选择性电渗析制备硫酸钾的关键科学问题研究
发布时间：2020-11-14 06:44
硫酸钾是一种重要的无氯钾肥,适用于忌氯作物。然而自然界中没有纯态的硫酸钾,现有的硫酸钾制备方法包括曼海姆法、缔置法和复分解法等。但它们存在能耗高、设备腐蚀严重等问题,因此寻找一种简单、环保及低能耗的硫酸钾制备方法显得紧迫且重要。电渗析是一种重要的电驱动膜分离过程,能够实现溶液相中目标荷电离子的单相传质,具有电流利用效率高、过程绿色等优点,被应用于海水淡化、有机酸生产、处理工业废水中。选择性电渗析(SED)是一种新型的针对相同电性离子分离的电渗析过程,在废水资源化领域有着重要应用。在此我们将选择性电渗析应用到硫酸钾的制备中,针对其关键问题展开了以下研究:1.研究了 SED法制备硫酸钾的过程,主要考察了硫酸盐种类、电流密度和硫酸铵/氯化钾比率对实验的影响。结果显示使用硫酸铵作为硫酸盐的SED过程的能耗最低,并且硫酸铵的价格低廉,因此硫酸铵为最合适的硫酸根供应源;当电流密度为20或30 mA/cm2时,制得的产品符合国家农业硫酸钾标准GB20406-2006;高的摩尔比率可以使置换过程更加完全,但会导致过多的钾离子流失,且产品中的铵根离子含量也会上升。此外,为了预测产品溶液浓度,针对产品溶液浓度建立了数学模型,结果表明产品浓度的实验值和计算值具有很好的一致性。最后,对SED过程进行初步成本计算,结果显示制备的硫酸钾成本高于市售价格,主要原因是实验装置小和单价阴离子选择性膜成本较高。2.针对SED过程的核心部件——单价阴离子选择性膜展开了制备工作。以溴化聚苯醚(BPPO)与叔胺为原料,探讨了接枝叔胺碳链长度、叔胺/溴甲基比率、热处理温度及膜表面复合聚吡咯对膜性能的影响。结果显示随着接枝的叔胺碳链长度增加,膜的离子选择透过性PSO4Cl增加;叔胺/溴甲基比率越小,膜的离子选择性越高,但膜面电阻也大幅上升;高温热处理能够提高膜内部的结晶度,结晶度越高的膜的致密度越高,由于膜的孔径筛分效应,膜的单价阴离子选择性有所提高;在膜表面复合聚吡咯能够提升膜表面致密度,结果显示膜表面复合聚吡咯之后PSO4Cl有大幅提高,但膜面电阻也迅速增加。对比文献报道中不同方法制备的单价阴离子交换膜,本研究中制备的膜的离子选择透过性PSO4Cl较高,不足之处是膜面电阻较高。总之,本文提出了一种简单、绿色的硫酸钾制备方法,在实验室研究中制备出了合格的产品。为了进一步将该硫酸钾制备方法应用于实际,一方面需要开发性能优异的膜,另一方面还需将实验装置放大,进行中试生产研究。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ131.13
【部分图文】：
?了膜与膜的空间，使物料处于离子状态，能够连续传导；５）电解液，电解液填充于??电极与膜之间，一般需要不会和电极反应的电解质，且尽量不带入杂质离子。图１??中的三张阳膜、两张阴膜和电极形成了两个淡化室、两个浓缩室和两个电极室。在??施加电场后，淡化室的阳离子在负极的吸引下透过阳离子交换膜向负极移动，同时??被相隔的下一张阴膜阻挡，在浓缩室聚集；相对地，淡化室的阴离子在正极的吸引??下透过阴离子交换膜向正极移动，被相隔的下一张阳膜阻挡，在浓缩室聚集，而不??带电的中性离子则保持不动。这样就实现了溶液的脱盐和浓缩。??ｙ?＇?＾??一―?…不????參个??ｔ?Ｉ??ｔ?ｔ??ｆ?ｉ??ｉ?ｉ??