CN105983251A - 溶液中离子的交换和浓缩方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种溶液中离子的交换和浓缩方法及装置，该装置及方法通过阴离子膜和阳离子膜的组合，提供离子转移的通道，实现溶液中物质的分离和离子的交换反应。在不同的驱动液的作用下，实现海水淡化、废水的资源化、无害化处理；该方法可以广泛地应用于污水处理，工业生产过程中的离子浓缩、脱酸、脱碱、脱盐、盐水淡化过程中，以及钾盐的生产，酸碱盐之间的互相转化。

Description

溶液中离子的交换和浓缩方法及装置

技术领域

本发明涉及一种溶液中离子的交换和浓缩方法及装置，尤其是涉及一种利用阴离子膜和阳离子膜组合应用的方法及装置，属于膜分离技术领域。

背景技术

在水处理、化工生产、化工分离与化学反应、轻工与食品、原子能等工业领域，常涉及水中各种阴阳离子的交换或转换，或分离脱除或浓缩回收，以及有机物与水、酸、碱、盐等不同种类物质的分离、脱水、提纯和浓缩以及复分解反应问题。因为化学工业的发展，水污染以及淡水的匮乏已经影响到经济的可持续发展，水处理和净化是一个必须从技术上有新的突破的领域。

发明内容

本发明的溶液中离子的交换和浓缩方法及装置要解决的问题是：现有的扩散渗析没有额外的驱动力的问题，而Donnan扩散渗析中，本发明中一并简称和统称为扩散渗析，的驱动液需要同时起到驱动的作用，和承接液的作用，随着扩散的进行，驱动力不断减小，阻力不断增加，有驱动力不足的问题。本发明提供了独立的承接液，使系统的驱动力不受待处理液浓度的影响，也使得扩散渗析的应用可以被第三方的承接液所调节，大大地扩大了扩散渗析的使用范围，避免了因为待处理液中离子浓度的增加而增加的阻力，提供了利用驱动溶液和承接液之间浓度差变化作为驱动力的装置和方法，克服了复分解反应需要有沉淀、气体或水生成才能进行反应的限制。本发明的装置和方法，用于从溶液中，尤其是从废水中提炼有价值的资源，或用无害离子替换有害离子使之无害化，或完全脱除水中阴阳离子实现水的净化处理，或实现不同物质间离子的互换，产出所需要的物质。

本发明的目的在于提供一种溶液中离子的交换和浓缩方法及装置。该装置及方法通过阴离子膜和阳离子膜的组合，提供离子转移的通道，实现溶液中物质的分离和离子的交换反应。该装置包括：四个被离子膜分割开的阴离子提取置换用容器系统或阳离子提取置换用容器系统；其中，所述阴离子提取置换用容器系统的第一容器室与第二容器室以阴离子膜分割，第二容器室与第三容器室以阳离子膜分割，第三容器室与第四容器室以阴离子膜分割，第四容器室与第一容器室互相连通；或者，所述阳离子提取置换用容器系统的第一容器室与第二容器室以阳离子膜分割，第二容器室与第三容器室以阴离子膜分割，第三容器室与第四容器室以阳离子膜分割，第四容器室与第一容器室互相连通。实际使用时，为减少占地面积，这样的容器组合可以多层叠加使用。

为了让不同大小和重量的离子有选择地优先通过离子膜，上述的容器室被离子膜平行地分割成为独立的容器室，离子膜自上而下的排列顺序为：阴-阳-阴，或阳-阴-阳；最优地，若驱动离子比被驱动离子轻，则第二容器室设置在第三容器室的上 方，自上而下的排列顺序为第一、第二、第三、第四容器室；若驱动离子比被驱动离子重，则第二容器室设置在第三容器室的下方，自上而下的排列顺序为第四、第三、第二、第一容器室。

其中，第一和第四容器室共用或独立有一个输送待处理液的管路，第二和第三容器室有各自的输送管路，为了减少浓差极化的影响，第二、第三和第四容器室中的溶液应该处于被充分的搅动状态；为保持第一容器室中的驱动离子和被驱动离子依重力影响在高度上的分布，并减少浓差极化的影响，溶液在容器内最好被驱动保持平行稳定的层流旋转运动，进出第四室与第一室的管路的流向最好与离子膜的平面垂直方向，在与膜平面垂直方向，待处理液最好没有扰动，只通过驱动液中离子的作用实现离子的移动。为保持四个容器室内水压一致，每个容器设一个液位计，运行时保持液位一致。由于驱动液的高渗透压，第三容器室需要施加压力，减少渗透而致溶液的稀释，因此，第三容器室两侧的离子膜需要有支撑以便耐压。当第一、第四或第二容器室中有沉淀或胶体形成时，应及时进行沉淀析出，并将母液回用。

一般地，待处理液的体积巨大，或者流量巨大，而驱动液和承接液的体积设置的小，方便保持驱动液的高浓度和在承接液中的浓缩效应。驱动液中的溶质可以连续地或间断地添加，最好保持在饱和或过饱和状态；承接液中的溶质一般设计优选溶解度较低的物质，方便连续地结晶或蒸发导出，母液回用。连续循环操作或间歇式生产运行

