電滲析處理茶氨酸可行性研究

文_陳希書 張耀武 沈達 林濤 浙江沐源環(huán)境工程有限公司

相較于反滲透和納濾等水透過而鹽分留下的技術，電滲析技術是逐漸脫除鹽類而得到濃度較低的溶液，具有連續(xù)操作、能量消耗低、藥劑耗量少、環(huán)境污染小和水利用率高等優(yōu)點，在環(huán)境、制鹽、食品和化學藥品等工業(yè)領域方面有廣泛應用。

1 儀器與方法

1.1 實驗設備

實驗采用電滲析裝置由浙江沐源環(huán)境工程有限公司提供。裝置由三個循環(huán)系統(tǒng)組成，每個循環(huán)系統(tǒng)都包含有：水泵、水箱、流量計和壓力表。料液通過循環(huán)泵打到電滲析的隔離室內，通過調節(jié)閥控制流量，確保料液室、濃縮室和極水室三室內的壓力平衡。其中，電滲析膜堆為50 對膜，膜的尺寸為200mm×600mm，單片有效膜面積為0．832m2，總有效膜面積為4．16m2；PHSJ-3F 型pH 計，上海儀電科學儀器股份有效公司；DDS-307 電導率儀，上海儀電科學儀器股份有限公司。

1.2 電滲析設備操作過程

茶氨酸脫鹽使用的是電滲析試驗機設備，實驗過程中的主要操作步驟為：首先，向水箱中相應的加入適量料液和去離子水；然后，微開料液、濃水的進口閥門，全開出口閥門，依次開啟水泵，調節(jié)流量循環(huán)幾分鐘；接著，開啟整流開關，再開啟正相(或反相)，依據所貼標簽相互對應，調節(jié)電壓；穩(wěn)定后，定期取樣，測定電導率變化；結束時先關閉電壓調節(jié)閥至0，再關閉正相(反相)，接著關閉整流開關，最后關閉泵。

1.3 電滲析脫鹽率測定

在電滲析的脫鹽過程中，反映脫鹽效果好壞的指標是脫鹽率的多少。脫鹽率指的是在采用離子交換法或化學法去除水中陰、陽離子過程中，去除的量占原量的百分數。脫鹽率受溫度、離子種類、回收率、膜種類以及其他各種設計因素的影響。實驗采用DDS-307 電導率儀測定樣品不同時間內的電導率，脫鹽率可以用式（1）表示。

其中R—脫鹽率，%（即：可溶性雜質濃度的百分比）；Kf—溶液的初始電導率，mS/cm ；Kd—電滲析后的電導率，mS/cm。

1.4 電滲析脫鹽處理茶氨酸的可行性

為了總體上考慮電滲析技術對茶氨酸連續(xù)脫鹽的可行性，實驗首先采用了20L茶氨酸料液進行拖延試驗，考察了不同初始電導（1330μS/cm、2320μS/cm、3360μS/cm、4370μS/cm）下茶氨酸的脫鹽效果，不同流速下（400L/h、500L/h）茶氨酸的脫鹽效果，以及分析了實驗過程中濃水補水與不補水兩者之間茶氨酸的脫鹽效果。

2 結果與討論

本實驗主要討論料液在不同初始電導、不同流速下脫鹽的可行性，以及對比濃水補水和不補水下的脫鹽效果。

2.1 茶氨酸不同初始電導下脫鹽效果

茶氨酸料液的成分比較復雜，除了目標茶氨酸外，還有較多的雜質和雜酸，為了研究其脫鹽效果的可行性，選取4 種初始電導不同的茶氨酸料液進行電滲析脫鹽實驗。首先，向電滲析設備的料液箱中加入20L 茶氨酸料液；然后，向濃水水箱中加入20L 去離子水，使得兩水箱含量為1：1；接著，打開閥門，調節(jié)料液和濃水流量均為500L/h，壓力為0．01MPa，電壓為50V，依次對初始電導為1330μS/cm、2320μS/cm、3360μS/cm、4370μS/cm 的料液進行脫鹽處理。不同初始電導下的脫鹽效果如圖1 所示。

