膜蒸馏技术在水处理中的应用Ⅱ

膜蒸馏技术在水处理中的应用膜蒸馏技术在水处理中的应用Ⅱ膜蒸馏在冶金工业中的应用膜蒸馏(MD)作为膜分离家庭新成员,提出于20世纪60年代,发展始于80年代,至今已在不少领域取得可喜的研究成果,特别是近些年来适合蒸馏用的疏水膜性能的不断改进,使膜蒸馏过程的开发和应用得到了进一步的发展.各种膜蒸馏过程具有以下共同特点:1)操作条件温和,在常压和较低温度下只要两侧有一定温差便有足够之推动力实现水的传递,因此可以利用废热、地热或太阳能作热源.2)由于仅有水蒸气扩散通过膜孔达到冷侧,无机盐等不能通过膜孔,因此在冷侧得到纯水的同时,在热侧实现溶液浓缩.3)可处理高浓度的水溶液.在能源供应日趋紧张,水资源匮乏、环保要求更加严格的情况下,作为膜分离家族的新成员———膜蒸馏对发展高效、节能、无污染冶金新工艺无疑是一种具有广泛发展前景的重要手段。随着膜蒸馏技术研究的不断深入,冶金工作者开始考虑利用膜蒸馏技术来浓缩浓度在1mol/L左右而不适于用其它膜技术处理的冶金工业生产中所产生的含酸、碱、盐的废水.膜蒸馏对冶金工作者的吸引力不在于它能制备纯水的性能,而在于它能利用低温热源及其具有的高度浓缩性能.冶金工业是一个耗能大户,普遍存在大量废热的回收利用问题,湿法冶金工艺中又经常有溶液浓缩的需要,因此膜蒸馏的工业化对冶金工业的技术进步无疑是一个巨大的推动.膜蒸馏应用于钛白废酸的浓缩实验所用装置如图所示,它由加料系统、膜蒸馏器、接收系统和真空系统四部分组成.其中,加料系统主要包括恒温控制器、加热器和料液循环槽;膜蒸馏器是整个实验的核心部分.实验采用平板式,主要由料液室、圆形微孔分离膜、膜支撑板、密封圈等组成;收集系统主要由冷凝器和真空接收瓶等组成;真空系统主要由真空泵、压力计和压力调节阀等组成.减压膜蒸溜实验装置示意图首先用稀的纯硫酸进行试验.结果表明,采用VMD工艺可将2.1mol/L(18.3%)的硫酸浓缩到10.32mol/L(65.5%),如图3所示.开始控制热侧温度为70℃,冷侧为2.67kPa的低真空,当浓缩到硫酸为6.23mol/L(55.1%)时,水的通量已很小,为此将热侧温度提高至80℃,以增大传质推动力,此时可使硫酸进一步浓缩至65.5%.但是用废酸直接浓缩时发现随硫酸浓度增加,由于盐析效应,FeSO4结晶析出,这一结晶使膜发生“湿化”现象,丧失疏水性.深入研究发现,废酸中的钛对膜蒸馏并无影响,因此研究了先用扩散渗析法分离硫酸,但由于盐的泄漏,尽管渗析产酸可以用VMD浓缩至65%,但仍有亚铁结晶析出的问题,为此又研究了三异辛胺萃取硫酸的办法,反萃得到酸浓度为1.12mol/L,酸回收率达91.4%.将反萃回收的酸在热侧80℃,冷侧5.64kPa条件下浓缩可得到10.30mol/L(65.1%)的浓硫酸.纯硫酸的膜蒸馏浓缩膜蒸馏从RECl3溶液中用分离回收盐酸用P2O4萃取分组混合稀土得到的中稀土反萃液及重稀土反萃液中均含有较高浓度的盐酸,目前不得不耗费大量的MgO进行中和.因为盐酸有共沸点,按常规理解似乎不可能回收浓的盐酸,但考虑到RECl3的盐析效应,首先从理论上计算了含SmCl3的盐酸体系中水及HCl的分压,发现相对于纯盐酸溶液而言,同条件下,由于SmCl3存在,导致溶液体系H2O分压减小,而HCl分压增大,而且随SmCl3浓度增大,H2O分压的减小及HCl分压增大趋势更为明显.图4为根据计算结果作出的气液平衡关系图.SmCl3浓度/(mol·kg-1):从下往上5条线分别代表0;0.4;0.8;1.2;1.4这表明,由于SmCl3的存在,气相中的nHCl/nH2O会增大,溶液的共沸点组成向HCl减小的方向移动.在实际膜蒸馏过程中,RECl3浓度会不断增加,温度也远大于25℃,这些均有利于气相组成中HCl浓度的增大,即蒸馏产品液中HCl浓度会增大,而热侧料液中盐酸浓度则会不断减小.实验结果证实了理论判断的正确性,表1及表2分别为实际结果.试验中稀土反萃液CRE=0.6~0.9mol/L,CHCl=2~2.5mol/L,重稀土反萃液:CRE=0.2~0.4mol/L,CHCl=4.5~5.5mol/L,每次用料液5L,料液温度62~63℃,冷侧压力8~10kPa,料液循环速度5.4cm/s.随蒸馏过程进行,蒸馏产品液体积不断增大,料液体积不断减小,稀土得到不断浓缩.开始时水蒸气分压较大,所以蒸馏液中盐酸浓度较低,而料液中盐酸浓度还有不断增加趋势.随过程进行,盐析效应增强,故蒸馏液中盐酸浓度增加而料液中盐酸浓度下降.表1中稀土反萃液膜蒸馏试验结果表2重稀土反萃液膜蒸馏试验结果集成膜法回收硫酸稀土溶液中硫酸集成膜法回收硫酸稀土溶液中硫酸,系指先采用减压膜蒸馏浓缩低浓度的硫酸稀土溶液,再采用扩散渗析法处理浓缩液以回收其中硫酸,其中扩散渗析的