离子交换膜技术在水处理中的应用

离子交换膜技术在水处理中的应用

作为一种新型化工技术之一，阴离子交换技术在多个生产领域得到了广泛应用，成为解决现代能源、资源和环境问题的重要手段，并取得了良好的经济效益和社会效益。该技术已被列入世界各国的开发重点,在处理冶金工业废液方面的研究极为活跃。1应用研究现状1.1在电镀废液回收利用的方法电渗析可同时实现溶液浓缩和淡化,不会给水溶液带入新的组分,且能在常温、常压下操作,不象蒸馏法需要加热。这些都使得电渗析在处理冶金工业废液方面极具吸引力。当废液的浓度较低时,采用常规方法(如石灰中和法等)处理很不经济,不但产生大量废渣,且处理后的水只能排放。而电渗析既可使有用组分分离并浓缩,又可使溶液脱盐,得到的工业水可直接回用,从而实现冶金工业废液的零排放。氧化铝生产中产生的大量赤泥附带有含碱废液,回收赤泥中的碱以实现赤泥的综合利用是一项迫切任务。较有效的处理方法是添加石灰使赤泥脱碱,再用电渗析从所得的稀碱液中回收碱。刘长霖等对此进行了研究并建成了中试线,经济及环保效益均很显著。张启修等也进行了这方面研究并完成了工业化实验。该法同时回收了碱和工业用水,脱碱后的赤泥还可作生产水泥的原料使用,在技术上、经济上是完全可行的理想方法。稀土厂生产中常排放大量铵盐废水,薛德明等用电渗析对硫酸铵废水进行了浓缩回收,结果表明,浓缩后的铵盐溶液可作为液体肥料直接利用,脱盐后的水可回用或排放,该法是处理铵盐废液颇有前途的新型方法。工业废酸溶液常含有金属离子,刘恒等用电渗析从含铜、铁、镍离子的酸性溶液中回收硫酸,结果表明,即使料液中硫酸质量浓度高达200g/L,金属离子质量浓度高达59g/L,这种回收都是有效的。在清洗电镀工件时,洗水浓度会迅速增加,需要经常加以处理。通过电渗析,洗水能不断得以淡化并返回水洗槽,浓缩的溶液可直接循环到电镀槽重新使用。美国TamV.Tran等研究了用自动倒极电渗析过程回收镍盐,取得了良好的经济效益。N.F.Kizim等用电渗析从电镀废液中除去了铬盐,脱盐率达85%以上。电渗析可将化学镀老化液中逐渐富集的有害副产物有选择地移走而不影响镀液的浓度,从而显著延长镀液的使用寿命。对于化学镀镍老化液,通过电渗析可使原镀液的使用寿命由10个周期延长到27个周期。对于化学镀铜老化液,该法也是行之有效的。波兰Dykuskikafal利用电渗析将硫酸钠废水电化学分解成硫酸和氢氧化钠,产物均可返回流程,该法已工业化。日本KimuraToru等用电渗析回收了处理铝印刷板表面的酸性废水,并申请了专利。1.2硝酸钠废液电化学分解法双极膜能将水直接离解成H+和OH-,从而实现对无机盐的劈裂式分解,制得相应的酸和碱。许多研究结果表明,双极膜电渗析技术是处理冶金工业含盐废水的高效率方法。据报导,目前双极膜电渗析技术已成功应用于处理硫酸钠工业废水,并证实生产苛性钠成本仅为传统工艺的1/3~1/2,该法已被Allied公司工业化。Toshiba公司ShojiYuichi等研究了用该法将硝酸钠废液电化学分解成硝酸和氢氧化钠,产物均可返回流程。NishimotoYoshiji等对处理碱性氟化物废水的双极膜电渗析法申请了专利。该法可回收所有的苛性碱和氢氟酸,电流效率为70%。N.P.Gnusin等研究证实了用该法从稀的含锌酸洗废液中提取和浓缩酸的可能性。N.V.Vitul’skaya等人利用双极膜电渗析对铝和铝合金的碱性浸蚀废液进行了电化学回收。由于双极膜电渗析将水离解成H+和OH-所消耗能量仅为电解水过程所需要能量的40%,所以利用双极膜电渗析作为新的节能技术已成为发展方向,研究极为活跃。但仍存在双极膜的化学稳定性差、电流效率偏低等问题,该法的推广有赖于双极膜性能的改善。1.3稀盐水的返回和利用COMAT法是用酸性硫酸盐介质浸出低品位冰铜的一个理想的闭合流程,在多国获得专利。但该法最终仍含有硫酸铵废液,按传统方法只能用石灰中和后排放,但用阴膜电解处理,可将硫酸铵电化学分解成硫酸和氨水,并返回流程,实现完全的闭路循环。用阴膜将阴极室与阳极室隔开,含硫酸铵的萃余液被引入阴极室,稀硫酸引入阳极室。