雙極膜電滲析法處理天然堿鹵水的工藝條件優化

蔡 茜，周俊波

(北京化工大學機電工程學院，北京 100029)

天然堿鹵水中含有大量NaCl，在純堿生產過程中，隨著天然堿鹵水的循環使用，NaCl不斷累積，嚴重影響了純堿回收，導致回收純堿質量差，排放后又造成資源浪費[1]。因此，要提高純堿回收率，就需要降低天然堿鹵水的含鹽量[2]。作者在此采用雙極膜電滲析法處理天然堿鹵水，并對脫鹽工藝進行優化。

1 實驗

1.1 雙極膜電滲析的技術指標

(1)脫鹽率φ經過雙極膜電滲析后，除掉的鹽量占原溶液的百分比。其大小反映脫鹽效果的好壞。

(1)

式中：m1為電滲析前溶液中NaCl含量，g；m2為電滲析后溶液中NaCl含量，g。

(2)電流效率η電滲析實驗的電流利用率，是電滲析裝置的主要技術指標。

(2)

式中：F為法拉第常數，96500；Q為天然堿鹵水體積，L；Δc為原液中NaCl濃度的變化量，mol·L-1；n為膜對數；I為電流強度，A；t為通電時間，s。

(3)耗電量W電滲析實驗所耗用的電量。

(3)

式中:W為耗電量，kWh·kg-1；U為電壓，V；I為電流，A；t為時間，h；Δm為天然堿鹵水中NaCl減少量，kg。

1.2 雙極膜電滲析實驗裝置

雙極膜電滲析實驗采用的膜堆由6對JAM-Ⅱ型均相陰離子交換膜與BPM-Ⅰ型雙極膜交替組成。陰離子交換膜及小型電滲析器裝置均由北京廷潤膜技術開發有限公司研制生產，電滲析器裝置上配有物料流量計和水泵。

1.3 脫鹽工藝條件優化

首先，分別改變膜堆電壓、物料流量、溫度、進料濃度，考察其對脫鹽率、電流效率、耗電量的影響；然后，以脫鹽率、電流效率、耗電量為考核指標，通過正交實驗確定最優脫鹽工藝條件。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 膜堆電壓對雙極膜電滲析脫鹽過程的影響

固定其它條件，在極限電壓30 V的膜堆電壓條件下，考察膜堆電壓對脫鹽率、電流效率、耗電量的影響，結果見圖1。

圖1 膜堆電壓對雙極膜電滲析脫鹽的影響

由圖1可看出，脫鹽率和電流效率在24 V之前隨著膜堆電壓的升高而升高，在24 V之后隨著膜堆電壓的升高而降低；耗電量隨著膜堆電壓的升高而升高。

2.1.2 物料流量對雙極膜電滲析脫鹽過程的影響

固定其它條件，考察天然堿鹵水物料流量對脫鹽率、電流效率、耗電量的影響，結果見圖2。

圖2 物料流量對雙極膜電滲析脫鹽的影響

由圖2可看出，脫鹽率和耗電量隨著天然堿鹵水物料流量的增大而降低；電流效率隨著天然堿鹵水物料流量的增大而升高。

2.1.3 溫度對雙極膜電滲析脫鹽過程的影響

固定其它條件，考察溫度對脫鹽率、電流效率、耗電量的影響，結果見圖3。

圖3 溫度對雙極膜電滲析脫鹽的影響

由圖3可以看出，隨著溫度的升高，脫鹽率、電流效率、耗電量的變化不明顯，變化趨勢基本一致。這說明，溫度雖對電滲析脫鹽過程有直接影響，但是影響不大。

2.1.4 進料濃度對雙極膜電滲析脫鹽過程的影響

固定其它條件，考察進料濃度對脫鹽率、電流效率、耗電量的影響，結果見圖4。

圖4 進料濃度對雙極膜電滲析脫鹽的影響

由圖4可以看出，脫鹽率、電流效率均隨著進料濃度的增大先升高后降低，耗電量則隨著進料濃度的增大緩慢升高。

2.2 正交實驗[3～5]

在單因素實驗的基礎上確定膜堆電壓(A)、物料流量(B)、溫度(C)、進料濃度(D)為考察因素，以脫鹽率、電流效率、耗電量為考核指標進行正交實驗，其結果與分析見表1。

由表1可看出，各因素對考核指標的影響大小依次為A>D>B>C，即膜堆電壓對兩隔室雙極膜電滲析的影響最大，進料濃度的影響其次，物料流量的影響再次，溫度的影響最小。

以膜堆電壓、物料流量、溫度、進料濃度這4個因素為橫坐標、指標為縱坐標作圖，得到圖5。

圖5 因素指標圖

由圖5可以看出：在膜堆電壓為24 V、物料流量為5.0 L·h-1、溫度為40 ℃、進料濃度為2.0 mol·L-1時，指標最好。

表1 正交實驗結果與分析

3 結論

采用雙極膜電滲析法對天然堿鹵水進行脫鹽處理。在膜堆電壓為24 V時，脫鹽率和電流效率最高，耗電量為中間值；隨著天然堿鹵水物料流量的增大，電流效率升高，脫鹽率和耗電量降低；隨著溫度的升高，脫鹽率、電流效率、耗電量的變化不明顯，變化趨勢基本一致；隨著進料濃度的增加，脫鹽率、電流效率均先升高再降低，耗電量則逐漸升高。

通過正交實驗，得到雙極膜電滲析脫鹽工藝的最佳條件為：膜堆電壓24 V、物料流量5.0 L·h-1、溫度40 ℃、進料濃度2.0 mol·L-1。

(致謝：感謝杭州水處理中心金可勇老師在本實驗過程中給予的指導幫助；感謝北京廷潤膜技術公司為本實驗提供的實驗裝置。 )

參考文獻：

[1] 王金福.中國純堿工業技術進展[J].純堿工業,2001,(6):31-33.

[2] 張正海,張軍英.降低重堿鹽分，提高純堿產品質量[J].河南化工,2010,27(17):48-49.

[3] 官仕龍,方繼德,陳全明.用正交實驗法優選茉莉醛的合成工藝條件[J].化學與生物工程,2005,22(12):37-38.

[4] 張輝.正交試驗在生產實踐中應用[J].遼寧工學院學報,2002,22(4):38-40.

[5] 徐仲安,王天保，李常英，等.正交試驗設計法簡介[J].科技情報開發與經濟,2002,12(5):148-150.