双极膜电渗析处理氯化铵废水和制备高盐基度聚合硫酸铁的应用研究

发布时间：2020-05-12 16:09

【摘要】：氯化铵废水普遍存在于纳米级超细碳酸钙生产行业、纯碱行业、稀土工业和化肥工业等行业中。这些废水直接排放不仅会浪费大量可回收资源,还会造成一些环境问题,如水体的富营养化、藻类过度繁殖,所以对其有必要进行处理。现有的氯化铵废水的处理方法包括:结晶、蒸发、分解、纳米过滤和生物降解,但存在二次盐污染、成本高、操作复杂等问题。此外,随着我国化工行业的不断发展和人民生活水平的逐步提升,工业废水和生活污水的排放量与日俱增。如何高效处理工业废水、生活污水从而回收利用水资源受到人们的广泛关注,并且对絮凝剂的性能提出了更高的要求。聚合硫酸铁(PFS)是一种分子量高达10~5的铁基聚合物絮凝剂,在COD、BOD、浊度、重金属和颜色的去除方面效果优良,且对温度和pH值不敏感,一般来说,其盐基度越高,絮凝效果效果越好。双极膜电渗析(BMED)是双极膜和电渗析的有机结合体。其中,双极膜是一种特殊的复合膜,它由阴离子交换膜层、阳离子交换膜层和中间层组成。在直流电场的反向偏压下,双极膜可将H_2O解离成H~+和OH~-,而不需要添加任何化学试剂。本论文中,针对氯化铵废水的处理和高盐基度聚合硫酸铁的制备,展开了BMED法的研究工作:1.采用BP-A构型的BMED膜堆处理氯化铵废水并将其转化为盐酸和氨水,以克服常规处理方法的局限性。首先,考察了不同的商业阴离子交换膜(TWEDA2、AMV、JAM-II和CJMA-2)和双极膜(BP-1、BPM-I和FBM)对BMED过程性能的影响,结果显示:综合考虑到工艺性能(最终的盐酸溶液浓度和最终的盐室溶液电导率)、过程能耗和总过程成本,阴离子交换膜AMV和双极膜BPM-I被认为是相对最佳的膜。其次,通过改变电流密度、NH_4Cl溶液的初始浓度和盐酸溶液与NH_4Cl溶液的初始体积比来优化BMED工艺,结果显示:当电流密度从70 mA/cm~2增加到90 mA/cm~2时,过程能耗从1.51增加到2.83kW·h/kg HCl,最终的盐酸溶液浓度从2.45增加到2.84 mol/L,总过程成本最高可达0.80$/kg HCl(70 mA/cm~2);增加NH_4Cl溶液的初始浓度会增加过程能耗、最终的盐酸溶液浓度和总过程成本;随着初始体积比从0.5增加到1.0,过程能耗在1.46和1.62 kW·h/kg HCl之间变化,最终酸浓度从1.95提高到2.71mol/L,而总过程成本从0.63降低到0.42$/kg HCl。综上,分析这些实验结果可得出最佳操作条件是:电流密度为80 mA/cm~2,初始NH_4Cl浓度为1 mol/L,酸溶液和NH_4Cl溶液的初始体积比为0.67~0.83。2.采用BP-A构型的BMED膜堆连续制备高盐基度PFS,主要考察了电流密度、原料补充液中硫酸亚铁和硫酸的摩尔进料比以及原料补充液的流速对产品PFS各性能指标(盐基度、全铁含量、pH值、密度等)和过程能耗的影响。结果显示:电流密度从10增加到20 mA/cm~2时,盐基度从8.59%显著增加到11.32%,去浊率从84.31%逐渐增加到95.34%,但当电流密度大于20 mA/cm~2时,盐基度和去浊率稍有下降,过程能耗最高可达4.26 kW·h/kg H_2SO_4,酸液罐最终酸浓度最高可达0.45 mol/L;原料补充液中硫酸亚铁和硫酸的摩尔进料比从2.01增加到4.08时,盐基度从8.69%增加到11.38%,去浊率从94.96%逐渐增加到95.88%,过程能耗在3.05~3.15 kW·h/kg H_2SO_4范围内变化,酸液罐最终酸浓度约为0.38 mol/L;原料补充液流速从1增加到3 mL/min时,盐基度从11.52%下降到6.75%,去浊率从95.92%逐渐降低到75.61%,同时,过程能耗从3.09下降到2.77 kW·h/kg H_2SO_4。总之,本文提出了一种简单、绿色、高效的处理氯化铵废水和制备高盐基度PFS的方法。在实验室研究规模下,成功地处理了一定浓度的氯化铵废水和制备了合格PFS的产品。为了进一步将该处理和制备方法应用于工业生产中,一方面需要开发性价比较高的离子交换膜,另一方面还需将实验装置放大,进行中试生产研究。
【图文】：

电渗析膜,流道,组件,阴离子交换膜

子交换树脂不需要再生，同时原料液中的离子几乎可完全被迁移。（5）卷式电渗析卷式电渗析设备的构造与卷式反渗透设备的构造相似，如图1.1所示，由阴离子交换膜、阳离子交换膜、塑料隔网板、正负电极和浓、淡水配集管构成，阴离子交换膜、阳离子交换膜、绝缘隔网板按顺序相互紧贴，以兼作一电极的集水管为轴向被绕成螺旋状放置在一个空心的同心圆柱体中，圆柱体外面包以作另一电极的金属外壳，阴离子交换膜和阳离子交换膜与塑料隔网板制成淡液通道单元，在膜堆电极与淡液通道单元之间由塑料网隔板形成浓液通道单元。圆柱体的柱心是阳极，圆柱体的表壳上是阴极，淡水和浓水沿着膜间通道流动，管道垂直于图纸的平面

苹果酸,流程简化,有机酸,发酵液

第一章绪论子和氢氧根离子的性质，，可直接使发酵液转变成有机酸，不但节约了原且很大程度上简化了流程，同时也保护了环境。例如，图 1.3 是 BP-A型的双极膜电渗析制备苹果酸的工作原理图，由阳极室、产酸室、脱盐室组成，苹果酸钠（NaMal）在脱盐室中分解成 Na+和苹果酸根离子，N离子交换膜进入到阴极室与双极膜产生的 OH-结合生成 NaOH，苹果酸双极膜产生的 H+结合生成苹果酸。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ317;X78

【参考文献】