ｆ?！??ＣＥＭ?ＡＥＭ?？?ＣＥＭ?ＡＥＭ．Ｖ．＾．，；?ＣＥＭ??广、电?ｕ?？?ｐ?？?＋?＠？?國?２?厂、??ｆ?ｉ??ｉ?ｉ??ｔ?ｔ??ｔ?ｉ??ｔ?ｉ??Ｉ?ｊ??ｉ?ｉ????？嫌働：—＿？＿麻嫌￣播？辩撕義供顧辦麵ｉ??中１１：粒ｆ－；?？阳离子：？阴离丫？：?ＣＥＭ?ｍ离／？交换股：ＡＥＭ阴尚子交换膜．??图１．１典型的普通电渗析膜堆结构图??Ｆｉｇ?１．?Ｔ［丁ｈｅ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｙｐｉｃａｌ?ＣＥＤ?ｓｔａｃｋｓ??（２）电复分解??电复分解（ＭＥＤ）的装置与普通电渗析相同，与普通电渗析不同的地方是普??通电渗析有两股物料，而电复分解有四股，通过膜堆和物料的组合实现复分解反应。??图１．２是氯化钾和硫酸铵发生电复分解反应生成硫酸钾和氯化铵的原理图Ｗ。如图??１．２所示
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【参考文献】
本文编号：2883203
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ131.13
【部分图文】：
?了膜与膜的空间，使物料处于离子状态，能够连续传导；５）电解液，电解液填充于??电极与膜之间，一般需要不会和电极反应的电解质，且尽量不带入杂质离子。图１??中的三张阳膜、两张阴膜和电极形成了两个淡化室、两个浓缩室和两个电极室。在??施加电场后，淡化室的阳离子在负极的吸引下透过阳离子交换膜向负极移动，同时??被相隔的下一张阴膜阻挡，在浓缩室聚集；相对地，淡化室的阴离子在正极的吸引??下透过阴离子交换膜向正极移动，被相隔的下一张阳膜阻挡，在浓缩室聚集，而不??带电的中性离子则保持不动。这样就实现了溶液的脱盐和浓缩。??ｙ?＇?＾??一―?…不????參个??ｔ?Ｉ??ｔ?ｔ??ｆ?ｉ??ｉ?ｉ??ｆ?！??ＣＥＭ?ＡＥＭ?？?ＣＥＭ?ＡＥＭ．Ｖ．＾．，；?ＣＥＭ??广、电?ｕ?？?ｐ?？?＋?＠？?國?２?厂、??ｆ?ｉ??ｉ?ｉ??ｔ?ｔ??ｔ?ｉ??ｔ?ｉ??Ｉ?ｊ??ｉ?ｉ????？嫌働：—＿？＿麻嫌￣播？辩撕義供顧辦麵ｉ??中１１：粒ｆ－；?？阳离子：？阴离丫？：?ＣＥＭ?ｍ离／？交换股：ＡＥＭ阴尚子交换膜．??图１．１典型的普通电渗析膜堆结构图??Ｆｉｇ?１．?Ｔ［丁ｈｅ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｙｐｉｃａｌ?ＣＥＤ?ｓｔａｃｋｓ??（２）电复分解??电复分解（ＭＥＤ）的装置与普通电渗析相同，与普通电渗析不同的地方是普??通电渗析有两股物料，而电复分解有四股，通过膜堆和物料的组合实现复分解反应。??图１．２是氯化钾和硫酸铵发生电复分解反应生成硫酸钾和氯化铵的原理图Ｗ。如图??１．２所示