当确定待处理液中的离子已经完全被置换或达到了要求的浓度水平，反应应适可而止，否则，驱动液会不必要地进入承接液中。

简单地按溶液电位分析，设驱动液的电位V3，浓度越高电位越高，待处理液的电位V1，承接液的电位V2，驱动液和待处理夜之间的驱动力为V3-V1，驱动液和承接液之间的驱动力为V3-V2，待处理液和承接液之间的阻力V2-V1，则系统的净驱动力为V3-V1+V3-V2-(V2-V1)＝2V3-2V2，和待处理液的V1无关，避免了待处理液离子浓度增加对驱动力的影响。该系统因为用膜层数少，在浓缩净化离子时比其它系统【如膜组合系统，因为驱动液和待处理液的浓度要求均在高位，才具有足够的驱动力，该系统只能用于物质间的类似复分解反应的离子互换反应】的净驱动力大，且和待处理液的电位无关，因此，才具有可实际应用的生产和废水处理效率。为了获得最好的效率，应将离子浓度高的溶液作为驱动液，在选择驱动液时则选择离子浓度尽可能大的溶质作为驱动溶质，承接液中的离子浓度尽可能的小，通过匹配溶解度低的产物方式或者连续更新溶液方式实现。

为了增加驱动液中的离子浓度或活度，通过局部加热驱动液增加溶质的溶解度。驱动液离子浓度高，则对待处理液中溶质的浓缩效应越强，可以应用于稀有元素的浓缩，如稀有元素的生产或从海水或废水中浓缩有用的贵重有用和稀有元素。

为了避免水中杂质对离子膜的影响，溶液中的悬浮物、胶体、对离子膜有害的氧化剂、还原剂等应预先处理。

为描述的方便，本发明中的方法，以步骤的方式表述，其步骤的顺序或增减，不影响本发明的实质内容。

本发明的溶液中离子的交换和浓缩方法，利用上述装置进行，其包括以下步骤：

将待处理溶液导入第一和第四容器室，在该室内的新产物不能有沉淀，以免破坏膜结构，但新产物的溶解度最好比较低，方便后续的分离析出。将驱动溶液导入 第三容器室；将承接溶液导入第二容器室，在该室内的新产物不能沉淀，以免破坏膜结构，但新产物的溶解度最好比较低，方便后续的分离析出。

本发明的溶液中阳离子的交换和浓缩方法，是利用阳离子提取置换用容器系统，及以下步骤：

所述驱动液为为高离子浓度的盐、酸或碱；

在待处理液中获得阳离子被置换或分离提取了的溶液；

在承接液中收集处理对应的来自待处理溶液中阳离子与驱动液中阴离子形成的物质，可作为有用的资源物质，比如，从海水中、各种废水中浓缩提取各种阳离子矿物质。

假定离子的浓度和活度正相关，上述的高离子浓度的盐、酸或碱可选为氯化钠、氯化钾、氯化铵、碳酸铵、碳酸铵及氨水的混合溶液、碳酸钾、碳酸钠、硫酸铵、亚硫酸铵、硝酸铵、硝酸钾、亚硝酸钾、硝酸钠、亚硝酸钠、甲酸铵、甲酸钠、甲酸钾、乙酸铵、乙酸钾、碘化铵、碘化钾、碘化钠、硫氰酸钾、硫氰酸铵、硫氰酸钠、氰化钠、氟化钾、氯化锌、溴化铵、溴化钠、溴化锌、氯化锂、溴化锂、硝酸锂、亚硝酸锂、硫氰酸锂、盐酸、硫酸、硝酸、氢氧化钠或氢氧化钾。驱动液中溶质的选择是基于经济性和设施的方便性的考虑，单从技术考虑，选择的可能性有多种。另外，需要考虑，溶质或者析出的产物不能在膜中发生沉淀现象，以免破坏膜的结构。

为除去污水中的铵根离子态的氮和钾离子营养成分和其它有害阳离子成分，利用上述方法，采用的驱动液为氯化钠、碳酸钠、硝酸钠或氢氧化钠，使铵根离子、钾离子等阳离子被钠离子所置换，从而使废水尽可能的无害化和资源化。

而为除去水中的钙镁离子达到软化水的目的，则采用的驱动液为氯化钠、硝酸钠、盐酸、硝酸或氯化铵，使水中的硬离子被置换。

为回收废水中的酸，采用的驱动液为高离子浓度的盐(如废酸浓度高，则将废酸作为驱动液，至少前期废酸浓度高时作为驱动液来使用)；在承接液中收集对应的酸溶液；所采用的高离子浓度的盐为氯化钠、氯化钾、氯化铵、硫酸铵、亚硫酸铵、硝酸铵、硝酸钾、亚硝酸钾、硝酸钠、亚硝酸钠、甲酸铵、甲酸钠、甲酸钾、乙酸铵、乙酸钾、碘化铵、碘化钾、碘化钠、硫氰酸钾、硫氰酸铵、硫氰酸钠、氰化钠、氟化钾、氯化锌、溴化铵、溴化钠、溴化锌、氯化锂、溴化锂、硝酸锂、亚硝酸锂或硫氰酸锂。

该方法可以应用于电镀废水、生物质酸水解液、酸洗液或涉及用酸生产而产生的废水的酸回收处理。在处理生物质水解液时，尽量选择铵盐，使生物质水解液中的残留物是可以用作为发酵营养物质的铵盐。

本发明的溶液中阴离子的交换和浓缩方法，是利用阴离子提取置换用容器系统；

所述驱动液为为高离子浓度的盐、酸或碱；

在承接液中收集处理对应的来自待处理溶液中阴离子与驱动液中阳离子形成的物质，可作为有用的资源物质。所采用的高离子浓度的盐、酸或碱为氯化钠、氯化钾、氯化铵、碳酸铵、碳酸铵及氨水的混合溶液、碳酸钾、碳酸钠、硫酸铵、亚硫酸铵、硝酸铵、硝酸钾、亚硝酸钾、硝酸钠、亚硝酸钠、甲酸铵、甲酸钠、甲酸钾、乙酸铵、乙酸钾、碘化铵、碘化钾、碘化钠、硫氰酸钾、硫氰酸铵、硫氰酸钠、 氰化钠、氟化钾、氯化锌、溴化铵、溴化钠、溴化锌、氯化锂、溴化锂、硝酸锂、亚硝酸锂、硫氰酸锂、盐酸、硫酸、硝酸、氢氧化钠或氢氧化钾。

