基于離子交換膜的濃差滲析技術(shù)應(yīng)用.pdf

1、基于離子交換膜的濃差滲析技術(shù)，不需要外加電場或壓力的條件下，利用膜兩側(cè)溶液的濃度梯度為推動力，來實現(xiàn)離子的遷移。該膜技術(shù)具備操作簡單、能耗低、無污染等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于資源回收、清潔生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)和能量轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域，并引起越來越多的關(guān)注?；陔x子交換膜的濃差滲析技術(shù)主要包括擴(kuò)散滲析和反向電滲析技術(shù)。
　　卷式擴(kuò)散滲析(SWDD)克服了傳統(tǒng)板框式擴(kuò)散滲析固有的缺陷，其設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、體積小而便于安裝和運輸，螺旋結(jié)構(gòu)可以充分傳質(zhì)，且易于與其

2、它反應(yīng)和分離技術(shù)集成，拓展了其工業(yè)應(yīng)用。但是，卷式擴(kuò)散滲析在自身優(yōu)化和應(yīng)用研究等方面還很不足。利用卷式擴(kuò)散滲析膜組件研究無機酸的傳質(zhì)以及組件連接方式，對擴(kuò)大其在各個工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用具有重要意義。反向電滲析(RED)是另外一種基于離子交換膜自發(fā)的濃度差滲析過程，與傳統(tǒng)的膜分離過程不同，它是提取兩種溶液混合產(chǎn)生能量的過程，是一種可持續(xù)發(fā)展的清潔能源技術(shù)。但由于反向電滲析膜、相關(guān)過程機理和實際給水條件等方面的限制，使得其能量轉(zhuǎn)化效率很低，還沒

3、有得到規(guī)模化應(yīng)用。因此，優(yōu)化反向電滲析技術(shù)和拓展應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ浒l(fā)展和社會需求具有重要的積極意義。
　　本課題以環(huán)境保護(hù)和能量回收的可持續(xù)發(fā)展為理念，結(jié)合離子交換膜和自發(fā)滲析的優(yōu)勢，分別從卷式擴(kuò)散滲析和反向電滲析的自身優(yōu)化和集成應(yīng)用上展開研究工作。主要的研究結(jié)論包括:
　　1)采用SWDD膜組件回收常用的二元酸（硫酸），并建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，全面考察相關(guān)實驗參數(shù)對SWDD膜組件擴(kuò)散性能的影響。結(jié)果表明，雙SWDD膜組件的連接方式在

4、很大程度上決定了擴(kuò)散性能;從酸回收率和回收酸濃度考察，使用D-d的連接方式（料液側(cè)和水側(cè)均為串聯(lián)方式）是最佳選擇。酸回收率隨膜組件數(shù)目增加而增大，并隨流速增大而減小，但與初始進(jìn)料濃度無明顯關(guān)系。另外，在獲得相同的酸回收率的前提下，處理能力（流量）很大程度上取決于SWDD膜組件的集成數(shù)目，多個膜組件的處理能力不是單個膜組件處理容量的簡單加和，如D-d和T體系的處理能力分別為S體系處理能力的近3倍和8倍。
　　2)根據(jù)上述工作的結(jié)論，

5、采用D-d連接方式的SWDD膜組件同氧化鐵黃顏料的生產(chǎn)工藝相結(jié)合，直接提取了空氣氧化法反應(yīng)過程中產(chǎn)生的大量硫酸，建立了副產(chǎn)物硫酸生產(chǎn)量與時間的線性回歸方程，成功進(jìn)行了SWDD處理相應(yīng)的模擬產(chǎn)酸實驗，獲得水流流速和進(jìn)料處理量的兼容一致性，并提出了在工業(yè)上應(yīng)用的設(shè)施方案。這種方法具有的“零能耗”和“零排放”的獨特優(yōu)勢，提供了一種SWDD膜分離技術(shù)應(yīng)用的新思路。
　　3)采用RED為能量供體，原位集成RED和ED兩個過程設(shè)計一個無電源電

6、滲析。首先優(yōu)化了單一RED過程，實驗表明流速、濃度差、淡室給水源對RED產(chǎn)能均有影響。后面的無電源電滲析運行結(jié)果顯示，間歇操作模式下淡水最低電導(dǎo)可達(dá)72μS cm-1，連續(xù)操作模式下淡水最低電導(dǎo)可達(dá)736μS cm-1，間歇操作模式下模擬海水/廢水體系與氯化鈉溶液體系在鹵水脫鹽性能上無明顯差別。因此，這種無電源電滲析應(yīng)用于脫鹽工藝，具有“高鹽廢水零排放”和良好經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)勢。
　　4)在原RED膜堆中引入雙極膜，便形成雙極膜反向電