图5所示。从图中可以看出反应时间和溶液终点温度对