利用上述方法，为除去污水中的硝态氮和磷酸根离子的营养和其它有害阴离子成分，采用的驱动液为氯化钠、氯化钾、氯化铵、氯化锂、碳酸铵、碳酸铵及氨水的混合溶液、碳酸钾、碳酸钠、盐酸、氢氧化钠或氢氧化钾，以氯离子或氢氧根离子替代污水中的其它阴离子，最好是氯化钠、碳酸钠、盐酸及氢氧化钠，以避免铵根离子的营养化。

利用上述方法，回收废水中的碱，采用的驱动液为高离子浓度的盐(如废碱浓度高，则将废碱作为驱动液，至少前期废碱浓度高时作为驱动液来使用)；在承接液中收集对应的碱溶液；所述的高离子浓度的盐为氯化钠、氯化钾、硝酸钾、亚硝酸钾、硝酸钠、亚硝酸钠、甲酸钠、甲酸钾、乙酸钾、碘化钾、碘化钠、硫氰酸钾、硫氰酸钠、氰化钠、氟化钾、氯化锌、溴化钠、溴化锌、氯化锂、溴化锂、硝酸锂、亚硝酸锂、硫氰酸锂；上述的废水为造纸制浆废水、皮革、印染、纺织或碱洗废水等。

本发明的一种含碱溶液中碱的脱除方法，其包括有如下步骤：

步骤1、以铵根离子置换溶液中存在的阳离子；当铵根离子进入含碱溶液中，部分形成氨气逸出，提供了一个扩散驱动的额外的驱动力，即有效地增加了系统扩散的驱动力；所述的铵根离子来源于氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸铵与氨水的混合溶液、硝酸铵或硫酸铵。

步骤2、加热或同时以负压方式加热步骤1得到的溶液，促使溶液中铵的析出，进一步消除溶液的碱性。

在有氨气析出的过程中，由于提供了一个额外的驱动力的优点，离子的置换可以采用常规的单层阳离子膜道南扩散渗析即可达到足够的生产速度，在扩散过程中，驱动液中的铵离子与含碱溶液中的阳离子交换；或利用本发明所述的阳离子提取置换用容器系统，则可提供一个更有效的运行装置。

上述碱的脱除方法，本发明中示范用于将制浆黑液中残余的氢氧化钠脱除，使制浆黑液中性化。同理，可以用于皮革、印染、纺织或碱洗废水中碱性物质的脱除。

海水或废水的淡化无疑是最重要的领域之一，其指导思想是，一、使水中的阳离子被氢离子或铵根离子置换，可能的驱动物质有盐酸、硝酸、硫酸，各种铵盐，硫酸作为驱动物需要考虑硫酸盐沉淀对膜的影响，海水预处理需要清除钙离子，酸或铵盐消耗的成本也许可以从海水中提取的矿物质中的收益来平衡。二、使水中的阴离子被氢氧根离子、碳酸根离子或碳酸氢根离子置换，可能的驱动物质有氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、碳酸铵、碳酸铵及氨水的混合溶液【添加氨水的目的是增加碳酸铵的电离，减少碳酸铵的分解】、碳酸氢铵或其它的碳酸盐。最终海水或废水中的外来物质只有水、氨、或碳酸、碳酸铵，都是易于后续处理或收集的物质。其中，考虑到水中各种杂质离子的存在，并可能与碱形成沉淀，上述操作中氢离子或铵根离子置换水中的各种阳离子的步骤最好优先进行，且产物提取后，溶液循环使用。离子的置换可以采用常规的扩散渗析或利用本发明所述的离子提取置换用容器系统。尤其是当有氨气或碳酸铵、碳酸氢铵分解放出气体时，单层膜的扩散渗析效率得到显著的提高，使扩散渗析具有更广泛的工业应用可行性。

本发明的一种海水或废水的淡化方法，同时浓缩富集水中的阳离子和阴离子物质，有如下步骤：

步骤1、利用所述的阳离子提取置换用容器系统，以氢离子置换出海水或废水中的钠离子以及其它阳离子；所述驱动液为盐酸、硝酸或硫酸。

步骤2、在承接液中收集对应的钠盐及其它盐类，并回用承接液；由于酸的离子浓度高，因此，可以得到高浓度的盐溶液，有利于盐分的析出回收；理论上承接液中盐的浓度可以接近但低于驱动液中离子的浓度；

步骤3、利用所述的阴离子提取置换用容器系统，以氢氧根离子或碳酸根离子置换出步骤1中阳离子已经置换为氢离子的海水中的氯离子以及其它阴离子；所述驱动液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、碳酸铵、碳酸铵和氨的混合液、碳酸钠、碳酸钾；

步骤4、在承接液中收集对应的盐，并回用承接液。因为氢离子和氢氧根离子都比其它离子更容易从相应的离子膜中透过，因此优先采用承接液直接在待处理液下方，在驱动液的上方的排列方式，并且，承接液最好在容器内通过内置泵驱动溶液不断的进行平行于膜面的层流流动。

本发明的又一种海水淡化方法，有如下步骤：

步骤1、利用所述的阳离子提取置换用容器系统，以铵离子置换出海水中的钠离子以及其它阳离子；所述驱动液为碳酸铵或碳酸铵及少量氨水的混合溶液；为避免碳酸盐沉淀对膜的影响，海水中的钙镁离子应预先处理脱除。

步骤2、在承接液中收集碳酸钠，并回用承接液；利用碳酸钠溶解度低的特点经济地结晶析出；

可选的步骤3、将步骤2中的碳酸钠与氯化铵用再结晶的方法转化为碳酸铵，以便循环使用；

步骤4、利用所述的阴离子提取置换用容器系统，以碳酸根离子置换出步骤1中阳离子已经置换为铵根离子的海水中的氯离子以及其它阴离子；所述驱动液为碳酸铵或碳酸铵及少量氨水的混合溶液；

