有机—无机杂化膜扩散渗析和电渗析脱盐研究

发布时间：2020-09-21 09:21

　　冶金、生化、食品等诸多领域在生产过程中会产生含盐废水,废水的直接排放会产生水污染,造成土地硬化、植物烧伤、水质下降等危害。可见,盐的回收和脱除是一项重要的任务。目前,工业中常采用结晶、纳滤、反渗透等手段进行脱盐处理,但是存在能耗大、设备复杂、膜污染严重等问题。而扩散渗析具有低能耗、低膜污染、绿色环保等独特的优势,所以考虑采用扩散渗析的方法用于盐的回收和分离。不过扩散渗析过程没有外加电场或压力作为驱动力,仅依靠浓度差作为驱动力,因此渗析通量较低。并且与酸或碱的H+、OH-离子相比,盐中的正、负离子尺寸较大,迁移活性较低,所以传统离子交换膜对盐渗析通量不足。复合电解质膜是兼含阴、阳离子交换基团的一种特殊的离子膜,本文将探究其在盐中的稳定性和对盐的脱除效果。考虑到某些医药、食品领域对脱盐率要求较高,如苏氨酸发酵母液中含有少量的盐,需脱除并进行其他后继处理,才能得到需要的苏氨酸产品。扩散渗析过程的脱盐率不高,与此对应,电渗析不仅能得到较高的脱盐率,而且在电场的驱动下脱盐速度较快,可满足工业过程对效率和速度的需求。所以,本文的另一部分研究是采用电渗析法对模拟苏氨酸母液进行脱盐,探究其可行性。此外,有机高分子离子膜在耐溶胀性、强度和稳定性等方面往往存在不足,而有机-无机杂化膜在稳定性方面可以表现出较好的优势,本文的另一个重点是将有机-无机杂化离子膜材料用于以上扩散渗析和电渗析膜的制备和应用中。全文由五个部分组成,各部分内容如下:第一章为绪论。简要介绍了离子交换膜包括有机-无机杂化离子膜的相关概念,聚电解质复合膜的结构、优良特性以及在盐渗析过程中的独特优势;扩散渗析和电渗析技术的原理和应用特点;脱盐的意义以及本文研究的应用背景;最后概述论文研究的来源、意义及主要内容。第二章为聚电解质复合膜的制备以及表征。利用商业聚电解质,或者多硅共聚物作为原料,制备出两种不同的聚阴离子溶液和一种聚阳离子溶液,然后添加聚乙烯醇(PVA)作为基体,将聚阴离子和聚阳离子溶液按不同比例共混、sol-gel反应,得到两种系列的聚电解质复合膜。膜材料中除PVA等成分以外,还含有Si-O-Si无机网络结构,所以是一种有机-无机杂化材料。对制备的聚电解质复合膜进行表征,同时选取阴离子交换膜(包括自制膜和商业膜DF-9010)、阳离子交换膜(包括自制膜和商业膜CJMCDD-1)作为参比。结果显示聚电解质复合膜亲水性降低,水含量减小,离子迁移数减小,面电阻增大,在盐溶液(氯化钠和醋酸钠)中面积膨胀和质量损失率较低,均说明膜结构更加致密和稳定。因为膜中的阴、阳离子基团通过库仑力相互作用,形成分子链之间的交联,使膜更加致密,所以含水量降低。此外膜中所带的净电荷的量减少,所以离子迁移数减小,面电阻增大。将膜应用于NaCl水溶液扩散渗析中,发现聚电解质复合膜对盐的渗透性明显优于商业膜。第三章为聚电解质复合膜用于扩散渗析脱盐。首先,探究聚电解质复合膜对NaCl或NaAc这两种盐的扩散渗析过程,并与自制阳膜和商业离子膜(DF-9010和CJMCDD-1)做对比。结果表明,渗析系数均明显高于商业膜。然后将膜应用于处理苏氨酸与氯化钠的混合溶液,表现出对盐的高渗透性。最后探究其在醋酸钠废渣溶液处理方面的可行性,扩散渗析实验运行5 h,得出盐的渗析系数为0.000602 ～ 0.00120 m/h,是商业膜CJMCDD-1的13 ～26倍,且杂质的泄漏率不高,实验结束后水室杂质的TOC值为0.78 ～ 1.02 g/L,可见聚电解质复合膜对盐有高渗透性和选择性,在工业废液的盐回收方面也有较好的效果。第四章为电渗析法处理苏氨酸模拟含盐母液。离子交换膜选用本课题组自制的有机-无机杂化膜(CEM-4/12膜、AM-QP-30膜),并利用商业膜(CJMC-2膜、CJMA-2膜)作为参比。结果表明,电流密度越小,脱盐越彻底。当电流密度为10 mA/cm2时,处理苏氨酸-NaCl混合溶液脱盐率可达98.6%。随着电流密度的增加,脱盐率减小,但大大缩短了实验运行的时间,实现了快速脱盐的目的。电流密度达到60 mA/cm2时,仅需要44分钟就到了实验的终点,脱盐率为91.3%。不同操作条件下苏氨酸的截留率没有明显差异。与商业膜相比,杂化膜的脱盐率类似,苏氨酸回收率也没有明显差异,且杂化阴膜的表面污染较小。可见,有机-无机杂化离子膜可以应用于电渗析过程,对模拟苏氨酸母液的脱盐有较好的效果,并且稳定性良好,可重复使用。第五章为全文的总结。综合以上各章的研究,得出的结论是,有机-无机杂化材料制备的聚电解质复合膜稳定性较好,能应用在盐的渗透实验中,且渗透通量比单纯阴或阳离子交换膜大,也能应用在工业废液的脱盐处理。有机-无机杂化阴膜和阳膜用于电渗析处理含盐苏氨酸溶液,脱盐效果良好,且性能稳定,膜污染较低,有很好的应用前景。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TQ028.8;X703
【部分图文】：

