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双极膜电渗析的奇思妙想!

进水要求、吨水能耗、产品纯度等往往是双极膜电渗析系统核心考虑的因素。

 

工艺有时候是死的,但设计是相对是灵活的。

 

01 工业高盐废水系统

 

双极膜的使用,很多人对进水要求会有一个定性的理解,其中进水水质中二价及二价以上阳离子含量需要基本去除,否则不可行。其实也并非如此,比如有色行业有些项目,其系统如下:

 

上述系统项目需求主要是回收铜、锌,尽可能去除系统内的F、Cl,只要控制终点盐室中的pH,即可以避免金属离子形成氢氧化物沉淀,从而确保双极膜系统在此条件下的运行稳定性。

 

工业高盐废水零排放系统中,最终走工业无机盐副产品的思路很多时候业主也不太认可,可大部分时候他们又无备选方案可选。双极膜的出现则给他们带来了新思路,这两年有非常多的应用案例落地,在这些案例中,大部分都是纳滤分盐后,纳滤产水氯化钠部分进行双极膜电渗析,转化成盐酸和氢氧化钠。

 

如果废水是氯化钠和硫酸钠的混合物,双极膜电渗析出水碱液为氢氧化钠,酸液为盐酸和硫酸混合物,而且这一结果貌似我们在不改变进水的条件下,无法改变系统的出水。而颜海洋“In-Situ Combination of Bipolar Membrane Electrodialysis with Monovalent Selective Anion-Exchange Membrane for the Valorization of Mixed Salts into Relatively High-Purity Monoprotic and Diprotic Acids”一文中则分享了一种思路:

 

02 碳酸盐与易结晶物料系统

 

废水中若含有大量碳酸根,一般不建议进入双极膜电渗析系统,因为系统中碳酸根会结合H+产生二氧化碳气泡,影响运行,容易造成烧膜。

 

某一溶液由有机酸盐和碳酸钠组成,传统工艺主要采用连续离交工艺生成有机酸产品,实际生产面临两个问题:1. 连续离交需要考虑离交废水处理,且大量副产的无机盐需要处理;2. 连续离交过程中排气量大,影响设备处理能力和效果。

 

改造工艺则采用双极膜电渗析,过程中控制盐室的pH,控制碳酸根仅仅转化为碳酸氢根,可以有效降低离交的负荷。其次工艺还可继续延伸,当碳酸钠转化为碳酸氢钠时,它被剥离出系统,碳酸氢钠而又可以分解成碳酸钠和二氧化碳,再进双极膜。

 

现在有机盐产品的双极膜清洁生产案例应用越来越多,其中溶液组成和性质具有特殊性的类似系统不少,过程中需要控制核心工艺参数。

 

比如酒石酸钠的双极膜系统,在30℃条件下,酒石酸溶解度为156g,酒石酸一钠为11g,酒石酸二钠为60.9g,显然这个双极膜系统,其核心的点是酒石酸一钠的溶解度,系统可以考虑降低物料进水浓度,或者控制系统的转化终点。

 

03 要求高纯度的系统

 

高盐废水的无机盐资源化做成酸和碱,酸碱的浓度、品质等会受到关注。有机盐的清洁生产过程,有机产品的纯度、酸碱液纯度会受到关注。这个绝大部分取决于双极膜电渗析系统所配套的双极膜、阳膜、阴膜的性能,其次它也受工艺设计的产品浓度等工艺因素影响。

 

以TPAOH的生产,除了常规的电解法,目前还有双极膜电渗析工艺,可以两隔室和三隔室。电解法存在膜的使用寿命、系统占地和规模受限等问题,双极膜电渗析则会遇到TPAOH纯度的问题。

 

TPABr用传统的二隔室双极膜工艺,产品要求转化彻底,TPAOH产品中尽量不含Br,所以二隔室双极膜工艺要求较高,实际工艺系统做出来的TPAOH产品中含有800-1000ppm的Br离子。

 

而余杰的上述研究发现,基于结果原因的分析,他将双极膜的组装形式做一些调整,最终有效地降低TPAOH产品中Br的含量(约400ppm)。

 

工业系统高盐废水资源化的双极膜电渗析应用,其变化的形式相对单一。化工产品清洁生产系统双极膜的应用则比较多样化,需要结合前端生产和客户需求来进行设计,这种往往最终能形成有竞争力的新的生产工艺。

 

 

 

来源:膜法水处理札记(wx公众号)

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