步骤5、在承接液中收集氯化铵及铵的其它盐，用作为步骤3的原料，并最好回用承接液；

步骤6、加热步骤4得到的含有碳酸铵的海水，回收碳酸铵，循环使用；

可选的步骤7、用盐酸或硫酸作为驱动液，利用阳离子提取置换用容器系统，以氢离子置换出残余的铵根离子；使处理后的海水中理论上只含少量无害的碳酸；

或者：

步骤4、利用所述的阴离子提取置换用容器系统，以氢氧根离子置换出步骤1中阳离子已经置换为铵根离子的海水中的氯离子以及其它阴离子；所述驱动液为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂；

步骤5、在承接液中收集氯化钠、氯化钾或氯化锂及其它盐；

步骤6、加热步骤4得到的含有氨的海水，回收氨水，利用氨水生产碱，循环使用；

可选的步骤7、用盐酸或硫酸作为驱动液，利用阳离子提取置换用容器系统，以氢离子置换出残余的铵根离子。

本发明的又一种海水淡化方法，有以下步骤：

步骤1、利用所述的阳离子提取置换用容器系统，以铵离子置换出海水中的钠离子以及其它阳离子；所述驱动液为氯化铵；因为氯化物和碳酸盐相比，基本都能溶于水，因此，没有在膜中沉淀析出的问题，对海水的预处理要求较低；

步骤2、在承接液中收集或移除氯化钠，但最好再回用；

步骤3、利用所述的阴离子提取置换用容器系统，以碳酸根离子置换出步骤1中阳离子已经置换为铵根离子的海水中的氯离子以及其它阴离子；所述驱动液为碳酸铵或碳酸铵及少量氨水的混合溶液；

步骤4、在承接液中收集氯化铵及铵的其它盐，将回收的氯化铵作为步骤1的驱动液，母液最好回用为；

步骤5、加热步骤3得到的含有碳酸铵的海水，回收碳酸铵，循环使用；

可选的步骤6、用盐酸、硫酸或硝酸作为驱动液，利用阳离子提取置换用容器系统，以氢离子置换出残余的铵根离子。

或者：

步骤4、利用所述的阴离子提取置换用容器系统，以氢氧根离子置换出步骤1中阳离子已经置换为铵根离子的海水中的氯离子以及其它阴离子；所述驱动液为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂；

步骤5、在承接液中收集氯化钠、氯化钾或氯化锂及其它盐；

步骤6、加热步骤4得到的含有氨的海水，回收氨水，利用氨水生产碱，循环使用；

可选的步骤7、用盐酸或硫酸作为驱动液，利用阳离子提取置换用容器系统，以氢离子置换出残余的铵根离子。

本发明中阴或阳离子提取置换用容器系统的选择依据是根据膜的成本、膜对系统中溶液的适应性以及后续处理的经济方便性而决定的。不影响本发明的技术实质。

本发明的又一种海水淡化方法，有以下步骤：

步骤1、利用所述的阳离子提取置换用容器系统，以铵离子置换出海水中的钠离子以及其它阳离子；所述驱动液为氨水；

步骤2、在承接液中收集或移除氢氧化钠；因为氨水的离子浓度低，所以氢氧化钠的浓度不能升高，否则驱动力不足，因此，最好用流动的海水及时移除氢氧化钠；

步骤3、利用所述的阴离子提取置换用容器系统，以碳酸根离子或氢氧根离子置换出步骤1中阳离子已经置换为铵根离子的海水中的氯离子以及其它阴离子；所述驱动液为碳酸铵或碳酸铵及少量氨水的混合溶液或氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂；

步骤4、在承接液中收集氯化铵及铵的其它盐，或者相对应的氯化物；

步骤5、加热步骤3得到的含有碳酸铵或氨的海水，回收碳酸铵或氨，循环使用；

可选的步骤6、用盐酸、硫酸或硝酸作为驱动液，利用阳离子提取置换用容器系统，以氢离子置换出残余的铵根离子。

上述的各种海水淡化方法也可以应用于水质的提高处理或一般的废水的净化处理过程中。

本发明的一种含氮或钾肥料的灌溉水的生产方法，其包括：

步骤1、利用所述的阳离子提取置换用容器系统，以铵离子或钾离子置换出海水或废水中的钠离子或/以及其它阳离子；所述驱动液为氯化铵、氯化钾、碳酸铵、碳酸铵及氨水的混合溶液、碳酸钾、硫酸铵、亚硫酸铵、硝酸铵、硝酸钾、亚硝酸钾、甲酸铵、甲酸钾、乙酸铵、乙酸钾、碘化铵、碘化钾、硫氰酸钾、硫氰酸铵、氟化钾、、溴化铵或氢氧化钾。

步骤2、在承接液中收集处理对应的来自海水或废水中阳离子与驱动液中酸根离子形成的盐，或者以海水作为承接液直接排放进入大海。

上述含氮或含钾的灌溉水可以按不同比例混合后使用。

本发明的一种硫酸钾的生产方法，其包括，待处理液为硫酸钠、硫酸铵或硫酸；最好是饱和溶液；

步骤1、利用所述的阴离子提取置换用容器系统，以钾离子置换钠离子、铵离子或氢离子；所述驱动液为氯化钾、碳酸钾或硝酸钾，最好在生产过程中不断添加原料保持驱动液和待处理溶液饱和，以得到最大的驱动力；

