蔡 茜，周俊波

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

天然堿鹵水中含有大量NaCl，在純堿生產(chǎn)過程中，隨著天然堿鹵水的循環(huán)使用，NaCl不斷累積，嚴(yán)重影響了純堿回收，導(dǎo)致回收純堿質(zhì)量差，排放后又造成資源浪費(fèi)[1]。因此，要提高純堿回收率，就需要降低天然堿鹵水的含鹽量[2]。作者在此采用雙極膜電滲析法處理天然堿鹵水，并對脫鹽工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 雙極膜電滲析的技術(shù)指標(biāo)

(1)脫鹽率φ經(jīng)過雙極膜電滲析后，除掉的鹽量占原溶液的百分比。其大小反映脫鹽效果的好壞。

(1)

式中：m1為電滲析前溶液中NaCl含量，g；m2為電滲析后溶液中NaCl含量，g。

(2)電流效率η電滲析實(shí)驗(yàn)的電流利用率，是電滲析裝置的主要技術(shù)指標(biāo)。

(2)

式中：F為法拉第常數(shù)，96500；Q為天然堿鹵水體積，L；Δc為原液中NaCl濃度的變化量，mol·L-1；n為膜對數(shù)；I為電流強(qiáng)度，A；t為通電時(shí)間，s。

(3)耗電量W電滲析實(shí)驗(yàn)所耗用的電量。

(3)

式中:W為耗電量，kWh·kg-1；U為電壓，V；I為電流，A；t為時(shí)間，h；Δm為天然堿鹵水中NaCl減少量，kg。

1.2 雙極膜電滲析實(shí)驗(yàn)裝置

雙極膜電滲析實(shí)驗(yàn)采用的膜堆由6對JAM-Ⅱ型均相陰離子交換膜與BPM-Ⅰ型雙極膜交替組成。陰離子交換膜及小型電滲析器裝置均由北京廷潤膜技術(shù)開發(fā)有限公司研制生產(chǎn)，電滲析器裝置上配有物料流量計(jì)和水泵。

1.3 脫鹽工藝條件優(yōu)化

首先，分別改變膜堆電壓、物料流量、溫度、進(jìn)料濃度，考察其對脫鹽率、電流效率、耗電量的影響；然后，以脫鹽率、電流效率、耗電量為考核指標(biāo)，通過正交實(shí)驗(yàn)確定最優(yōu)脫鹽工藝條件。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 膜堆電壓對雙極膜電滲析脫鹽過程的影響

固定其它條件，在極限電壓30 V的膜堆電壓條件下，考察膜堆電壓對脫鹽率、電流效率、耗電量的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 膜堆電壓對雙極膜電滲析脫鹽的影響

由圖1可看出，脫鹽率和電流效率在24 V之前隨著膜堆電壓的升高而升高，在24 V之后隨著膜堆電壓的升高而降低；耗電量隨著膜堆電壓的升高而升高。

2.1.2 物料流量對雙極膜電滲析脫鹽過程的影響

固定其它條件，考察天然堿鹵水物料流量對脫鹽率、電流效率、耗電量的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 物料流量對雙極膜電滲析脫鹽的影響

由圖2可看出，脫鹽率和耗電量隨著天然堿鹵水物料流量的增大而降低；電流效率隨著天然堿鹵水物料流量的增大而升高。

2.1.3 溫度對雙極膜電滲析脫鹽過程的影響

固定其它條件，考察溫度對脫鹽率、電流效率、耗電量的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 溫度對雙極膜電滲析脫鹽的影響

由圖3可以看出，隨著溫度的升高，脫鹽率、電流效率、耗電量的變化不明顯，變化趨勢基本一致。這說明，溫度雖對電滲析脫鹽過程有直接影響，但是影響不大。

2.1.4 進(jìn)料濃度對雙極膜電滲析脫鹽過程的影響

固定其它條件，考察進(jìn)料濃度對脫鹽率、電流效率、耗電量的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 進(jìn)料濃度對雙極膜電滲析脫鹽的影響

由圖4可以看出，脫鹽率、電流效率均隨著進(jìn)料濃度的增大先升高后降低，耗電量則隨著進(jìn)料濃度的增大緩慢升高。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)[3～5]

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定膜堆電壓(A)、物料流量(B)、溫度(C)、進(jìn)料濃度(D)為考察因素，以脫鹽率、電流效率、耗電量為考核指標(biāo)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果與分析見表1。

由表1可看出，各因素對考核指標(biāo)的影響大小依次為A>D>B>C，即膜堆電壓對兩隔室雙極膜電滲析的影響最大，進(jìn)料濃度的影響其次，物料流量的影響再次，溫度的影響最小。

以膜堆電壓、物料流量、溫度、進(jìn)料濃度這4個(gè)因素為橫坐標(biāo)、指標(biāo)為縱坐標(biāo)作圖，得到圖5。

圖5 因素指標(biāo)圖

由圖5可以看出：在膜堆電壓為24 V、物料流量為5.0 L·h-1、溫度為40 ℃、進(jìn)料濃度為2.0 mol·L-1時(shí)，指標(biāo)最好。

表1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3 結(jié)論

采用雙極膜電滲析法對天然堿鹵水進(jìn)行脫鹽處理。在膜堆電壓為24 V時(shí)，脫鹽率和電流效率最高，耗電量為中間值；隨著天然堿鹵水物料流量的增大，電流效率升高，脫鹽率和耗電量降低；隨著溫度的升高，脫鹽率、電流效率、耗電量的變化不明顯，變化趨勢基本一致；隨著進(jìn)料濃度的增加，脫鹽率、電流效率均先升高再降低，耗電量則逐漸升高。

通過正交實(shí)驗(yàn)，得到雙極膜電滲析脫鹽工藝的最佳條件為：膜堆電壓24 V、物料流量5.0 L·h-1、溫度40 ℃、進(jìn)料濃度2.0 mol·L-1。

(致謝：感謝杭州水處理中心金可勇老師在本實(shí)驗(yàn)過程中給予的指導(dǎo)幫助；感謝北京廷潤膜技術(shù)公司為本實(shí)驗(yàn)提供的實(shí)驗(yàn)裝置。 )

參考文獻(xiàn)：

[1] 王金福.中國純堿工業(yè)技術(shù)進(jìn)展[J].純堿工業(yè),2001,(6):31-33.

[2] 張正海,張軍英.降低重堿鹽分，提高純堿產(chǎn)品質(zhì)量[J].河南化工,2010,27(17):48-49.

[3] 官仕龍,方繼德,陳全明.用正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)選茉莉醛的合成工藝條件[J].化學(xué)與生物工程,2005,22(12):37-38.

[4] 張輝.正交試驗(yàn)在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào),2002,22(4):38-40.

[5] 徐仲安,王天保，李常英，等.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法簡介[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2002,12(5):148-150.