CN106185997B - 一种直接除钙镁的盐水精制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接除钙镁的盐水精制装置和方法，包括有分离膜，该分离膜上设置有多道相互取向一致的微米通道，该微米通道的直接为10‑100um，所述的分离膜的一侧设置有与微米通道的入口端相通的原液区，该分离膜的另一侧设置有与微米通道的出口端相连的分离区，所述的微米通道的内壁上设置有一段阴离子交换膜，该阴离子交换膜的外表面与微米通道的内腔相连通，所述的分离膜的相对于原液区的一侧设置有第一电极，分离膜的相对于分离区的一侧设置有第二电极，该第一电极和第二电极用于产生覆盖于微米通道场强方向从分离区向原液区的场强，所述的阴离子交换膜上设置有第三电极。本发明的优点是只需要百微米级孔径要求，减少操作压力和制造难度，从而降低了分离成本并有助于产业推广。

Description

一种直接除钙镁的盐水精制装置和方法

技术领域

本发明属于金属离子分离处理技术领域，尤其涉及一种直接除钙镁的盐水精制装置和方法。

背景技术

电解法氯碱生产的主要原料是饱和盐水溶液。在氯碱生产过程中，不论是采用海盐、湖盐、岩盐还是卤水中的任何一种原料，都含有钙镁等无机杂质以及细菌、藻类残体、腐植酸等天然有机物和有机物杂质。这些杂质在化盐时会被带入盐水系统，如不除去将会造成膜的损伤，从而使其效率下降，破坏电解槽的正常生产，并使膜的寿命大幅缩短。盐水中的一些杂质会在电解槽中产生副反应，降低阳极电流效率，使电解电耗升高，增加成本，并对阳极寿命产生影响。因此，在氯碱生产中，第一道工序盐水制备必须通过精制操作，除去盐水中的钙镁杂质，满足电解槽的运行要求。

近年来，一种新型的膜分离技术实现盐水的精制。自从2000年美国戈尔公司薄膜过滤器在江苏扬农化工集团公司、山东滨化集团有限责任公司一次盐水精制工艺中成功应用以来，不断有新的过滤膜和膜组件出现，膜过滤技术已在我国氯碱生产企业中得到广泛应用。到目前为止，在我国氯碱行业中应用比较成功的有戈尔膜过滤器、凯膜过滤器、鸣泰“种植膜”过滤技术、颇尔膜过滤器、陶瓷膜过滤技术等。膜分离技术的操作压力高（1Mpa），因为过滤膜其表层孔径处于纳米级范围内。然而，由于膜自身结构上的特殊性，其分离性能除与膜材料自身的性质及制膜工艺有关外，还受操作条件、物料性质和组件构型三个方面的影响。它取代传统处理过程中的多个步骤，因而比较经济。对水进行软化和净化，常采用石灰、苏打法或离子交换法去除Ca²⁺、Mg²⁺等二价离子，用活性炭吸附法除去有机物。这种水处理过程工艺繁琐,效率低，费用高。而采用膜分离技术就可一次性将上述物质同时除去。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺点，提出一种新型的除钙镁的盐水精制处理方法及装置，设计一种分离镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）和钠离子(Na⁺)的分离膜装置，与传统的分离膜（纳滤膜）不同，该装置只需要百微米级孔径要求，在微通道内嵌入阴离子交换膜，并控制阴离子交换膜表面的电势，实现钙镁的分离，减少操作压力和制造难度，从而降低了分离成本并有助于产业推广。