步骤2、在承接液中收集处理硫酸钾溶液；利用硫酸钾溶解度低的特点进行分离，分离后的母液回用；

步骤3、在待处理液中收集处理对应的钠盐、铵盐或酸；

或者：

步骤1、利用所述的阳离子提取置换用容器系统，以钾离子置换钠离子、铵离子或氢离子；所述驱动液为氯化钾、碳酸钾或硝酸钾；

步骤2、在待处理液中收集处理硫酸钾溶液；

步骤3、在承接液中收集处理对应的钠盐、铵盐或酸。

本发明的一种硝酸钾的生产方法，其包括，所述的待处理液为硝酸铵、硝酸钠或硝酸；

步骤1、利用所述的阴离子提取置换用容器系统，以钾离子置换铵离子、钠离子或氢离子；所述驱动液为氯化钾、碳酸钾；

步骤2、在承接液中收集处理硝酸钾溶液；

步骤3、在待处理液中收集处理对应的铵盐、钠盐或酸；

或者：

步骤1、利用所述的阳离子提取置换用容器系统，以钾离子置换铵离子、钠离子或氢离子；所述驱动液为氯化钾、碳酸钾；

步骤2、在待处理液中收集处理硫酸钾溶液；

步骤3、在承接液中收集处理对应的铵盐、钠盐或酸。

上述硝酸和硝酸铵的饱和溶液具有更高的离子浓度，可优先作为驱动液。

本发明的一种碳酸钾的生产方法，其包括，所述的待处理液为碳酸铵、碳酸铵与氨水的混合溶液或碳酸钠；

步骤1、利用所述的阴离子提取置换用容器系统，以钾离子置换铵离子、钠离子或氢离子；所述驱动液为氯化钾、硝酸钾；

步骤2、在承接液中收集处理碳酸钾溶液；

步骤3、在待处理液中收集处理对应的铵盐或钠盐；

或者：

步骤1、利用所述的阳离子提取置换用容器系统，以钾离子置换铵离子、钠离子或氢离子；所述驱动液为氯化钾、硝酸钾；

步骤2、在待处理液中收集处理碳酸钾溶液；

步骤3、在承接液中收集处理对应的铵盐或钠盐。

上述碳酸铵与氨水的混合溶液的饱和溶液具有更高的离子浓度，可优先作为驱动液。

本发明的一种酸的生产方法，是不同酸之间的互相转化，其包括，所述的待处理液为盐酸、硫酸、硝酸、甲酸或乙酸；

步骤1、利用所述的阴离子提取置换用容器系统，以硫酸根离子置换氯离子、硝酸根离子、甲酸根离子或乙酸根离子，即以驱动液中的阴离子置换待处理液中不同名的阴离子；

所述驱动液为硫酸铵、硫酸钠，硝酸铵、硝酸钠、硝酸钾、硝酸锂、甲酸钠、甲酸钾、乙酸钠、乙酸钾、氯化钠、氯化铵、氯化钾、氯化锂；

步骤2、在承接液中收集处理相对应的盐；

步骤3、在待处理液中收集处理相对应的硫酸、盐酸、硝酸、甲酸或乙酸溶液。

或者：

步骤1、利用所述的阳离子提取置换用容器系统，以驱动液中的阴离子置换待处理液中不同名的阴离子；

所述驱动液为硫酸铵、硫酸钠，硝酸铵、硝酸钠、硝酸钾、硝酸锂、甲酸钠、甲酸钾、乙酸钠、乙酸钾、氯化钠、氯化钾、氯化锂、溴化锂；

步骤2、在承接液中收集处理相对应的硫酸、盐酸、硝酸、甲酸或乙酸溶液；

步骤3、在待处理液中收集处理相对应的盐。

上述酸的饱和溶液具有更高的离子浓度，可优先作为驱动液；上述酸的转化生产方法也可以用于其它不常用的各种酸之间的转化。

本发明的一种碱的生产方法，其包括，所述的待处理液为氨水，最好是饱和的氨水溶液；

步骤1、利用所述的阴离子提取置换用容器系统，以钠离子或钾离子或锂离子置换铵离子；所述驱动液为氯化钠、碳酸钠、硝酸钠、氯化钾、碳酸钾、硝酸钾、亚硝酸钾、亚硝酸钠、甲酸钠、甲酸钾、乙酸钾、碘化钾、碘化钠、硫氰酸钾、硫氰酸钠、氰化钠、氟化钾、溴化钠、氯化锂、溴化锂、硝酸锂、亚硝酸锂、硫氰酸锂；

步骤2、在承接液中收集处理氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂溶液；

步骤3、在待处理液中收集处理对应的铵盐。

上述方法也可以用于其它不常用的碱的生产。

本发明的有一种碱的生产方法，是不同碱之间的转换，其包括，所述的待处理液为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂；

步骤1、利用所述的阳离子提取置换用容器系统，以驱动液中的阳离子置换待处理液中不同名的阳离子；

所述驱动液为氯化钠、碳酸钠、硝酸钠、氯化钾、碳酸钾、硝酸钾、亚硝酸钾、亚硝酸钠、甲酸钠、甲酸钾、乙酸钾、碘化钾、碘化钠、硫氰酸钾、硫氰酸钠、氰化钠、氟化钾、溴化钠、氯化锂、溴化锂、硝酸锂、亚硝酸锂、硫氰酸锂；

