離子交換膜技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

離子交換膜技術(shù)在水處理中的應(yīng)用

作為一種新型化工技術(shù)之一，陰離子交換技術(shù)在多個生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，成為解決現(xiàn)代能源、資源和環(huán)境問題的重要手段，并取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。該技術(shù)已被列入世界各國的開發(fā)重點,在處理冶金工業(yè)廢液方面的研究極為活躍。1應(yīng)用研究現(xiàn)狀1.1在電鍍廢液回收利用的方法電滲析可同時實現(xiàn)溶液濃縮和淡化,不會給水溶液帶入新的組分,且能在常溫、常壓下操作,不象蒸餾法需要加熱。這些都使得電滲析在處理冶金工業(yè)廢液方面極具吸引力。當(dāng)廢液的濃度較低時,采用常規(guī)方法(如石灰中和法等)處理很不經(jīng)濟,不但產(chǎn)生大量廢渣,且處理后的水只能排放。而電滲析既可使有用組分分離并濃縮,又可使溶液脫鹽,得到的工業(yè)水可直接回用,從而實現(xiàn)冶金工業(yè)廢液的零排放。氧化鋁生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量赤泥附帶有含堿廢液,回收赤泥中的堿以實現(xiàn)赤泥的綜合利用是一項迫切任務(wù)。較有效的處理方法是添加石灰使赤泥脫堿,再用電滲析從所得的稀堿液中回收堿。劉長霖等對此進(jìn)行了研究并建成了中試線,經(jīng)濟及環(huán)保效益均很顯著。張啟修等也進(jìn)行了這方面研究并完成了工業(yè)化實驗。該法同時回收了堿和工業(yè)用水,脫堿后的赤泥還可作生產(chǎn)水泥的原料使用,在技術(shù)上、經(jīng)濟上是完全可行的理想方法。稀土廠生產(chǎn)中常排放大量銨鹽廢水,薛德明等用電滲析對硫酸銨廢水進(jìn)行了濃縮回收,結(jié)果表明,濃縮后的銨鹽溶液可作為液體肥料直接利用,脫鹽后的水可回用或排放,該法是處理銨鹽廢液頗有前途的新型方法。工業(yè)廢酸溶液常含有金屬離子,劉恒等用電滲析從含銅、鐵、鎳離子的酸性溶液中回收硫酸,結(jié)果表明,即使料液中硫酸質(zhì)量濃度高達(dá)200g/L,金屬離子質(zhì)量濃度高達(dá)59g/L,這種回收都是有效的。在清洗電鍍工件時,洗水濃度會迅速增加,需要經(jīng)常加以處理。通過電滲析,洗水能不斷得以淡化并返回水洗槽,濃縮的溶液可直接循環(huán)到電鍍槽重新使用。美國TamV.Tran等研究了用自動倒極電滲析過程回收鎳鹽,取得了良好的經(jīng)濟效益。N.F.Kizim等用電滲析從電鍍廢液中除去了鉻鹽,脫鹽率達(dá)85%以上。電滲析可將化學(xué)鍍老化液中逐漸富集的有害副產(chǎn)物有選擇地移走而不影響鍍液的濃度,從而顯著延長鍍液的使用壽命。對于化學(xué)鍍鎳?yán)匣?通過電滲析可使原鍍液的使用壽命由10個周期延長到27個周期。對于化學(xué)鍍銅老化液,該法也是行之有效的。波蘭Dykuskikafal利用電滲析將硫酸鈉廢水電化學(xué)分解成硫酸和氫氧化鈉,產(chǎn)物均可返回流程,該法已工業(yè)化。日本KimuraToru等用電滲析回收了處理鋁印刷板表面的酸性廢水,并申請了專利。1.2硝酸鈉廢液電化學(xué)分解法雙極膜能將水直接離解成H+和OH-,從而實現(xiàn)對無機鹽的劈裂式分解,制得相應(yīng)的酸和堿。許多研究結(jié)果表明,雙極膜電滲析技術(shù)是處理冶金工業(yè)含鹽廢水的高效率方法。據(jù)報導(dǎo),目前雙極膜電滲析技術(shù)已成功應(yīng)用于處理硫酸鈉工業(yè)廢水,并證實生產(chǎn)苛性鈉成本僅為傳統(tǒng)工藝的1/3~1/2,該法已被Allied公司工業(yè)化。Toshiba公司ShojiYuichi等研究了用該法將硝酸鈉廢液電化學(xué)分解成硝酸和氫氧化鈉,產(chǎn)物均可返回流程。NishimotoYoshiji等對處理堿性氟化物廢水的雙極膜電滲析法申請了專利。該法可回收所有的苛性堿和氫氟酸,電流效率為70%。N.P.Gnusin等研究證實了用該法從稀的含鋅酸洗廢液中提取和濃縮酸的可能性。N.V.Vitul’skaya等人利用雙極膜電滲析對鋁和鋁合金的堿性浸蝕廢液進(jìn)行了電化學(xué)回收。由于雙極膜電滲析將水離解成H+和OH-所消耗能量僅為電解水過程所需要能量的40%,所以利用雙極膜電滲析作為新的節(jié)能技術(shù)已成為發(fā)展方向,研究極為活躍。但仍存在雙極膜的化學(xué)穩(wěn)定性差、電流效率偏低等問題,該法的推廣有賴于雙極膜性能的改善。1.3稀鹽水的返回和利用COMAT法是用酸性硫酸鹽介質(zhì)浸出低品位冰銅的一個理想的閉合流程,在多國獲得專利。