应用双极膜电渗析法再生脱硫废液工艺的研究

应用与开发应用双极膜电渗析法再生脱硫废液工艺的研究陈迁乔,钟秦,邢鹏3(南京理工大学化工学院,江苏南京210094)摘要:应用1张双极膜和2张阳离子交换膜构成的二室电渗析器实现了脱硫废液NaHSO3溶液的再生。在试验浓度范围(≤0.3mol·L-1)获得了满意的转化率(>85%)。试验研究电流密度、NaHSO3浓度、极水浓度和酸碱性、隔室流量对再生时间的影响。获得了该实验装置的适宜操作条件,并研讨了再生过程的电流效率。关键词:烟气脱硫;双极膜;电渗析;NaHSO3再生中图分类号:TQ028.7文献标识码:A文章编号:1002-1116(2005)05-0028-04WellmanLord工艺是烟气脱硫广泛使用的工艺之一,脱硫废液NaHSO3是采用加热解析再生。该再生方法工艺能耗高、存在二次污染,而且再生后的Na2SO3不稳定,加热易被氧化成Na2SO4,造成吸收剂的损失[1]。双极膜电渗析技术(BipolarMembraneElec2trodialysis)可以有效地将盐转化为相应的酸和碱。由于BME法设备简单、耗能少、效率高,目前已在有机酸制备、发酵产物分离、食品工业、环境保护、冶金工业等多个领域展开理论与应用研究[2]。通过BME法再生NaHSO3,能有效地避免二次污染的发生,减少吸收剂在再生过程中的损失。余立新等对双极膜电渗析法脱硫废液进行了可行性研究[3]。本文试验研究了双极膜电渗析法再生NaHSO3过程的各种影响因素,提出适宜的操作参数。1试验双极膜电渗析器由双极膜和阳离子交换膜交替排列组成。试验所用电渗析器是由一张双极膜和两张阳离子交换膜构成的两室模型。再生的工艺流程如图1所示。试验采用间歇操作。在酸、碱室循环槽中加入脱硫废液NaHSO3溶液,利用酸室循环泵使溶液在酸室和酸室循环槽构成的系统中循环。利用碱室循环泵使溶液在碱室和碱室循环槽构成的系统中循环。以Na2SO4溶液作为极水[4],循环泵使其循环。如图2所示,在直流电场作用下,酸室中的Na+在电场作用下向阴极室运动,双极膜将H2O解离为H+和OH-,酸室中HSO-与水解离产生的H+反应生成H2SO3。碱室中的NaHSO3与水解离产生的OH-及来自阳极室的Na+反应,生成Na2SO3,使废液再生。试验采用上海化工厂水处理材料有限公司的异相双极膜和聚乙烯异相阳离子交换膜。膜堆由1张双极膜和2张阳离子交换膜构成,膜的有效面积为0.05m2。隔板厚度1.8×10-3m。电极为钛涂钌丝状电极。酸、碱室循环液的温度控制在25℃。1—直流电源;2—电渗析器;3—酸室循环槽;4—酸室循环泵;5—碱室循环槽;6—碱室循环泵;7—极水槽;8—极水循环泵;9—转子流量计;10—流量调节阀图1再生工艺流程图第33卷第5期2005年10月江苏化工JiangsuChemicalIndustryVol.33No.5Oct.20053收稿日期:2005-06-06基金项目:江苏省自然科学基金资助项目(BK2002105)作者简介:陈迁乔(1970—),女,河南郾城人,讲师,博士研究生,师从钟秦教授,主要从事烟气脱硫及相关领域的研究。电话:025-84315517。图2双极膜电渗析法再生脱硫废液原理示意图2分析与计算方法测量碱室循环液的pH值并记录相应的电压和电流值,通过计算求得转化率及电流效率等相关参数。pH值由美国ORION公司生产的酸度计测量。2.1NaHSO3转化率NaHSO3转化率(f)的理论计算公式如下:f=N1N2×100%式中,N1:时间t内转化为Na2SO3的量,mol;N2:起始溶液中NaHSO3的量,mol。通过测定碱室溶液的pH值的变化来计算NaHSO3转化率,碱室中发生的反应方程为:HSO-3+OH-SO2-3+H2O根据弱电解质的解离平衡,可以推出:f=11+10(pKa2-pH)Ka2:H2SO3的二级离解常数;25℃时,pKa2=7.20。2.2电流效率电流效率是电渗析器的主要技术指标,它表示电渗析过程电能的利用率。平均电流效率的计算公式如下:η平=96500×ΔNn×I×Δt式中,△t:测量时间,s;△N:△t内Na2SO3的生成量,mol;I:△t内平均电流,A;n:膜对数。3结果与讨论3.1影响NaHSO3再生的因素分析对于双极膜电渗析再生NaHSO3废液,在不同的试验条件下完成再生所需时间相差较大。试验以NaHSO3转化率(f)达到85%所用时间(t85)作为指标,研究了NaHSO3浓度、电流密度和极水浓度及酸碱度、电渗析器隔室中溶液的流动速度等各因素对再生时间t85的影响。试验首先研究不同浓度的NaHSO3溶液再生为Na2SO3的可能性。试验进行最大浓度为0.3mol·L-1的再生试验研究,结果表明在此浓度范围内,本工艺是成功的。图3的结果表明NaHS