步骤2、在承接液中收集处理相对应的盐；

步骤3、在待处理液中收集处理相对应的氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂。

上述碱的饱和溶液具有更高的离子浓度，可优先作为驱动液；上述碱的转化生产方法还可以用于其它不常用的各种碱之间的转化。

本发明的一种酸和碱的生产方法，利用了强酸弱碱盐水解产物中碱的离子浓度低阻力小的特点或强碱弱酸盐水解产物中酸离子浓度低的特点，其包括，所述的待处理液为水；

步骤1、利用所述的阴离子提取置换用容器系统，以驱动液中的阴离子置换待处理液中的氢氧根离子；所述驱动液为氯化铵、硫酸铵、硝酸铵、氯化镁、氯化锂、溴化锂或硝酸锂；

步骤2、在承接液中收集处理相对应的碱；在生产过程中连续地移除碱，有利于水解的进一步进行，增加待处理液中酸产物的浓度；

步骤3、在待处理液中收集处理相对应的酸；

或者：

步骤1、利用所述的阳离子提取置换用容器系统，以驱动液中的阳离子置换待处理液中的氢离子；所述驱动液为碳酸钠、碳酸钾、磷酸钠或磷酸钾；

步骤2、在承接液中收集处理相对应的酸；在生产过程中连续地移除酸，有利于水解的进一步进行，增加待处理液中碱产物的浓度；

步骤3、在待处理液中收集处理相对应的碱。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种溶液中离子的交换和浓缩装置，其包括：四个被离子膜分割开的阴离子提取置换用容器系统或阳离子提取置换用容器系统；

其中，所述阴离子提取置换用容器系统的第一容器室V1【待处理液室】与第二容器室V2【承接液室】以阴离子膜分割，第二容器室与第三容器室V3【驱动液室】以阳离子膜分割，第三容器室与第四容器室V4【待处理液室】以阴离子膜分割，第四容器室与第一容器室互相连通；

或者，所述阳离子提取置换用容器系统的第一容器室与第二容器室以阳离子膜分割，第二容器室与第三容器室以阴离子膜分割，第三容器室与第四容器室以阳离子膜分割，第四容器室与第一容器室互相连通。

所述的容器室被离子膜平行地分割成为独立的容器室，离子膜自上而下的排列顺序为：阴-阳-阴，或阳-阴-阳；最优地，若驱动离子比被驱动离子轻，则第二容器室设置在第一容器室的下方、第三容器室的上方；若驱动离子比被驱动离子重，则倒置为第二容器室设置在第一容器室的上方、第三容器室的下方。

另外，第一和第四容器室共用或独立有一个输送待处理液的管路，第二和第三容器室有各自的输送管路，为了减少浓差极化的影响，第二、第三和第四容器室中的溶液应该处于被充分的搅动状态；为保持第一容器室中的驱动离子和被驱动离子依重力影响在高度上的分布，并减少浓差极化的影响，溶液在容器内最好被驱动保持平行稳定的层流旋转运动，进出第四室与第一室的管路的流向最好与离子膜的平 面垂直方向，在与膜平面垂直方向，待处理液最好没有扰动，只通过驱动液中离子的作用实现离子的移动。为保持四个容器室内水压一致，每个容器设一个液位计，运行时保持液位一致。由于驱动液的高渗透压，第三容器室需要施加压力，减少渗透而致溶液的稀释，因此，第三容器室两侧的离子膜需要有支撑以便耐压。当第一、第四或第二容器室中有沉淀或胶体形成时，应及时进行沉淀析出，并将母液回用。

具体地，为了示范离子的交换和浓缩效应，以尼龙材料制作4个外径100mm，内径30mm，第一至第四的高度分别为45、35、25、45mm的圆柱形容器，每个容器的侧面均有一个直径10mm的进料口也作通气孔用，另外，第一个和第四个容器有直径140mm，厚度20mm的底盘，底盘中间有10mm的螺丝通孔，连接外部的透明塑料管，底盘边沿有4个方便直径12mm的螺栓插入的直径14mm的通孔。常温常压下，采用北京廷润膜技术开发有限公司提供的阳离子膜及阴离子膜，分别裁剪出直径100mm的膜片完整地覆盖在圆柱形容器的平行面上，按上述组装方法，用四根螺栓将4个容器紧密无泄漏地组合在一起，通过透明塑料管连接第一和第四容器室，形成阴离子或阳离子提取置换用容器系统。

为了验证溶液中的离子可以被交换和浓缩，所用驱动液为饱和的硝酸铵、氯化铵、硫酸铵、氯化钠、碳酸钠、硝酸钠、氯化钾、碳酸钾、硝酸钾、碳酸铵溶液，待处理液为被酚酞显色的0.5M的氢氧化钠溶液，利用阴离子提取置换用容器系统结构，提取液为0.5M氯化钠溶液【近似模拟海水的离子浓度】。约经1小时后，即可测出承接液开始显示pH值大于7的碱性，在有铵离子的情况下，3小时后可以闻到少许氨气味，48小时后观察，塑料管内溶液的酚酞红颜色基本消失，说明待处理液中的氢氧根离子基本被置换浓缩进入承接液中了。

其它类似的各种离子之间通过上述装置的互换均得到验证，说明了可以利用溶液的高浓度作为化学驱动力，操纵离子的转移方向，实现各种化学应用。实验中，作为各种应用的示范，对碱法制浆黑液，电镀厂含酸废水、一般生活污水、模拟海水进行了碱回收、酸回收和净化处理，试验了钾盐的生产，以及强酸弱碱盐的水解反应，效果均如预期。因为承接液或待处理液中的新的物质的提取方法是常规的浓缩结晶等方法，本申请中就不再赘述。

通过查验已知的溶解度表，假定强电解质的离子活度与浓度正相关，可作为驱动液的高离子浓度的盐、酸或碱可选为氯化钠、氯化钾、氯化铵、碳酸铵、碳酸铵及氨水的混合溶液、碳酸钾、碳酸钠、硫酸铵、亚硫酸铵、硝酸铵、硝酸钾、亚硝酸钾、硝酸钠、亚硝酸钠、甲酸铵、甲酸钠、甲酸钾、乙酸铵、乙酸钾、碘化铵、碘化钾、碘化钠、硫氰酸钾、硫氰酸铵、硫氰酸钠、氰化钠、氟化钾、氯化锌、溴化铵、溴化钠、溴化锌、氯化锂、溴化锂、硝酸锂、亚硝酸锂、硫氰酸锂、盐酸、硫酸、硝酸、氢氧化钠或氢氧化钾。