为实现上述目的，本发明的技术方案是包括有分离膜，该分离膜上设置有多道相互取向一致的微米通道，该微米通道的直径为10-100um，所述的分离膜的一侧设置有与微米通道的入口端相通的原液区，原液区内设置有含有钙镁钠离子的待精制盐水，该分离膜的另一侧设置有与微米通道的出口端相连的分离区，所述的微米通道的内壁上设置有一段阴离子交换膜, 该离子交换膜的外表面与微米通道的内腔相连通，该分离膜相对于离子交换膜的内表面内侧连通设置有缓冲液通道，所述的分离膜的相对于原液区的一侧设置有第一电极(V₁)，分离膜的相对于分离区的一侧设置有第二电极(V₂)，该第一电极和第二电极用于产生覆盖于微米通道方向驱动所需分离的离子从分离区向原液区运动的第一场强，所述的离子交换膜上设置有第三电极(V₃)，该第三电极的电势根据具体的待分离，进行独立可调设置（调节电势V₃可控制钙镁和钠离子的分离比）。

进一步设置是所述的第三电极外连接有用于调节第三电极电势的可调电压源。

进一步设置是含有待分离的相对高价的镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）和相对低价的钠离子（Na⁺）的原液置于原液区，对原液区的原液施加一个从原液区向分离区方向的压力，通过调节第三电极的电势，使得相对高价的镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）在微米通道中受到的场强力大于水流力并使得这些高价离子留于原液区，而钠离子（Na⁺）在微米通道中受到的场强力小于介质压力并使得钠离子（Na⁺）从微米通道进入到分离区，从而使得钠离子（Na⁺）和相对高价的镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）分离。

本发明的工作原理和优点是：

分离膜表面通过微米加工，刻蚀出无数多个微米通道，并在微米通道中央交替有规律的嵌入阴离子交换膜，并在阴离子交换膜表面嵌入电极并施加电压，阴离子交换膜连接着一个充满缓冲池用来中和进入阴离子交换膜的阴离子C^-，由于系统的电中性保持，电离出D⁺离子。分离膜左端出口连接着钙镁离子（Mg²⁺、Ca²⁺）离子收集池，通道右端则连接着钠离子（Na⁺）收集池。并在分离膜的两端应用一个直流电场（E），方向垂直的指向左方（如图所示）。

接通电源，使得保证这三个电极的电势关系V₂ > V₃ > V₁，施加外部压力，驱动原液运动，进而带动钙镁钠离子运动。

通常的，离子在溶液中的受力由电场力和水流的粘性力决定。这里，本发明施加了一个直流电场（E），其方向为从右向左，如图所示，故而相对较低的钠离子（Na⁺）受到一个向左的电场力。在外部压力的作用下（压力从左往右），当压力足够大时，相对较低价的钠离子（Na⁺）受到的电场力小于水流力，此时钠离子（Na⁺）则随着水流向右流动。

镁离子（Mg²⁺）和钙离子（Ca²⁺）也受到向右的水流力，为了保证镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）不能通过本发明的离子分离膜，而相对较低的钠离子（Na⁺）可以通过分离膜，因此本发明在离子分离膜设计中，在微通道中央嵌入阴离子交换膜。在外电场（E）和阴离子交换膜表面的电压下的作用下，阴离子交换膜表面附近形成极端不均的离子浓度分布，即发生了离子的浓度极化现象。在膜表面的电场得到了放大（较之，直流电场E，在膜表面的电场强度可以放大到高达10倍，方向仍然和外电场一样。这是通过改变阴离子交换膜外侧电极的电势提高离子交换膜表面溶液的浓度极化的程度进而实现了离子交换膜表面电场的放大）。在不施加外部压强的条件下，镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）和钠离子（Na⁺）由于电场力的作用都不能穿越浓度极化区。在外部压强作用下，压力造成的水流会对镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）和钠离子（Na⁺）形成粘滞拽力。当水流拽力（正比于水流速度）大于钠离子（Na⁺）所受的电场力同时小于镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）所受的电场力时，钠离子（Na⁺）跨越离子交换膜区域，随水流出本发明离子分离膜,进入钠离子（Na⁺）收集池。同时，因为水流力不足以克服镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）所受的电场力，所以镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）被阻挡在阴离子交换膜的上游或者本发明分离膜的的左端，即镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）收集池。从而实现了镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）和钠离子（Na⁺）的分离，实现了盐水的精制。

