离子交换膜DD、ED和EED过程分离铝酸钠料液

发布时间：2018-02-12 21:13

  本文关键词： 铝酸钠料液 离子交换膜 扩散渗析 电渗析 电解电渗析 耦合　出处：《合肥工业大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：氧化铝的生产方法主要为拜耳法。传统的拜耳法在生产过程中会产生大量碱性料液即铝酸钠料液,其成分主要为NaOH和NaAl(OH)4。目前对该料液主要的处理方法是引入晶种,并不断搅拌沉淀Al(OH)3,上层清液作为母液循环使用。然而,料液中NaOH浓度非常高,严重影响了Al(OH)3的结晶速度和产率,且母液中NaOH的纯度也不高,不利于其循环使用。为了解决以上问题,我们提出在引入晶种和沉淀Al(OH)3前,先用离子交换膜扩散渗析(DD)、电渗析(ED)和电解电渗析(EED)过程对上述料液进行分离,以降低铝酸钠料液中NaOH的浓度,从而提高Al(OH)3的结晶速度和产率,同时母液中NaOH的纯度也会相应地提高。其中,DD分离时,料液中的Na+会透过阳离子交换膜(CEM)进入水侧；由于要保持溶液的电中性,料液中的OH-也会透过CEM进入水侧,而Al(OH)4-由于尺寸较大而被CEM拦截,从而实现NaOH和NaAl(OH)4的有效分离。ED分离时,在直流电场驱动下,料液中Na+透过CEM迁移至回收室；OH-和Al(OH)4-均会透过阴离子交换膜(AEM)从料液室向回收室迁移,由于Al(OH)4-水合离子半径较大,迁移速度较小,为OH-的1/3,较容易被AEM拦截,因此,ED对铝酸钠料液的分离也是可行的。EED分离时,水被电解生产OH-,阳极室料液中的Na+透过CEM迁移至阴极室(回收室)与OH-结合,从而生成和回收NaOH。本文主要考察了不同过程及不同操作参数对分离性能的影响,共分为五章,内容分别如下：第一章首先阐述了拜耳法生产氧化铝的过程,以及存在的问题。然后提出使用离子交换膜DD、ED和EED过程来解决以上问题。最后对每种过程的原理、目前应用的领域等进行了详细论述,同时对铝酸钠溶液分离的可行性也进行了详细分析。第二章是利用DD和ED过程对铝酸钠料液进行分离。考察了运行时间对DD结果,以及料液浓度和电流密度对ED结果的影响,同时对膜污染也进行了研究。结果表明,DD运行4h后没有明显的膜污染；铝泄漏率(ηAl(OH)-)非常低,仅为0.6%；回收液的苛性比(αk)高达17.8。不过因为DD过程的驱动力为膜两侧浓度差,没有外加压力或电场,所以回收液中碱的浓度较低,碱回收率(ηOH-)仅为6.3%。在ED过程中ηOH-得到了大幅度提高,当料液中OH-浓度为～1.55mol/L,电流密度为350mA/cm2时,ηOH-为48.0%；ηAl(OH)4和αk分别为12.6%和7.9,均能满足工业要求；此外电流效率为62.5%,能耗为12.43 kWh/kg。综合比较,DD过程具有低能耗、低膜污染和环境友好等优势,但回收率低；ED过程则可在短时间内实现较高的碱回收率,具有较高的处理能力,在大规模工业生产过程中更具有优势。不过以上实验中,ηOH-仍不够高,能耗较高,且没有通过重复性实验(RBEs)系统考察ED运行的稳定性,为此,进行了第三章的后继研究。第三章首先对ED膜堆构型进行了优化,以提高ηOH-和降低能耗。然后又进行了RBEs,以研究实验过程中的腐蚀情况以及膜的稳定性,并对自制的AEMAM-QP-30和商业AEM FQB的性能进行了比较。最后提出用酸洗的方法来消除RBEs过程的膜污染。结果表明,优化后的膜堆构型为三重复单元的膜堆；酸洗法可有效清除重复性实验过程中的膜污染；ED性能高而稳定,如ηOH-可提高至64.9-68.5%,能耗可降至7.29-7.65 kW h/kg; AM-QP-30膜的性能优于FQB膜。因此,通过膜堆的优化,并选用合适的离子膜和操作条件,可实现稳定连续的ED过程,获得较好的分离效果。ED过程的优势主要为可对铝酸钠料液进行直接分离,分离速度较快,但分离后期铝泄露率(ηAl(OH)4-)较高,因此要想得到更高的ηOH-,ηAl(OH)4的控制是至关重要的。与此相对应,EED分离过程需要阴极室电解水提供OH-,分离效率和速度较低,但其突出的优势在于可实现“零”铝泄露率,因此可用于深度分离,进一步提高ηOH-。所以第四章提出了使用ED和EED耦合的方法从铝酸钠料液中分禺NaOH,以期达到高的分离效率。首先对单个ED和EED过程分别进行了深入研究,考察了电流密度、膜的类型以及膜有效面积对分离效果的影响,得到合适的操作条件为：优选CMV/AMV膜；ED的电流密度为45-60 mA/cm2; EED电流密度为30 mA/cm2。在此基础上,进行了耦合实验的研究,确定ED的运行时间及合适的电流密度。例如,当ED电流密度选用60 mA/cm2时,耦合过程中ED运行时间为120 min,此时ηOH-高达90.9%,ηAl(OH)4可降至～5%,能耗仅为2.25 kW h/kg o以上结果表明耦合过程具有很高的分离效果,且能耗也很低。由此可以推论,利用耦合过程对拜耳法生产氧化铝过程中产生的铝酸钠溶液进行分离,可大幅度提高随后的晶种沉淀过程中Al(OH)3的结晶速度和产率,从而提高氧化铝的生产效率。此外,分离出来的NaOH溶液的浓度和纯度均较高,可直接作为母液循环使用,节约成本。第五章主要是对本论文全文进行总结。离子交换膜DD、ED和EED过程分离铝酸钠料液具有可行性,实验室研究可取得很好的分离效果。为进一步应用于氧化铝生产工艺,还需进行工业放大应用研究,包括膜的放大、膜过程稳定性的提高、能耗的降低、处理能力的提高以及实际料液对膜污染的降低等。
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本文编号：1506572