作者：刘 捷1,2 , 仝胜录1,2 , 何加浩3 , 熊日华1,2 , 李文斌3 (1. 北京低碳清洁能源研究院, 北京 102211; 2. 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室, 北京 100011; 3. 武汉纺织大学 湖北省纺织新材料与先进加工技术省部 共建国家重点实验室培育基地, 湖北 武汉 430200)

摘 要: 针对传统的蒸发塘处理煤化工含盐废水存在的蒸发效率低、 占地面积大等问题, 选取涤纶织物作为煤化工含盐废水的流动载体, 利用其具有比表面积大、 光热转化效率高的优 势, 提高煤化工含盐废水的蒸发效率; 探讨了环境温度、 湿度、 风速、 织物组织结构及其比表 面积对煤化工含盐废水蒸发速率的影响; 结果表明: 织物组织结构影响煤化工含盐废水的蒸发 面积, 1 mm 2 平纹织物表面的煤化工含盐废水理论蒸发面积为 5. 13 mm 2 , 在光照强度为 1 kW/ m 2 、 环境温度为 30 ℃ 、 湿度为 30%以及风速为 2. 0 m / s 时, 煤化工含盐废水在平纹织物 表面的蒸发速率高达到 1. 28 kg / (m 2·h), 为传统自然蒸发效率的 3 倍。

关键词: 纺织品; 含盐废水; 蒸发速率; 涤纶织物; 蒸发面积

中国水资源总量约为 2. 81×10 13m 3 , 约占全 球水资源总量的 7%, 居世界第六位, 但人均水 资源量仅有 2 200 m 3 , 为世界平均水平的 1 / 4, 被列为世界人均水资源贫乏国家之一[1-2] 。 尽管 水资源如此紧缺, 但是在目前煤化工行业中, 一 方面需要占用有限的水资源来维持正常生产, 另 一方面却又要排放大量工业废水[4] 。 如果这些废 水无法得到有效的处理, 无疑会使得我国水资源 不足的问题更加严峻[3] 。 煤化工含盐废水根据含盐量高低可分两类: 一是低浓度含盐废水; 二是高浓度含盐废水[6] 。 低浓度含盐废水可被浓缩成为高浓度含盐废 水[5] , 高浓度含盐废水需通过进一步脱盐处理, 最后经过蒸发结晶实现 “零排放” [7-8] , 该过程 中的达标产水被回用。 如何实现低能耗、 高效率 处理这些高浓度含盐废水一直是我国环境科研工 作者们关注的问题之一。 目前, 高浓度煤化工含盐废水蒸发处理方法 按照能源来源可分为两大类: 人造能源蒸发以及 自然能源蒸发[11] 。 前者主要分为多效蒸发技 术[12] 、 机械式蒸汽再压缩技术[13] ; 后者主要为 自然蒸发塘蒸发技术 [14] 。 人造能源蒸发处理的 优点是处理速度快、 效率高, 但是需要消耗大量 的电能或者热能, 设备投资和运行成本高昂[9] 。 相反的, 自然能源蒸发技术优点是主要依靠太阳 能, 但是效率低且占地面积大[10] 。 针对自然蒸发效率低以及占地面积大的问 题, 本文采用黑色涤纶织物作为煤化工含盐废水 的流动以及蒸发载体[15] , 利用纺织品多孔结构、 比表面积大[16] 、 可快速进行水分迁移、 热量交 换以及黑色纺织品具有良好的光热转化能力的特 点[17] , 实现煤化工含盐废水的高效蒸发。 主要 研究了织物的组织结构对煤化工含盐废水蒸发速 率的影响以及环境温、 湿度和风速对煤化工含盐废水蒸发速率的影响。

1 实验部分

1. 1 材料与设备 原料: 180 tex 黑色涤纶短纤纱线(直径为 0. 4 mm, 38D-棉型, 天台伟盛滤布有限公司); 煤化工含盐废水, 其水质分析结果见表 1。

设备: 织物小样机(YG1253, 中国), 模拟 太阳光源(Lambda 950, PerkinElmer, 美国), 电 子温湿度计(DRETECO-230, 日本), 风速仪(希 玛 AS8336, 中 国), 量 筒 ( 5 000 mL ), 水 泵 (SOBOWP-4500, 16W, 中国)。