一般地，待处理液的体积巨大，或者流量巨大，而驱动液和承接液的体积设置的小，方便保持驱动液的高浓度和在承接液中的浓缩效应。驱动液中的溶质可以连续地或间断地添加，最好保持在饱和或过饱和状态；承接液中的溶质一般设计优选溶解度较低的物质，方便连续地结晶或蒸发导出，母液回用。

当确定待处理液中的离子已经完全被置换或达到了要求的浓度水平，反应应适可而止，否则，驱动液会不必要地进入承接液中。

实施例2

第一步：采用阳-阴-阳离子膜组合，目的是氯化铵替代海水中的氯化钠【即用铵根离子替代钠离子及其它阳离子，如钾离子、钙、镁离子等】。

用饱和氯化铵溶液作为驱动液，待处理液为0.5M氯化钠溶液并用甲基红染色为淡黄色。半小时后连接V1和V4的透明塑料管(管内径8mm)与V4连接部分中的氯化钠溶液开始出现隐约的红色，应该是铵离子从V3析出，从V4向V1移动，钠离子被从V4压缩通过塑料管逐步经V1再进入V2。经6小时，塑料管大部分已经从淡黄色转为淡附带淡红色，再经10小时，塑料管内溶液大部分显鲜艳的红色。实验结束后，取出各室溶液，放入氢氧化钠固体，V1和V4及连接的塑料管内的溶液因含有大量的铵离子，而放出大量碱性的氨气，V2内也测出少量的铵离子。说明了原本含氯化钠的溶液已经转化为含氯化铵的溶液了。由于膜两侧浓度差的因素，扩散渗析本身的作用，V3中含有钠离子。

第二步：用阴-阳-阴离子膜组合，利用碳酸铵替代上述溶液中的氯化铵，即用碳酸根阴离子替代氯离子及实际海水中的其它阴离子，如溴离子等；驱动液室V3采用密封结构，以减少水渗透所造成的驱动力的损失。

实验一

用饱和碳酸铵及少量氨水的混合溶液作为驱动液，V1和V4中待处理液为0.5M氯化铵溶液，测得溶液的pH为6，V2内清水pH为7【取自自来水】；半小时后，V2内pH～8，且V4出口冒出氨气明显，V1则不明显【以潮湿的pH试纸测气体的pH值间接显示】；一个半小时后，V4出口冒出氨气低于V1的出口处冒出的氨气，且测得V4内的pH约为8，V1内pH约为6。3小时后，V1中溶液pH值也达到7以上，说明酸性的氯化铵基本被碱性的碳酸铵替代，即3hrs完成了60ml浓度为0.5M的氯化铵溶液的转化，膜面积为4.5cm2，因此平均通量～44升/hr/m2。

实验二

用饱和碳酸钾溶液作为驱动液，V1和V4中待处理液为0.5M氯化铵溶液，测得溶液的pH为6，V2内自来水pH为7；4小时后测得，V4端pH值约为8，V1端为7+，V2内溶液的pH值9。说明酸性的氯化铵基本被碱性的碳酸铵替代，以石灰水检测出有碳酸钙沉淀，即4hrs完成了60ml浓度为0.35的氯化铵溶液的转化，膜面积为4.5cm2，因此平均通量～33升/hr/m2。

上述实验一和实验二，以及下述的实施例3中，因为有氨气析出提供了额外的驱动力，通过断开连接V1和V4连通管的实验，相当于只有V3和V4的装置结构，证明单纯的浓差扩散渗析造成的离子交换效应也是明显的，因此可以直接的应用于此类有氨气、二氧化碳气体析出的水处理过程中。

实施例3

用饱和氯化铵溶液作为驱动液，待处理液为0.3M氢氧化钠溶液并用酚酞染色为红色。半小时后连接V1和V4的透明塑料管(管内径8mm)与V4连接部分中的氢氧化钠溶液开始变化为白色，白色和红色的界面肉眼观察清晰，应该是铵离子从V3析出，从V4向V1移动，钠离子被从V4压缩通过塑料管逐步经V1再进入V2。该塑料管下垂式连接V1和V4，在连接V4的下垂段，白色和红色弧形界面的推进速度约为每小时6厘米，估计是由于铵离子比钠离子轻，所以铵离子在钠离子 的上方将钠离子逐步压入V2。但当该界面进入塑料管上升段，即与V1连接端时，该界面逐步变得不清晰，且模糊的界面的推进速度明显变慢至每小时～1厘米。说明也是由于离子重量的不同，在上升阶段，铵离子无法完全推压钠离子上升，铵离子上浮并与钠离子有更多的混合机会，并可能被推入V2，当然，这是应该避免的现象，避免方法是抬起塑料导管，使铵离子始终在钠离子的上方。实验结束后，取出各室溶液，放入氢氧化钠固体，V1和V4及连接的塑料管内的溶液因含有大量的铵离子，而放出大量碱性的氨气，V2内也测出少量的铵离子。

以制浆厂黑液替代上述氢氧化钠溶液，表现出类似的实验结果。当将原始pH值为11的制浆黑液经上述方法处理后，所得制浆黑液的pH值变为9【含氢氧化铵所致】，再将此处理后的黑液进行蒸煮析出氨气，蒸煮后溶液的pH值为7，说明原来黑液中的碱性物质被基本脱除了。

断开V1和V4之间的连通管，得到上述类似的结果，说明单层膜扩散渗析本身的工业应用也是可行的。此时，由于氨气、二氧化碳的析出，在保持驱动离子饱和的前提下，驱动离子的浓差几乎不变，从而始终驱动被驱动和交换的离子进入驱动液中，并在驱动液中得到浓缩，方便结晶析出。