圖1 不同初始電導下脫鹽效果

從圖1 可以看出，隨著時間的增加脫鹽率也呈逐漸增加的趨勢，當脫鹽率達到70%～80%時，脫鹽率的變化趨于平緩，這主要是隨時間的加長，料液室內含鹽量不斷減少，脫鹽率增速也逐漸地變慢。另外，在不同初始電導率下，隨初始電導率的增加，脫鹽率所用時間也逐漸增加。不同初始電導率的料液隨時間變化脫鹽效果不同，當初始電導為1330μS/cm 時，經過50min 后，電導為193．2μS/cm，脫鹽率達到85．5%；當初始電導為2320μS/cm 時，經過80min 后，電導為282μS/cm，脫鹽率達到87．8%；當初始電導為3360μS/cm 時，經過140min后，電導為349μS/cm，脫鹽率達到89．6%；當初始電導為4370 μS/cm 時，經過270min 后，電導為560μS/cm，脫鹽率達到87．2%。由此結論可知，該實驗在不同的初始電導率情況下，脫鹽率都能達到85%左右，脫鹽效果比較明顯，具有可行性。

2.2 茶氨酸在不同流量下的脫鹽效果

為了從整體上研究茶氨酸脫鹽的可行性，在電滲析設備的壓力為0．01MPa，電壓為50V 的條件下，討論不同流量（400L/h、500L/h）下茶氨酸的脫鹽效果。茶氨酸不同流量下的脫鹽效果如圖2 所示。

圖2 不同流量時的脫鹽效果

從圖2 可以看出，隨著時間的增加脫鹽率也逐漸增加，且在30min 后，其脫鹽率逐漸趨于緩慢增加。另外，流量不同其脫鹽率也不同，大流量下茶氨酸的脫鹽率稍高于小流量下的脫鹽率，且在兩者達到相同脫鹽率時，流量高的比流量低時所用的脫鹽時間短。當流量為400L/h 時，脫鹽150min 后，電導率由2870μS/cm 降至493μS/cm，脫鹽率達到82．8%；當流量為500L/h 時，脫鹽120min 后，電導率由3470μS/cm 降至360μS/cm，脫鹽率達到89．6%。因此可知，在流量不同的情況下，脫鹽率也能達到實驗要求，且脫鹽效果比較明顯，該實驗具有一定的可行性。

2.3 濃水補水與不補水過程脫鹽效果

在電滲析脫鹽的實驗過程中，料液箱中的離子不斷地進入到濃水箱中，使得濃水箱中離子含量不斷增加，若濃水箱中的離子濃度較高時，會向料液室反向遷移，降低脫鹽效果。因此，本實驗討論實驗過程中濃水補水與不補水時的脫鹽效果。首先，向電滲析設備的料液箱中加入20L 茶氨酸料液；然后，向濃水水箱中分別加入20L 或10L 去離子水，使得兩水箱含量的比為1：1 或2：1（90min 時，向濃水箱中補充去離子水，使料液和濃水水箱含量為1：1）；接著，打開閥門調節(jié)料液和濃水流量均為500L/h，壓力為0．01MPa，電壓為50V，進行脫鹽處理。脫鹽效果如圖3 所示。

圖3 濃水補水時的脫鹽效果

從圖3 看出，隨時間的增加脫鹽率也逐漸增加。相較于不補水的實驗過程，濃水補水過程中的脫鹽率相對較高。當料液箱與濃水箱含量都為20L（中途不補水），脫鹽250min 后，電導率由4290μS/cm 降至536μS/cm，脫鹽率達到87．5%；當料液箱為20L，濃水箱含量都為10L（90min 時，向濃水箱中補充10L 去離子水，使料液和濃水水箱含量為1：1）時，脫鹽180min 后，電導率由4330μS/cm 降至578μS/cm，脫鹽率達到86．7%。當脫鹽率相差不大，且脫鹽效果較好時，濃水補水所用的時間較短。出現這種實驗結果的原因是，用去離子水對濃水進行補充，使得濃水水箱中遷移過來的離子濃度降低，促使料液箱的離子正向遷移，提高脫鹽率。因此，為了節(jié)省時間和節(jié)約能耗，實驗過程中一般選擇濃水補水手段進行實驗。

3 結論

本實驗證明采用電滲析技術對茶氨酸料液進行脫鹽處理，具有較好的脫鹽效果。集中不同初始電導率情況下脫鹽時，脫鹽率都能達到85%左右，脫鹽效果比較明顯；在流量不同的情況下，脫鹽率也能達到實驗要求，且脫鹽效果比較明顯，均具有一定的可行性。另外，濃水補水與不補水相比較，當脫鹽率相差不大時，濃水補水所用的時間較短。因此，茶氨酸的電滲析脫鹽過程整體是可行的。但是在實際應用的過程中，由于不確定因素較多，需要根據實際條件，來控制和調節(jié)各項參數。