海水除硼方法研究进展

海水除硼方法研究进展

翟晓飞;张宇峰;孟建强

【摘要】介绍了硼的基本性质和硼对植物及人类的危害；重点介绍了海水除硼的几种方法,如反渗透法、电渗析法、离子交换法、萃取法、吸附法等,并对各种方法的分离过程、优缺点、发展趋势等做了分析.%The basic properties of boron and the harm to plants and human beings are introduced.Several methods of boron removal from the seawater system are emphatically introduced,such as reverse

osmosis,electrodialysis,ionexchange,abstraction,adsorption and so on.The separation process,the advantages and disadvantages,the trend of development of all kinds of the methods are analyzed.

【期刊名称】《天津工业大学学报》

【年(卷),期】2013(032)003

【总页数】6页(P28-32,36)

【关键词】除硼;分离;海水

【作者】翟晓飞;张宇峰;孟建强

【作者单位】天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程省部共建国家重点实验室培育基地,天津300387;天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程省部共建国家重点实验室培育基地,天津300387;天津工业大学中空纤维膜材料与膜过程省部共建国家重点实验室培育基地,天津300387

【正文语种】中文

【中图分类】TS102.54;TV213.1

作为一种重要的化学元素，硼及其化合物对于工农业生产以及动植物的生长繁育均具有重要的作用[1-3]，但过量的补充硼又会对机体产生危害[4]，硼的摄入量过高会引起恶心、头痛、腹泻、肾损伤，甚至循环衰竭而导致死亡[5-6].实验室研究也表明，过量的硼对雄性的生殖系统也有阻碍作用 [7].世界卫生组织在2005年发布的《饮用水水质准则（第三版）》中规定:饮用水中硼含量不得高于0.5 mg/L[8].尽管这个标准最近已被更改为2.4 mg/L，但是除部分耐硼能力强的植物外，灌溉水的硼浓度仍然限制为1 mg/L.海水中硼平均浓度为5.0 mg/L，远超WHO设定标准.因此，除硼和除盐一样，都是海水淡化急需解决的主要问题.本文对海水除硼方法的分离过程、优缺点及应用现状进行了综述，并分析了海水淡化除硼方法的发展趋势，以期为新型除硼方法的研发提供参考.

1 硼的基本性质及危害

硼（B）是一种重要的非金属元素，其价层电子构型为2s22p1，外层具有3个电子.硼原子的小半径和高离子能决定了硼原子成键的共价性.硼原子的共价性及其价电子数少于价层轨道数的特点，决定了硼原子是“缺电子原子”，具有很强的接受电子能力，可与其他原子形成共价化合物[9-10].

硼广泛存在于水体和岩石中，无游离态，主要以正硼酸（H3BO3）和硼酸盐的形式存在[11].硼酸的电离常数为9，是一种弱酸，是硼在水体中存在的主要形式.硼酸在水中的解离平衡方程式为:

由此可知，硼在水中的存在形式除了与硼酸的浓度有关外，还与溶液的pH值有关.

实验发现，当pH值小于5时，硼主要以正硼酸（H3BO3）的形式存在，当pH 值大于11时，硼主要以络阴离子B（OH）4-的形式存在，pH值在两者之间变化时，H3BO3和 B（OH）4-以不同的比例混合存在.以海水中平均硼浓度为例说明海水中两者的比例随着pH值的变化，曲线如图1所示.

图1 H3BO3和B（OH）4-的比例随pH值的变化分布图Fig.1 Proportion of H3BO3and B（OH）4-with pH

对于植物而言，不同植物对硼的承受浓度有所不同.大部分农作物对硼的忍受能力是比较低的，硼含量过高会导致叶片变黄、脱落、果实腐烂等，最终会使植物的光合作用能力下降而导致死亡[12]，这种情况在干燥的地区表现的更为强烈，严重影响作物的产量[13].因此，世界卫生组织规定了灌溉水中的硼含量不得高于1.0 mg/L.另外，灌溉水中的硼含量过高时，它可以和重金属，如 Pb、Cd、Cu、Ni 等络合，络合后的物质毒性强于络合前，对作物造成更严重的危害[14].

对于人类而言，硼含量过高对人类身体健康的影响更是不容忽视的，会使人恶心、呕吐、头痛、腹泻及肾损伤等.硼摄入人体后会在体内沉积引起慢性中毒，进而引发生殖系统、神经系统疾病，经过破损的皮肤或者黏膜吸收更快.病理检查硼中毒的动物机体，可见肝、胃、肾、脑和皮肤出现非特异性病变.实验室研究[15－16]也表明过量的硼对雄性的生殖系统也有阻碍作用.

硼对一些工业过程也会产生不利的影响，诸如在海水镁砂的提纯过程中，硼会随着氢氧化镁的沉淀而吸附在其表面，从而影响镁砂的纯度[17].

因此，环境中硼的危害已成为环境科学所关注的问题.一般海水中的硼质量浓度为4.0～6.0 mg/L，平均硼质量浓度为5.0 mg/L，不同地区水域的硼含量为4.0～15.0 mg/L不等[18]，远远高于饮用水及灌溉水的标准.因此有效的除硼在海水淡化过程中具有举足轻重的地位，除硼的方法也受到研究者的广泛关注.

2 除硼方法

目前海水除硼的主要方法包括:反渗透法、电渗析法、离子交换法、萃取法、吸附

法等.

2.1 反渗透法

反渗透的分离过程是利用反渗透膜选择性地透过溶剂（通常是水）而截留离子物质的性质，以膜两侧的静压差为推动力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而实现对液体混合物进行分离的膜过程.基于硼自身的性质缺陷，研究人员不断地改

变测试条件及增加反渗透级数来脱除海水中的硼.

在改变测试条件方面，主要是改变进水的pH值、离子强度、操作压力及产水流量等.自然海水的pH值约为7.9～8.2，此时硼主要以硼酸形式存在，反渗透法对海

水中的硼的去除率为78%～80%左右，甚至更低[4].Koseoglu等[19]通过改变操

作压力及pH值来提高反渗透膜的除硼能力.结果发现，pH值为8.2时，除硼率为88%～90%，将pH值提高到10.5以后，膜对硼的去除率达到98%.这是因为，

随着水体pH值的增大，硼在水中的存在形式逐渐由正硼酸转变成带负电的B （OH）4－.由于B（OH）4－带有负电荷，与反渗透膜表面的负电荷产生静电排

斥作用，不能与膜表面的有效成分形成氢键，因此不能像硼酸一样透过膜，从而增加了膜对硼的截留率.

在相关的报道[20]中，通过增大pH值，对硼的截留率由最初的40%～60%增大

到95%，明显提高了反渗透法的除硼效果.随着操作压力的升高，硼截留率也相应地提高.

Oo等[21]选用美国海德能公司的 SPA1、LFC1、CPA2这3种反渗透复合膜进行

脱硼性能研究，结果显示:随进水pH值的增大，除硼率随之上升；随溶液离子强

度的增加，除硼率随之下降；pH=9的溶液比pH=10的溶液除硼率下降趋势明显；随产水量的增大，除硼率随之增加.

通过上述几种商品膜的研究可见，不同膜对硼的截留效果各有差异，但均对进水