扩散渗析的理论与应用研究
扩散渗析作为一种以浓度差为推动力的膜分离技术,由于其具有操作简单、低能耗、无二次污染等优势,广泛地应用于各种产生废酸碱的领域:钢铁工业、钛材加工、稀土工业、钨矿工业等。同时由于易与其他过程集成,扩散渗析与其他过程集成处理废液的应用实例也很多,它们之间相互取长补短,达到比较理想的处理效果。另外,由于社会经济的快速发展和人们环保意识的日益强烈,扩散渗析在废酸废碱的处理中越来越受到人们的关注。然而,虽然扩散渗析目前已经得到了大规模的应用,但是扩散渗析的不足之处也随之显现出来。针对这些不足,本文对扩散渗析过程进行了相关理论与...
扩散渗析作为一种以浓度差为推动力的膜分离技术,由于其具有操作简单、低能耗、无二次污染等优势,广泛地应用于各种产生废酸碱的领域:钢铁工业、钛材加工、稀土工业、钨矿工业等。同时由于易与其他过程集成,扩散渗析与其他过程集成处理废液的应用实例也很多,它们之间相互取长补短,达到比较理想的处理效果。另外,由于社会经济的快速发展和人们环保意识的日益强烈,扩散渗析在废酸废碱的处理中越来越受到人们的关注。然而,虽然扩散渗析目前已经得到了大规模的应用,但是扩散渗析的不足之处也随之显现出来。针对这些不足,本文对扩散渗析过程进行了相关理论与应用方面的研究。
  论文共分七章:
  第一章首先对化工产业、膜分离技术等进行了简单的概述,对扩散渗析过程进行了基本的文献综述,主要包括:扩散渗析原理、扩散渗析膜、扩散渗析膜组件、扩散渗析理论模型、扩散渗析的发展趋势、扩散渗析的应用领域等,然后引出扩散渗析的不足之处进而展开本论文的研究内容。
  第二章对扩散渗析进行基础研究,主要是使用扩散渗析处理模拟化成箔废酸液。结果表明:酸回收率和铝离子泄漏率随着流速的增加而降低;扩散液与渗析液流速比控制在1.0左右时,综合考虑酸回收率、铝离子泄漏率和回收酸浓度等因素,发现卷式扩散渗析膜组件的性能是最佳的;原料液中的盐酸浓度对扩散渗析的性能影响不是很明显,然而随着原料液中的氯化铝浓度的增高,酸回收率和铝离子泄漏率也相应地增高;当渗析液与扩散液流速均为0.48 L/(m2·h)、原料液中盐酸浓度为2.12 mol/L、氯化铝浓度为0.8 mol/L时,盐酸的回收率能达到95%;将卷式扩散渗析膜组件与板框式膜组件的处理结果相比较,可以看出卷式膜组件的酸回收率较高、金属离子泄漏率较低、装填密度较高,但是两者达到回收平衡的时间相似;经济衡算显示卷式膜组件的投资-回报期只有16.5个月。
  第三章为了提高扩散渗析回收酸的浓度、降低扩散渗析过程水的消耗量,将传统电渗析膜过程与扩散渗析膜过程集成用于处理模拟化成箔废酸液。结果显示:这种集成膜过程是一种从无机酸盐中回收无机酸的有效可行的方法;扩散渗析过程的扩散液流速与传统电渗析电流大小可以调节两者的处理能力大小关系;当扩散液流速为0.60 L/(m2·h),扩散渗析先于电渗析运行10分钟,电渗析电流为2A时,酸回收率和铝离子泄漏率分别为74.9%和12.2%,能耗仅为0.41 kw·h;将集成膜过程与单一的扩散渗析过程的处理结果比较可以看出集成膜过程的水消耗量较低、回收酸浓度较高,尤其是在扩散液流速较大和回收时间较长的情况下,这种优势更为明显。
  第四章是在扩散渗析膜组件两端施加一个微电场(电辅助扩散渗析),考察微电场是否能够提高扩散渗析过程的处理效率,结果显示:扩散液隔室与电源正极相连接这种加电方式对扩散渗析的进程比较有利,并且从能斯特-普朗克方程的角度对其做出了解释;微电场对装配奇数张膜的扩散渗析过程比较有效,并且膜的张数越多,微电场的作用越不明显;微电场对装配偶数张膜的扩散渗析过程作用不是很明显;并且从根本上解释了电辅助扩散渗析与电解电渗析的区别。目前在工业应用中,一般而言,扩散渗析膜堆包含了很多重复单元,因此电辅助扩散渗析在实际应用中还是存在一定的限制因素和瓶颈。
  第五章是针对扩散渗析过程中的水渗透现象,以单一的氯化钠溶液作为考察对象,考察了扩散液体积随时间的变化曲线,并使用一元二次方程对其进行拟合,结果发现拟合结果比较令人满意;同时,以膜两侧溶液的化学势差作为传质推动力推导传质方程、建立数学模型,使用PH2O、P'H2O和PNaCl、P'NaCl量化扩散渗析过程,结果显示随着氯化钠浓度的增加,PNaCl和P'NaCl下降,而PH2O和P'H2O增加。进一步研究发现,当修正因子λ=3.30和θ=2.37时,比较扩散渗析的理论计算浓度的实际测量浓度发现P'H2O和P'NaCl是用来量化扩散渗析过程时比较令人满意的参数。
  第六章是针对扩散渗析过程中的水渗透现象,以单一的盐酸溶液作为考察对象,考察了渗析液体积随时间的变化曲线,并将变化曲线分为两段分别使用一元二次方程对其进行拟合;同时,以膜两侧溶液的化学势差作为传质推动力推导传质方程、建立数学模型,结果显示随着盐酸浓度的增加,PHCl和PH2O数值都有所上升,也即膜对氯化氢和水的渗析能力均升高。
  第七章对全文进行总结,并且展望扩散渗析技术的未来。
  总之,本论文的研究都为基础性研究,如果想真正实现工业化生产,还需要做实际料液成分的大规模试验,同时还需要凝聚政府、工业界、学术界的力量,开发性能优异的离子交换膜和膜组件用于扩散渗析的应用开发,提高扩散渗析的回收性能与处理效率,减少扩散渗析过程的水渗透量等。鉴于扩散渗析过程本身的固有特点,我们相信该技术一定会发展得更好。
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作者: 张旭
学科专业: 应用化学
授予学位: 博士
学位授予单位: 中国科学技术大学
导师姓名: 徐铜文
学位年度: 2014
语 种: chi
分类号: TQ028.8 TB383
在线出版日期: 2014年10月31日