扩散渗析,静态,电渗析

图１．静态扩散渗析装置。（１）静态扩散渗析采用的膜；（２）料液室；（３）１．２．２邋ＤＤ在应用中的特点逡逑ＤＤ是以浓度差为驱动力、自发进行的分离过程，具有以下优势能有效地分离回收废酸废碱中的酸和碱，变废为宝；（２）具有较低的行费用，操作连续、稳定，易于进行；（３）对环境无污染。但是ＤＤ在分离速度有限、处理能力不高等缺陷。逡逑１．３电渗析（ＥＤ）逡逑电渗析过程是在外加直流电场的驱动下，利用离子交换膜的选择透膜促使溶液中正离子通过，阴膜促使溶液中负离子通过，使得正、负离阳极和阴极移动，到达相应的隔室，实现分离和提纯。逡逑电渗析分离过程主要包括传统电渗析（ＥＤ）、电解电渗析（ＥＥＤ）膜电渗析（ＢＭＥＤ）等类型。ＥＤ装置包括由阴、阳膜、隔板交替组装

电渗析,重复单元,原理图,电解电渗析

逦Ｍ邋＋邋ＮａＣＩ逡逑图２．传统电渗析（ＥＤ）原理示意图逡逑如图２是单重复单元的ＥＤ原理图，在实际应用中可包括ｎ个重复单元来提逡逑高处理量。逡逑电解电渗析（ＥＥＤ）是电解反应和电渗析的集合过程。电解电渗析需要一张逡逑或几张ＡＥＭ或ＣＥＭ。在靠近阴极一侧放置ＣＥＭ时，电极加电后，阴极室的水逡逑会电解产生大量的０Ｈ－离子，在电场的作用下理应向阳极移动，但由于ＣＥＭ的逡逑存在，０Ｈ？离子会受到排斥作用不能透过膜，停留在阴极室中，就可以达到产碱逡逑的效果【４７］。在靠近阴极一侧放置ＡＥＭ时，两端电极加电后，阳极室水会电解产逡逑生大量的Ｈ＋离子，在电场的作用下理应向阴极移动，但由于ＡＥＭ的存在而受到逡逑排斥力不能通过膜，从而停留在阳极室中，就可以达到产酸的目的［４７］。逡逑炎「１逦，0２邋ｎ邋气逡逑Ｌ邋！邋ＯＨ７逦ｌ＾ｉ邋ＯＨ＾－）逡逑＼逦

示意图,双极膜电渗析,脱盐,原理

产碱的目的。利用ＢＭＥＤ，在脱盐的过程时可以产生相应的酸和碱，从而达到逡逑脱盐的目的或转化为相应酸和碱的目的。单重复单元ＢＭＥＤ的组成可以示意如逡逑图４0逡逑ＨＲ逡逑，0２逦ｒ＂…＇＇＂＂１逦：邋ｎ逡逑（－？Ｈ＋逦＋邋－邋Ｉ邋Ｒ－邋ｉ邋ｉ＂邋Ｉ邋ＯＨ－逡逑＼逦＿逦Ｎａ＋邋Ｉ邋Ｉ邋Ｎａ＋邋／逡逑Ｈ＾°逦Ｈ，０逡逑．ｓ0ｒ邋．二ｒ－逡逑ＯＨ－邋＋邋－邋ｊ逦Ｎａ＋邋－邋Ｉ邋ｂＵ４逡逑Ｎａ＋邋＋邋＿邋ｊ逦Ｉ邋Ｎａ＋逡逑Ａ逦Ａ逦个逡逑Ｎａ２Ｓ０４逦ＮａＲ逦Ｎａ２ｓ°４逡逑图４．双极膜电渗析（ＢＭＯＤ）原理示意图逡逑１．４脱盐逡逑１．４．１脱盐的意义逡逑在工业生产中，造纸、纺织、食品和医药等诸多领域常产生大量的含盐废水，逡逑如果直接排放，不仅浪费了资源，也产生了水污染，造成土地硬化、植物烧伤、逡逑水质下降等危害，因此，盐的回收和脱除是一项常见和重要的任务。例如，造纸逡逑过程是从植物原料中把纤维分离提取出来，制做成浆料，然后经过漂白流程，整逡逑个过程中会产生大量的废液，对环境污染严重。废液中含有大量纤维、无机盐和逡逑７逡逑

【参考文献】