双极膜电渗析法处理天然碱卤水的工艺条件优化

蔡 茜，周俊波

(北京化工大学机电工程学院，北京 100029)

天然碱卤水中含有大量NaCl，在纯碱生产过程中，随着天然碱卤水的循环使用，NaCl不断累积，严重影响了纯碱回收，导致回收纯碱质量差，排放后又造成资源浪费[1]。因此，要提高纯碱回收率，就需要降低天然碱卤水的含盐量[2]。作者在此采用双极膜电渗析法处理天然碱卤水，并对脱盐工艺进行优化。

1 实验

1.1 双极膜电渗析的技术指标

(1)脱盐率φ经过双极膜电渗析后，除掉的盐量占原溶液的百分比。其大小反映脱盐效果的好坏。

(1)

式中：m1为电渗析前溶液中NaCl含量，g；m2为电渗析后溶液中NaCl含量，g。

(2)电流效率η电渗析实验的电流利用率，是电渗析装置的主要技术指标。

(2)

式中：F为法拉第常数，96500；Q为天然碱卤水体积，L；Δc为原液中NaCl浓度的变化量，mol·L-1；n为膜对数；I为电流强度，A；t为通电时间，s。

(3)耗电量W电渗析实验所耗用的电量。

(3)

式中:W为耗电量，kWh·kg-1；U为电压，V；I为电流，A；t为时间，h；Δm为天然碱卤水中NaCl减少量，kg。

1.2 双极膜电渗析实验装置

双极膜电渗析实验采用的膜堆由6对JAM-Ⅱ型均相阴离子交换膜与BPM-Ⅰ型双极膜交替组成。阴离子交换膜及小型电渗析器装置均由北京廷润膜技术开发有限公司研制生产，电渗析器装置上配有物料流量计和水泵。

1.3 脱盐工艺条件优化

首先，分别改变膜堆电压、物料流量、温度、进料浓度，考察其对脱盐率、电流效率、耗电量的影响；然后，以脱盐率、电流效率、耗电量为考核指标，通过正交实验确定最优脱盐工艺条件。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 膜堆电压对双极膜电渗析脱盐过程的影响

固定其它条件，在极限电压30 V的膜堆电压条件下，考察膜堆电压对脱盐率、电流效率、耗电量的影响，结果见图1。

图1 膜堆电压对双极膜电渗析脱盐的影响

由图1可看出，脱盐率和电流效率在24 V之前随着膜堆电压的升高而升高，在24 V之后随着膜堆电压的升高而降低；耗电量随着膜堆电压的升高而升高。

2.1.2 物料流量对双极膜电渗析脱盐过程的影响

固定其它条件，考察天然碱卤水物料流量对脱盐率、电流效率、耗电量的影响，结果见图2。

图2 物料流量对双极膜电渗析脱盐的影响

由图2可看出，脱盐率和耗电量随着天然碱卤水物料流量的增大而降低；电流效率随着天然碱卤水物料流量的增大而升高。

2.1.3 温度对双极膜电渗析脱盐过程的影响

固定其它条件，考察温度对脱盐率、电流效率、耗电量的影响，结果见图3。

图3 温度对双极膜电渗析脱盐的影响

由图3可以看出，随着温度的升高，脱盐率、电流效率、耗电量的变化不明显，变化趋势基本一致。这说明，温度虽对电渗析脱盐过程有直接影响，但是影响不大。

2.1.4 进料浓度对双极膜电渗析脱盐过程的影响

固定其它条件，考察进料浓度对脱盐率、电流效率、耗电量的影响，结果见图4。

图4 进料浓度对双极膜电渗析脱盐的影响

由图4可以看出，脱盐率、电流效率均随着进料浓度的增大先升高后降低，耗电量则随着进料浓度的增大缓慢升高。

2.2 正交实验[3～5]

在单因素实验的基础上确定膜堆电压(A)、物料流量(B)、温度(C)、进料浓度(D)为考察因素，以脱盐率、电流效率、耗电量为考核指标进行正交实验，其结果与分析见表1。

由表1可看出，各因素对考核指标的影响大小依次为A>D>B>C，即膜堆电压对两隔室双极膜电渗析的影响最大，进料浓度的影响其次，物料流量的影响再次，温度的影响最小。

以膜堆电压、物料流量、温度、进料浓度这4个因素为横坐标、指标为纵坐标作图，得到图5。

图5 因素指标图

由图5可以看出：在膜堆电压为24 V、物料流量为5.0 L·h-1、温度为40 ℃、进料浓度为2.0 mol·L-1时，指标最好。

表1 正交实验结果与分析

3 结论

采用双极膜电渗析法对天然碱卤水进行脱盐处理。在膜堆电压为24 V时，脱盐率和电流效率最高，耗电量为中间值；随着天然碱卤水物料流量的增大，电流效率升高，脱盐率和耗电量降低；随着温度的升高，脱盐率、电流效率、耗电量的变化不明显，变化趋势基本一致；随着进料浓度的增加，脱盐率、电流效率均先升高再降低，耗电量则逐渐升高。

通过正交实验，得到双极膜电渗析脱盐工艺的最佳条件为：膜堆电压24 V、物料流量5.0 L·h-1、温度40 ℃、进料浓度2.0 mol·L-1。

(致谢：感谢杭州水处理中心金可勇老师在本实验过程中给予的指导帮助；感谢北京廷润膜技术公司为本实验提供的实验装置。 )

参考文献：

[1] 王金福.中国纯碱工业技术进展[J].纯碱工业,2001,(6):31-33.

[2] 张正海,张军英.降低重碱盐分，提高纯碱产品质量[J].河南化工,2010,27(17):48-49.

[3] 官仕龙,方继德,陈全明.用正交实验法优选茉莉醛的合成工艺条件[J].化学与生物工程,2005,22(12):37-38.

[4] 张辉.正交试验在生产实践中应用[J].辽宁工学院学报,2002,22(4):38-40.

[5] 徐仲安,王天保，李常英，等.正交试验设计法简介[J].科技情报开发与经济,2002,12(5):148-150.