1. 2 实验方法

1. 2. 1 纺织品制备 将上述黑色涤纶短纤纱通过 YG1253 小样机 织造为 40 cm×20 cm 的黑色涤纶织物, 各项参数 如表 2 所示。 1. 2. 2 含盐废水蒸发实验 由于本实验需要对环境温、 湿度以及风速进 行实验, 很难在自然条件下获取较为科学和准确 的数据, 所以将实验设备移入恒温恒湿实验室 中, 通过人为控制温度、 湿度和风速, 从而获得 可靠和科学的实验数据。 (1)将三种 40 cm×20 cm 的涤纶织物分别安 装在图 1 所示的煤化工含盐废水蒸发装置中, 将 煤化工含盐废水在透明玻璃皿中蒸发作为对 照样;(2)先水泵供水 20 min, 待织物完全润湿后 停止供水, 记录此时量筒中的水量, 再继续供水 进行试验, 此时开启模拟光源, 光照强度均设定 为 1 kW/ m 2 ; (3)每隔 1 h 记录量筒里煤化工含盐废水的 剩余量, 并实时记录测试过程中的环境温、 湿 度, 汇总成表格。 织物煤化工含盐废水蒸发速率计算公式: γ = ρ × V0 - V1 A × t (1) 式(1) 中: γ 为蒸发速率, kg / (m 2 ·h); ρ 为煤化工含盐废水密度, g / mL; V0 为初始废水 体积, V1 为实时废水体积, mL; A 为织物面积, m 2 ; t 为时间, h。

2 结果与讨论 2. 1 织物组织结构对含盐废水蒸发速率影响 根据 1. 2. 2 节实验过程, 实验条件为光照强 度 1 kW/ m 2 , 环境温度 30 ℃ , 环境湿度 60%, 测试风速 1. 0 m / s。 研究三种织物组织结构以及 对照样对煤化工含盐废水蒸发速率的影响, 测试 结果如图 2 所示。

如图 2 所示, 平纹织物的蒸发速率为 1. 2kg / (m 2·h), 斜纹织物为 1. 08 kg / (m 2·h), 缎 纹织物为 0. 97 kg / (m 2·h), 对照样的蒸发速率 为 0. 40 kg / (m 2·h)。 煤化工含盐废水在平纹织 物表面蒸发速率为其在自然状态下蒸发速率的 300%。 这主要是由于一方面黑色涤纶织物具有 良好的光热转化能力, 大量的太阳能被转化为热 能从而保证煤化工含盐废水在非沸腾蒸发时的能 量供给[18] , 另一方面是由于织物具有较大的比 表面积, 织物表面可以附着大量的水分, 从而增 加了煤化工含盐废水的蒸发面积。 值得注意的 是, 织物结构不同, 含盐废水的蒸发速率也有所 差异, 这是由于不同的交织方式导致织物的比表 面积也有所差异, 从而导致蒸发面积也会不同。 由于实际情况中织物中纱线大部分为扁平状 态, 而纱线的纤维根数和比表面积不变, 为简化 计算, 假设纱线为圆柱体且只有纬纱发生弯曲, 煤化工含盐废水在织物表面蒸发时, 其蒸发面积 计算如下所示。 平纹组织结构: 式中: Su 为一个组织单元中蒸发面积, mm 2 ; Sj 为一个组织单元中经纱表面积, mm 2 ; Sw 为一 个组织单元中纬纱表面积, mm 2 ; Pj 为经密度, 根/ cm; Pw 为纬密, 根/ cm; R 为纱线直径, mm; A 为一个组织单元经向宽度, mm; B 为一个组织 单元纬向宽度, mm; a 为纬纱间隙, mm; b 为两 根经纱间平均间隙, mm; Sp 为一平方厘米中总的 蒸发面积, 如图 3, 图 4, 图 5 所示。 斜纹组织结构仅仅只是因为经纬纱线为交织 方式不同, 所斜纹的织物蒸发面积计算与平纹类似


由 图 6 可 知, 平 纹 织 物 蒸 发 面 积 为 5. 13 mm 2 , 斜纹为 3. 74 mm 2 , 缎纹为 2. 97 mm 2 , 相对应的水的蒸发面积即为水的表面积, 为 1 mm 2 。 对比图 2 可知, 煤化工含盐废水的蒸发面 积越小, 其蒸发速率也就越小。 由于煤化工含盐 废水在平纹织物表面的蒸发面积最大, 所以在相 同条件下, 煤化工含盐废水的蒸发效率最高。

2. 2 环境温度对含盐废水蒸发速率的影响 根据 1. 2. 2 节实验过程, 实验条件为光照强 度 1 kW/ m 2 , 环境湿度 60%, 风速 1. 0 m / s。 环 境温度分别为 10 ℃ , 15 ℃ , 20 ℃ , 25 ℃ , 30 ℃ , 35 ℃ , 采用表 2 中平纹织物作为含盐废水的 流动载体, 研究不同环境温度下煤化工含盐废水 的蒸发速率, 具体测试结果如图 7 所示。 如图 7 所示, 在环境温度为 10 ℃ 时, 煤化 工含盐废水的蒸发速率为 0. 60 kg / (m 2·h); 而 当环境温度为 35 ℃时蒸发速率为 1. 24 kg / (m 2· h)。 这是因为在蒸发过程中, 液态水蒸发变为汽 态水是一个相变过程, 因此需要吸收一定热量, 同时液体中的水分子从液态转变为汽态, 其动能 变大, 这个过程都需要一定的能量补给[20] 。 因 此, 周围环境温度越高, 则单位体积所含的热量 也越大, 蒸发面处的水分子运动越快, 水分子逸 图 7 不同环境温度下含盐废水在平纹织物表面的蒸发速率 出的可能性越大, 导致蒸发速率越快。 2. 3 环境湿度对含盐废水蒸发速率影响

