扩散渗析—电渗析法处理钢铁厂酸洗废水的研究

发布时间：2020-06-08 11:02

【摘要】：随着我国经济的迅猛发展,市场对钢材的需求量越来越大,与此同时,钢铁行业产生的酸洗、轧钢、冷却等工业废水量也大大增加。酸洗废水属酸性废水,含有铁、铬、镍、氯、氟等多种无机污染物,如不经处理就直接排放,既会严重污染水环境,又将浪费大量宝贵资源。研究以国家资源、环境等发展方向为背景,以膜分离技术实现钢铁行业酸洗废水零排放为切入点,分析膜分离过程应用中的共性科学问题,重点研究适用于盐酸酸洗废水处理的阴离子交换膜的选择、电渗析用阳极材料的制备和扩散渗析-电渗析联合工艺处理钢铁厂盐酸酸洗废水的可行性及其影响因素。从技术和经济两方面考虑,传统的中和处理法无法经济高效的处理盐酸酸洗废水。因此研究首先对膜分离技术处理盐酸酸洗废水的机理进行分析,从而选择扩散渗析和电渗析技术同时回收酸洗废水中的酸和铁；离子交换膜和电极是扩散渗析和电渗析技术的关键部件,因此,研究将选择一种分离性能好、交换容量大的阴离子交换膜,提高扩散渗析分离盐酸酸洗废水中酸和盐的分离效率,确保扩散渗析体系高效稳定长期运行。以在酸性介质中使用时具有较好的稳定性和活性非贵金属氧化物为活性组分,用涂刷热分解法和电沉积法制备“尺寸稳定阳极"(Dimensionally Stable Anode, DSA),并对所制备的阳极进行扫描电子显微镜(SEM)测试和X射线能谱(EDX)分析,进而考察它对盐酸酸洗废水的处理效果。此外,研究将扩散渗析和电渗析两种技术联合后用于钢铁厂盐酸酸洗废水的处理,并考察酸洗废水水质、流量及蒸馏水与废水的流量比、电渗析装置进水水质、槽电压等操作条件对处理效果的影响,进而对联合工艺的影响因素进行优化,探讨其可行性。分别采用DF120型均相阴离子交换膜和3362型异相阴离子交换膜进行静态扩散渗析实验,测定若干组相应时间扩散渗析装置左右两室溶质浓度差,根据Fick扩散定律求出C1-和Fe2+的渗析速率及Fe2+透过膜的偏通量,考察不同阴离子交换膜对酸洗废水中酸和盐的分离效果。结果表明采用DF120型和3362型膜时,C1-的平均渗析速率分别为5.46×10-3m/h和2.44×10-3m/h,Fe2+的平均渗析速率分别为2.67×10-4m/h和1.49x10-4m/h,Fe2+透过膜的平均偏通量分别为0.85%和0.9%,对HCl-FeCl2的平均分离系数分别为23.7和16.4,DF120型膜具有更好的交换容量和分离性能。在动态扩散渗析实验中,采用DF120膜时,酸回收率达到67.5%,回收酸中盐酸浓度为0.20mol/LFe2+浓度小于0.002mol/L,平均Fe2+泄漏率为7.3%。采用电沉积法和涂刷热分解法制备钛基二氧化铅阳极(Ti/PbO2)、钛基锡锑金属氧化物涂层阳极(Ti/SnO2-Sb2O3)和带有锡锑金属氧化物中间层的改性钛基二氧化铅阳极(Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2)。通过SEM及EDX分析,当涂液中溶质配比Sn:Sb=946,溶剂为乙醇,烘干温度为110℃,烘干时间为1Omin,热分解温度为500℃,氧化时间为15min,电流密度为20mA/cm2时,制备出的Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2阳极涂层表面晶体完整、致密均匀,且结晶比Ti/PbO2和Ti/SnO2-Sb2O3阳极明显细化,涂层不易脱落,电极的工作寿命更长；同时由于Pb02表层晶体结构的改善,不仅使电极具有更好的电化学活性,在酸型介质中也具有更好的耐腐蚀性。用三种DSA阳极和石墨阳极处理盐酸酸洗废水时的铁回收率分别为75.1%、90.3%、91.7%和54.5%,耗电量分别为3.17、2.84、2.57、5.95KWh/KgFe, DSA阳极的处理效果明显优于传统石墨阳极,Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2和极的处理效果最好。以Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2为阳极,进行静态电渗析实验,考察槽电压、电解时间、阴极液pH及Fe2+浓度、阳极液pH对处理效果的影响,当采用筛选出的最优化控制参数时,铁回收率可达90%,阴极出水pH为5.13,Fe2+浓度小于40mg/L;阳极出水pH为1.08,Fe2+浓度小于10mg/L。在动态电渗析实验中,考察槽电压及阴阳极液流量对处理效果的影响,当采用筛选出的最优化控制参数时,铁回收率可达91.8%,电流效率可达70.3%,阴极室出水pH值可达6.00,Fe2+浓度小于60mg/L,阳极室出水pH可达1.00,Fe2+浓度小于25mg/L 将扩散渗析和电渗析技术联合后处理某钢铁厂产生的盐酸酸洗废水,并使用DF120型膜和Ti/SnO2-Sb203/Pb02阳极,采用筛选出的最优化控制参数,回收酸浓度平均为0.2mol/L,酸回收率平均为66.7%；出水中Fe2+浓度平均为99.5mg/L,铁回收率可达88%；出水中氯离子浓度平均为5352mg/L,氯离子去除率平均为73.4%。系统的平均耗电量为2.81KWh/KgFe,平均电流效率可达81.7%。研究结果表明,适用于扩散渗析-电渗析联合工艺处理盐酸酸洗废水的阴离子交换膜的选择应重点考虑膜的离子迁移数、含水量、交换容量、物理和化学稳定性。经过改性的钛基二氧化铅阳极对盐酸酸洗废水的处理效果更为显著。采用扩散渗析-电渗析联合工艺处理盐酸酸洗废水不仅是可行的,而且是经济高效的。
【图文】：