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步介绍。

附图说明

图1 本发明具体实施方式结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

如图1所示，本发明提出的盐水精制方法，对盐水中镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）和钠离子（Na⁺）进行分离，该方法主要在于分离膜的设计。在此，显示分离膜的放大图。如图所示，分离膜1表面通过微米加工，刻蚀出无数多个微米通道11（通道尺寸可以控制在10um到100um之间，因为通道压力与孔径的 - 4次方成正比，较之传统的纳滤膜分离技术，孔径放大10³-10⁴倍理论上可以降低操作压力10¹²--10¹⁶量级）。

本实施例所述的分离膜1的一侧设置有与微米通道11的入口端相通的原液区12，该分离膜的另一侧设置有与微米通道的出口端相连的分离区13，所述的微米通道11的内壁上设置有一段阴离子交换膜2，该阴离子交换膜2的外表面与微米通道11的内腔相连通，该分离膜1相对于阴离子交换膜2的内表面内侧连通设置有缓冲液通道14，所述的分离膜1的相对于原液区12的一侧设置有第一电极15，分离膜的相对于分离区的一侧设置有第二电极16，该第一电极15和第二电极16用于产生覆盖于微米通道场强方向从分离区向原液区的第一场强E，所述的阴离子交换膜2上设置有第三电极21，该第三电极21的电势介于第一电极15和第二电极16之间。为了便于施加电势，本实施例在具体实施时，第二电极16的电势为0，第一电极15的电势为负值，同样，第三电极21上的电势为介于第一电极15和第二电极16之间的负值。

本实施例通过调节第三电极21的电势，改变了整个通道内电势的分布，利用电势的分布的不均匀性的特点，从而改变了不同价离子在微通道内的受力情况，实现了对钠离子（Na⁺）通过分离膜，而镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）不通过分离膜。此外，在这个三个电极的电势均固定的情况下，可以调节外压力，使得水流力介于镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）和钠离子（Na⁺）受到的电场力之间，那么钠离子（Na⁺）通过分离膜，而镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）不通过分离膜，进而实现了镁离子（Mg²⁺）、钙离子（Ca²⁺）和钠离子（Na⁺）的分离，即实现了盐水精制。

Claims (3)

1.一种直接除钙镁的盐水精制装置，其特征在于：包括分离膜，该分离膜上设置有多道相互取向一致的微米通道，该微米通道的直径为10-100um，所述的分离膜的一侧设置有与微米通道的入口端相通的原液区，原液区内设置有含有钙镁钠离子的待精制盐水，该分离膜的另一侧设置有与微米通道的出口端相连的分离区，所述的微米通道的内壁上设置有一段阴离子交换膜，该离子交换膜的外表面与微米通道的内腔相连通，该分离膜相对于离子交换膜的内表面内侧连通设置有缓冲液通道，所述的分离膜相的对于原液区的一侧设置有第一电极(V₁)，分离膜的相对于分离区的一侧设置有第二电极(V₂)，该第一电极和第二电极用于产生覆盖于微米通道方向驱动所需分离的离子从分离区向原液区运动的第一场强，所述的离子交换膜上设置有第三电极(V₃)，该第三电极的电势可以根据钙镁离子和钠离子的分离比进行可调设置。

2.根据权利要求1所述的一种直接除钙镁的盐水精制装置，其特征在于：所述的第三电极(V₃)外连接有用于调节第三电极电势的可调电压源。

3.一种基于如权利要求1所述装置的盐水精制方法，其特征在于：含有待分离的Mg²⁺、Ca²⁺和Na⁺的待精制盐水置于原液区，并在原液区施加一个从原液区向分离区方向的压力，通过调节第三电极的电势(V₃)，使得高价的Mg²⁺、Ca²⁺在微米通道中受到的场强力大于水流力使得Mg²⁺、Ca²⁺留于原液区， Na⁺在微米通道中受到的场强力小于水流力使得锂离子从微米通道进入到分离区，实现Mg²⁺、Ca²⁺和Na⁺相互分离，从而实现了盐水精制。