实施例4

本实施例提供一种海水淡化的方法，采用简单的扩散渗析方法，其包括：

步骤1、以氯化铵饱和溶液为驱动液，阳离子膜为单层扩散渗析膜，缓慢流动的海水经接触所述的阳离子渗析膜渗析后，部分氯化钠被置换为氯化铵；

步骤2、以饱和的碳酸铵或饱和的碳酸铵及少量氨水的混合溶液为驱动液，阴离子膜为单层扩散渗析膜，使步骤1得到的部分氯化钠被置换为氯化铵的海水缓慢流动地与驱动液进行扩散渗析，使部分氯离子被碳酸根离子或碳酸氢根离子置换；

步骤3、加热或负压下或加热并同时施以负压下，使步骤2得到的缓慢流动的海水中的碳酸铵或碳酸氢铵分解析出，并回收循环利用，得到的减少了钠离子和氯离子即氯化钠含量减少了的海水循环回步骤1、步骤2、步骤3中继续处理，直到海水中的氯化钠等无机盐基本被分离出。

上述过程中的驱动液中，浓缩的氯化钠或氯化铵经结晶分离后或收集处理或循环使用。

本实施例提供的分离装置及分离方法还可应用于分离各种含有溶解于水溶液中的有机物和无机物的污水；非电解质参与的化学反应中(如有机物的氧化、卤化反应、磺化、硝化、氨解、水解)，使非电解质转化成的电解质及产物或副产物中的离子化合物(如氯化氢、水以及废弃的催化剂)及时析出，以促进非电解质转化为电解质，如甲醇的氧化制造甲酸，糖发酵产物中有机酸的移除等；以及日常饮用水的净化；各种含有机物的混合溶液的脱离子浓缩；代替电渗析脱盐提纯等。

Claims (10)

1.一种溶液中离子的交换和浓缩装置，其特征在于，其包括：四个被离子膜分割开的阴离子提取置换用容器系统或阳离子提取置换用容器系统；

其中，所述阴离子提取置换用容器系统的第一容器室与第二容器室以阴离子膜分割，第二容器室与第三容器室以阳离子膜分割，第三容器室与第四容器室以阴离子膜分割，第四容器室与第一容器室互相连通；

或者，所述阳离子提取置换用容器系统的第一容器室与第二容器室以阳离子膜分割，第二容器室与第三容器室以阴离子膜分割，第三容器室与第四容器室以阳离子膜分割，第四容器室与第一容器室互相连通。

2.一种溶液中阳离子的交换和浓缩方法，其特征在于，其包括，采用权利要求1所述的阳离子提取置换用容器系统，及以下步骤：

所述驱动液为为高离子浓度的盐、酸或碱；

在待处理液中获得阳离子被置换或分离提取了的溶液；

在承接液中收集处理对应的来自待处理溶液中阳离子与驱动液中阴离子形成的物质。

3.一种含碱溶液中碱的脱除方法，其特征在于，其包括有如下步骤：

步骤1、以铵根离子置换溶液中存在的阳离子；

步骤2、加热或同时以负压方式加热步骤1得到的溶液。

4.如权利要求3所述的含碱溶液中碱的脱除方法，其特征在于，离子的置换可以采用常规的扩散渗析或利用本发明所述的阳离子提取置换用容器系统。

5.一种含铵溶液中铵的脱除方法，其特征在于，其包括有如下步骤：

步骤1、以碳酸根或碳酸氢根离子置换溶液中存在的阴离子；

步骤2、加热或同时以负压方式加热步骤1得到的溶液。

6.如权利要求5所述的含铵溶液中铵的脱除方法，其特征在于，离子的置换可以采用常规的扩散渗析或利用本发明所述的阴离子提取置换用容器系统。

7.一种海水淡化方法，其特征在于，其包括有如下步骤：

步骤1、以铵根离子置换海水中存在的阳离子；

步骤2、以碳酸根离子或碳酸氢根离子置换步骤1得到的海水中的阴离子；

步骤3、加热或同时以负压方式加热步骤2得到的海水；

上述步骤1和步骤2的顺序可以交换。

8.如权利要求7所述的海水淡化方法，其特征在于，所述的铵根离子来源于氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸铵与氨水的混合溶液、硝酸铵或硫酸铵；所述的碳酸根离子或碳酸氢根离子来源于碳酸铵、碳酸铵与氨水的混合溶液、碳酸钾或碳酸钠。

9.如权利要求7所述的海水淡化方法，其特征在于，离子的置换可以采用常规的扩散渗析或利用本发明所述的离子提取置换用容器系统。

10.一种海水淡化的方法，采用简单的扩散渗析方法，其特征在于，其包括：

步骤1、以氯化铵饱和溶液为驱动液，阳离子膜为单层扩散渗析膜，缓慢流动的海水经接触所述的阳离子渗析膜渗析后，部分氯化钠被置换为氯化铵；

步骤2、以饱和的碳酸铵或饱和的碳酸铵及少量氨水的混合溶液为驱动液，阴离子膜为单层扩散渗析膜，使步骤1得到的部分氯化钠被置换为氯化铵的海水缓慢流动地与驱动液进行扩散渗析，使部分氯离子被碳酸根离子或碳酸氢根离子置换；

步骤3、加热或负压下或加热并同时施以负压下，使步骤2得到的缓慢流动的海水中的碳酸铵或碳酸氢铵分解析出，并回收循环利用，得到的减少了钠离子和氯离子即氯化钠含量减少了的海水循环回步骤1、步骤2、步骤3中继续处理，直到海水中的氯化钠等无机盐基本被分离出。