分离原理,离子交换膜,固定电荷

浓差渗析或自然渗析。它主要用于有机和无机电解质的分离和纯化。在环境工程方面，目前主要用于酸、碱废液的处理和回收[47]。膜的分离原理如图1.1所示。GEM AEW? m il . [1?—Fixed I~朿@ ? B-ee 瞧图1.1离子交换膜的分离原理Fig. 1.1 The separation principle of ion-exchange membrane阳离子交换膜(CEM)带有负的固定电荷，这些固定电荷被空隙中的可移动的带正电的反离子包围着。这些固定电荷可以是d羲峄退蠡蚱渌缁臶48]。y酸基在整个pH范围内都能解离，而羧基在pH小于3时发生质子化。大多数阴离子交换膜(AEM)的固定电荷是铵基[48]。它们可以是从伯胺到季按的基团。其中季钱基在整个pH范围内都离解，而伯胺基只在酸性环境中带正电。这时反离子是-13 -

标准曲线,标准曲线,吸光度,浓度

Fe2+浓度/(mg/mL)图3.3 Fe2+浓度-吸光度标准曲线g. 3.3 Standard calibrations of absorbency versus concentration率、回收率及泄漏率的计算室溶液体积分别为Vi和V2，且不随时间变化，I、II两分别为Cilo和020，经过扩散时间t后，，其浓度分别为Cm和为mit，膜有效面积为S，膜厚度为d，i在膜中的扩散系数为与右室离子浓度差ACit为：C,, -C,,, = (C,,。-m丨,IV,)-(C,,。+ m"/V,) = AC,, -m“-Ci2o。上式对t微分得： 1 2clACji =厂 1 + 厂2 dmIIdt - vy, ”~dr律得：dm“ ^ _ d{Cjj, - C,.,.) ^。dC“ ^ ? AC,.,~'^ = -D.S '2'——?义=D.S~'^?D.S~
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X757

【参考文献】