但該法最終仍含有硫酸銨廢液,按傳統(tǒng)方法只能用石灰中和后排放,但用陰膜電解處理,可將硫酸銨電化學(xué)分解成硫酸和氨水,并返回流程,實現(xiàn)完全的閉路循環(huán)。用陰膜將陰極室與陽極室隔開,含硫酸銨的萃余液被引入陰極室,稀硫酸引入陽極室。通電后,硫酸根可通過陰膜從陰極室遷到陽極室,陽極室硫酸得到富集,陰極室生成氨水。生成的部分稀氨水可直接返回流程使用,剩下的部分經(jīng)濃縮后返回流程用于中和,生成的硫酸濃度足以直接返回浸出。用三氯化鐵作印刷電路板的蝕刻劑時,發(fā)生如下反應(yīng):Cu+2FeCl3=CuCl2+2FeCl2英國人用陰膜電解從蝕刻廢液中回收了銅和再生了蝕刻劑。廢蝕刻劑作陰極液,FeCl2作陽極液。通電后,在陰極室首先是蝕刻劑中殘余Fe3+還原,然后才是銅的沉積。除銅后的蝕刻劑再引入陽極室,再生出FeCl3重新使用。處理能力為450L/周的這種再生槽的投資為1500英鎊(1979年價格),投資回收時間約為0.5a,電解的能耗是0.48(kW·h)/L。俄國的S.S.Kruglikov等利用膜電解從印刷電路的蝕刻劑廢液中回收了金屬銅。荷蘭的K.N.Njau等利用膜電解從鍍鎳廢液中電沉積出鎳。俄國的A.M.Levin等研究了用膜電解從含鎳、錳的硫酸廢液中回收鎳、錳的可能性。試驗證明,在陽極室可得到純硫酸,在陰極可電沉積出鎳金屬。冶金工業(yè)中常需處理廢堿液,薛智懷利用陽膜電解對其回收。通電后,工業(yè)廢堿液中的陰離子如Cl-、ZnO22-等被阻留在陽極室中,K+或Na+透過陽膜遷移,在陰極室產(chǎn)生高純度堿液。俄國人的研究表明,回收廢堿液時采用離子膜電解優(yōu)于石棉隔膜電解,可將NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由6%~12%提高到20%~30%。1.4利用含酸廢水回收酸擴散滲析依靠濃度差為推動力,利用膜的選擇透過性進(jìn)行分離,而不需外加直流電,因此能耗很低。對于工業(yè)上的含酸廢液,利用擴散滲析回收引起了人們濃厚的興趣。在日本已有50多家工廠用擴散滲析從鋼鐵及有色金屬加工廠金屬材料表面處理的廢酸洗液中成功地回收了酸。A.D.DanielBoateng將含有Zn2+、Cd2+、Ca2+等金屬離子的稀廢酸液通入滲析器成功地回收了酸(H2SO4、HCl、HNO3)。YoshiharuAoki等對從含酸廢水中回收酸的方法和裝置申請了專利。他們將裝有許多張陰膜的擴散滲析器與裝有不透水性膜的冷卻室相聯(lián),以防止溫度的改變引起的膜損壞,特別適合處理鈦白粉生產(chǎn)中的硫酸廢液和回收酸洗廢液中的酸。徐銅文等用滲析陰膜對鈦白廢液中的廢酸進(jìn)行了回收,結(jié)果表明,用擴散滲析能實現(xiàn)硫酸與其他成分如硫酸鐵、硫酸鈦的良好分離,其分離系數(shù)分別不低于26.0和51.0。擴散滲析可從電解貧液中回收游離硫酸,該工藝已在江西德興銅礦投入運行,投產(chǎn)1.5a來酸回收率和鐵去除率分別穩(wěn)定在75%和90%左右,累計回收硫酸340t,保證了浸出-萃取-電積主流程的酸平衡。日本的德山曹達(dá)公司開發(fā)了耐酸腐蝕的擴散滲析用陽膜,而且成功地開發(fā)了從鋁蝕刻劑中回收苛性鈉的工藝,并在美國的Caspian化工廠投入運行。為了防止Al(OH)3析出堵塞膜孔,可先用擴散滲析回收堿,再在滲析器外使鋁析出而加以回收。2離子膜裝置的特點(1)離子交換膜技術(shù)能顯著節(jié)省能源。該技術(shù)以電位差或濃度差為推動力,不象蒸餾需要很高的熱量,且不產(chǎn)生相變,可在較低溫度和常壓下操作,也可避免受熱組分降解而混入雜質(zhì)。(2)該技術(shù)工藝簡單,且節(jié)省原料,無二次污染。例如對于堿廢液,按傳統(tǒng)方法處理要許多反應(yīng)罐和儲槽,耗費大量中和劑,設(shè)備投資和生產(chǎn)費用均很大。用陽膜電解回收則可節(jié)約大量的酸、堿,且回收的純堿液還可用于生產(chǎn),同時耗電少,提高了經(jīng)濟效益。1985年機電部755廠將兩套膜裝置投入運行,僅2.5a回收KOH24.6t,獲純利14.2萬元,效益顯著。(3)該技術(shù)能實現(xiàn)鹽的電化學(xué)分解,有利于廢水中有用組分的充分回收。(4)作為單元操作,離子膜裝置簡單緊湊,占地小,運用靈活,便于實現(xiàn)自動化控制。膜裝置緊湊的設(shè)計導(dǎo)致只需小的空間,當(dāng)空間非常寶貴時,這一點尤為重要。膜裝置還較易與現(xiàn)有流程連接,運用靈活。另外,離子膜裝置的操作運轉(zhuǎn)也很方便,有計劃的電流波動對膜影響不大。開車、停車都比較容易,即使頻繁停電,一般正常情況膜也不會因此損壞。滲析法的操作更簡單,易于自動控制。3完善離子膜技術(shù)的建議離子交換膜電解技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊,為加速該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用,應(yīng)加強以下幾方面的工作:(1)加強離子膜合