?了膜与膜的空间，使物料处于离子状态，能够连续传导；５）电解液，电解液填充于??电极与膜之间，一般需要不会和电极反应的电解质，且尽量不带入杂质离子。图１??中的三张阳膜、两张阴膜和电极形成了两个淡化室、两个浓缩室和两个电极室。在??施加电场后，淡化室的阳离子在负极的吸引下透过阳离子交换膜向负极移动，同时??被相隔的下一张阴膜阻挡，在浓缩室聚集；相对地，淡化室的阴离子在正极的吸引??下透过阴离子交换膜向正极移动，被相隔的下一张阳膜阻挡，在浓缩室聚集，而不??带电的中性离子则保持不动。这样就实现了溶液的脱盐和浓缩。??ｙ?＇?＾??一―?…不????參个??ｔ?Ｉ??ｔ?ｔ??ｆ?ｉ??ｉ?ｉ??ｆ?！??ＣＥＭ?ＡＥＭ?？?ＣＥＭ?ＡＥＭ．Ｖ．＾．，；?ＣＥＭ??广、电?ｕ?？?ｐ?？?＋?＠？?國?２?厂、??ｆ?ｉ??ｉ?ｉ??ｔ?ｔ??ｔ?ｉ??ｔ?ｉ??Ｉ?ｊ??ｉ?ｉ????？嫌働：—＿？＿麻嫌￣播？辩撕義供顧辦麵ｉ??中１１：粒ｆ－；?？阳离子：？阴离丫？：?ＣＥＭ?ｍ离／？交换股：ＡＥＭ阴尚子交换膜．??图１．１典型的普通电渗析膜堆结构图??Ｆｉｇ?１．?Ｔ［丁ｈｅ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｙｐｉｃａｌ?ＣＥＤ?ｓｔａｃｋｓ??（２）电复分解??电复分解（ＭＥＤ）的装置与普通电渗析相同，与普通电渗析不同的地方是普??通电渗析有两股物料，而电复分解有四股，通过膜堆和物料的组合实现复分解反应。??图１．２是氯化钾和硫酸铵发生电复分解反应生成硫酸钾和氯化铵的原理图Ｗ。如图??１．２所示
?了膜与膜的空间，使物料处于离子状态，能够连续传导；５）电解液，电解液填充于??电极与膜之间，一般需要不会和电极反应的电解质，且尽量不带入杂质离子。图１??中的三张阳膜、两张阴膜和电极形成了两个淡化室、两个浓缩室和两个电极室。在??施加电场后，淡化室的阳离子在负极的吸引下透过阳离子交换膜向负极移动，同时??被相隔的下一张阴膜阻挡，在浓缩室聚集；相对地，淡化室的阴离子在正极的吸引??下透过阴离子交换膜向正极移动，被相隔的下一张阳膜阻挡，在浓缩室聚集，而不??带电的中性离子则保持不动。这样就实现了溶液的脱盐和浓缩。??ｙ?＇?＾??一―?…不????參个??ｔ?Ｉ??ｔ?ｔ??ｆ?ｉ??ｉ?ｉ??ｆ?！??ＣＥＭ?ＡＥＭ?？?ＣＥＭ?ＡＥＭ．Ｖ．＾．，；?ＣＥＭ??广、电?ｕ?？?ｐ?？?＋?＠？?國?２?厂、??ｆ?ｉ??ｉ?ｉ??ｔ?ｔ??ｔ?ｉ??ｔ?ｉ??Ｉ?ｊ??ｉ?ｉ????？嫌働：—＿？＿麻嫌￣播？辩撕義供顧辦麵ｉ??中１１：粒ｆ－；?？阳离子：？阴离丫？：?ＣＥＭ?ｍ离／？交换股：ＡＥＭ阴尚子交换膜．??图１．１典型的普通电渗析膜堆结构图??Ｆｉｇ?１．?Ｔ［丁ｈｅ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｙｐｉｃａｌ?ＣＥＤ?ｓｔａｃｋｓ??（２）电复分解??电复分解（ＭＥＤ）的装置与普通电渗析相同，与普通电渗析不同的地方是普??通电渗析有两股物料，而电复分解有四股，通过膜堆和物料的组合实现复分解反应。??图１．２是氯化钾和硫酸铵发生电复分解反应生成硫酸钾和氯化铵的原理图Ｗ。如图??１．２所示
【参考文献】
相关期刊论文 前4条
1 陈代伟;郭亚飞;邓天龙;;硫酸钾生产工艺研究现状[J];无机盐工业;2010年04期
2 张罡;徐麟;沈晃宏;李毅;;我国无氯钾肥生产现状与市场需求[J];化工科技市场;2006年02期
3 章永洁,曹吉林,任宝山,谢英惠;硫酸钾生产方法综述[J];化肥设计;2003年01期
4 程芳琴;国内外硫酸钾生产技术比较[J];无机盐工业;2002年02期
本文编号：2883203
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