如图 8 所示, 在湿度为 30%时, 煤化工含盐 废水蒸发速率为 1. 42 kg / (m 2·h); 而当湿度为 70%时, 含盐废水蒸发速率为 1. 13 kg / (m 2·h)。 这是因为蒸汽压差是蒸发的重要推动力, 且蒸发 是一个趋于动态平衡的过程, 在其他条件不变 时, 液体表面逸散的水分子数量在单位时间内应 保持不变。 但是随着湿度上升, 空气中的水分子 数量不断增加, 空气中水分子回到液面的可能性 也会增加, 所以整体的蒸发率会呈现下降趋势。

2. 4 风速对含盐废水蒸发速率影响 根据 1. 2. 2 节实验过程, 实验条件为光照强 度 1 kW/ m 2 , 环境温度 30 ℃ , 环境湿度 60%。 风速分别为 0 m / s, 0. 5 m / s, 1. 0 m / s, 1. 5 m / s, 2. 0 m / s。 采用表 2 中平纹织物作为含盐废水 的流动载体, 研究不同风速下煤化工含盐废水的


根据 1. 2. 2 节实验过程, 实验条件为光照强 度为 1 kW/ m 2 , 环境温度为 30 ℃ , 风速为 1. 0 m / s。 环境湿度分别为 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 采用表 2 中平纹织物作为含盐废水的流动 载体, 研究不同环境湿度下煤化工含盐废水的蒸 发速率, 具体测试结果如图 8 所示。


如图 8 所示, 在湿度为 30%时, 煤化工含盐 废水蒸发速率为 1. 42 kg / (m 2·h); 而当湿度为 70%时, 含盐废水蒸发速率为 1. 13 kg / (m 2·h)。 这是因为蒸汽压差是蒸发的重要推动力, 且蒸发 是一个趋于动态平衡的过程, 在其他条件不变 时, 液体表面逸散的水分子数量在单位时间内应 保持不变。 但是随着湿度上升, 空气中的水分子 数量不断增加, 空气中水分子回到液面的可能性 也会增加, 所以整体的蒸发率会呈现下降趋势。

2. 4 风速对含盐废水蒸发速率影响 根据 1. 2. 2 节实验过程, 实验条件为光照强 度 1 kW/ m 2 , 环境温度 30 ℃ , 环境湿度 60%。 风速分别为 0 m / s, 0. 5 m / s, 1. 0 m / s, 1. 5 m / s, 2. 0 m / s。 采用表 2 中平纹织物作为含盐废水 的流动载体, 研究不同风速下煤化工含盐废水的蒸发速率, 具体测试结果如图 9 所示。
如图 9 所示, 在风速为 0 m / s 时蒸发速率为 0. 3 kg / (m 2·h), 而当风速为 2. 0 m / s 时蒸发速 率为 1. 28 kg / (m 2·h)。 风速越快煤化工含盐废 水的蒸发速率越快。 这是由于空气对流改变了液 面附近空气中蒸气压而引起。 液体的挥发和冷凝 是一个趋于动态平衡的过程, 当液体上表面环境 中的蒸汽压达到饱和时, 液相水分子的气化速度 等于汽相水分子的冷凝速度, 液体和气体达到平 衡状态[21] 。 当有风存在时, 织物表面的微环境 发生了改变, 一方面由于外界的空气进入液体上 表面微环境中, 导致微环境中的空气温度上升, 饱和蒸气压会上升, 增加了液相水分子汽化的数 量; 另一方面由于流动的空气将逸出的水分子迅 速带走, 导致湿度降低, 微环境中的蒸气压下 降, 降低了气相水分子的数量, 所以微环境中需 要更多的液相水分子汽化为气相水分子, 从而达 到平衡状态。 当风速越快时微环境中所需的气相 水分子更多, 蒸发速率也就越快。

3 结 论 本文采用黑色涤纶织物作为煤化工含盐废水的 蒸发载体, 研究煤化工含盐废水在织物表面蒸发的 影响因素。 结果表明: 织物组织结构主要是改变了 织物的蒸发面积从而改变煤化工含盐废水蒸发速率, 平纹、 斜纹以及缎纹织物的蒸发面积相对于平面蒸 发分别提高了 413%、 274%以及 197%。 煤化工含盐 废水在平纹、 斜纹以及缎纹织物表面的蒸发速率相 比于平面蒸发分别提高了 200%、 170%以及 143%; 在环境温度为 30 ℃ 时、 湿度为 30%以及风速为 2. 0 m/ s 时, 煤化工含盐废水在平纹织物表面的蒸 发速率达 1. 28 kg / (m 2·h)。