通电后,硫酸根可通过阴膜从阴极室迁到阳极室,阳极室硫酸得到富集,阴极室生成氨水。生成的部分稀氨水可直接返回流程使用,剩下的部分经浓缩后返回流程用于中和,生成的硫酸浓度足以直接返回浸出。用三氯化铁作印刷电路板的蚀刻剂时,发生如下反应:Cu+2FeCl3=CuCl2+2FeCl2英国人用阴膜电解从蚀刻废液中回收了铜和再生了蚀刻剂。废蚀刻剂作阴极液,FeCl2作阳极液。通电后,在阴极室首先是蚀刻剂中残余Fe3+还原,然后才是铜的沉积。除铜后的蚀刻剂再引入阳极室,再生出FeCl3重新使用。处理能力为450L/周的这种再生槽的投资为1500英镑(1979年价格),投资回收时间约为0.5a,电解的能耗是0.48(kW·h)/L。俄国的S.S.Kruglikov等利用膜电解从印刷电路的蚀刻剂废液中回收了金属铜。荷兰的K.N.Njau等利用膜电解从镀镍废液中电沉积出镍。俄国的A.M.Levin等研究了用膜电解从含镍、锰的硫酸废液中回收镍、锰的可能性。试验证明,在阳极室可得到纯硫酸,在阴极可电沉积出镍金属。冶金工业中常需处理废碱液,薛智怀利用阳膜电解对其回收。通电后,工业废碱液中的阴离子如Cl-、ZnO22-等被阻留在阳极室中,K+或Na+透过阳膜迁移,在阴极室产生高纯度碱液。俄国人的研究表明,回收废碱液时采用离子膜电解优于石棉隔膜电解,可将NaOH的质量分数由6%~12%提高到20%~30%。1.4利用含酸废水回收酸扩散渗析依靠浓度差为推动力,利用膜的选择透过性进行分离,而不需外加直流电,因此能耗很低。对于工业上的含酸废液,利用扩散渗析回收引起了人们浓厚的兴趣。在日本已有50多家工厂用扩散渗析从钢铁及有色金属加工厂金属材料表面处理的废酸洗液中成功地回收了酸。A.D.DanielBoateng将含有Zn2+、Cd2+、Ca2+等金属离子的稀废酸液通入渗析器成功地回收了酸(H2SO4、HCl、HNO3)。YoshiharuAoki等对从含酸废水中回收酸的方法和装置申请了专利。他们将装有许多张阴膜的扩散渗析器与装有不透水性膜的冷却室相联,以防止温度的改变引起的膜损坏,特别适合处理钛白粉生产中的硫酸废液和回收酸洗废液中的酸。徐铜文等用渗析阴膜对钛白废液中的废酸进行了回收,结果表明,用扩散渗析能实现硫酸与其他成分如硫酸铁、硫酸钛的良好分离,其分离系数分别不低于26.0和51.0。扩散渗析可从电解贫液中回收游离硫酸,该工艺已在江西德兴铜矿投入运行,投产1.5a来酸回收率和铁去除率分别稳定在75%和90%左右,累计回收硫酸340t,保证了浸出-萃取-电积主流程的酸平衡。日本的德山曹达公司开发了耐酸腐蚀的扩散渗析用阳膜,而且成功地开发了从铝蚀刻剂中回收苛性钠的工艺,并在美国的Caspian化工厂投入运行。为了防止Al(OH)3析出堵塞膜孔,可先用扩散渗析回收碱,再在渗析器外使铝析出而加以回收。2离子膜装置的特点(1)离子交换膜技术能显著节省能源。该技术以电位差或浓度差为推动力,不象蒸馏需要很高的热量,且不产生相变,可在较低温度和常压下操作,也可避免受热组分降解而混入杂质。(2)该技术工艺简单,且节省原料,无二次污染。例如对于碱废液,按传统方法处理要许多反应罐和储槽,耗费大量中和剂,设备投资和生产费用均很大。用阳膜电解回收则可节约大量的酸、碱,且回收的纯碱液还可用于生产,同时耗电少,提高了经济效益。1985年机电部755厂将两套膜装置投入运行,仅2.5a回收KOH24.6t,获纯利14.2万元,效益显著。(3)该技术能实现盐的电化学分解,有利于废水中有用组分的充分回收。(4)作为单元操作,离子膜装置简单紧凑,占地小,运用灵活,便于实现自动化控制。膜装置紧凑的设计导致只需小的空间,当空间非常宝贵时,这一点尤为重要。膜装置还较易与现有流程连接,运用灵活。另外,离子膜装置的操作运转也很方便,有计划的电流波动对膜影响不大。开车、停车都比较容易,即使频繁停电,一般正常情况膜也不会因此损坏。渗析法的操作更简单,易于自动控制。3完善离子膜技术的建议离子交换膜电解技术的应用前景广阔,为加速该技术的工业化应用,应加强以下几方面的工作:(1)加强离子膜合