CN107398181B - 一种用于煤化工浓盐水分质浓缩的电渗析装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于煤化工浓盐水分质浓缩的电渗析装置，由阴极室、阳极室及设置在两个极室之间的一组或多组分质浓缩隔室单元构成；分质浓缩隔室单元由脱盐室、浓缩室a和浓缩室b构成；阴极室、阳极室和分质浓缩隔室单元之间通过阳离子交换膜间隔，同一组分质浓缩隔室单元的脱盐室和浓缩室a之间通过阴离子交换膜间隔，浓缩室a和浓缩室b之间通过纳滤膜间隔，不同组的分质浓缩隔室单元之间通过阳离子交换膜间隔。本发明首次将装有纳滤膜的电渗析装置用于煤化工浓盐水的分质浓缩，实现了盐类的分类回收，减少了需作为危废处理的固废量，达到了煤化工浓盐水循环利用与“零排放”的目标。

Description

一种用于煤化工浓盐水分质浓缩的电渗析装置
技术领域
本发明涉及一种用于煤化工浓盐水分质浓缩的电渗析装置，属于工业浓盐水“零排放”和再利用领域。
背景技术
煤化工行业浓盐水经预处理与反渗透浓缩后会产生大量的浓盐水，其主要成分为氯化钠、硫酸钠和其他微量杂盐。若将其直接排放，会破坏周边水体生态平衡，引起土地盐碱化；若选择蒸发结晶处理，则成本高昂，蒸发器易结垢，且所得结晶盐为杂盐，只能当危废处理；通过排入蒸发塘处理，能耗虽然很低但蒸发速度慢、占地面积大，处理过程中可能产生二次污染，给蒸发塘周边环境带来风险隐患。在煤化工行业“零排放”要求越来越高的情况下，浓盐水的处理标准也越来越严格，现有的常规手段很难保证浓盐水处理后达到回用及“零排放”要求。
传统电渗析技术可以对煤化工浓盐水进行脱盐处理，达到浓缩减量和淡化回用的目的，但很难实现盐组分的选择性分离。为此，很多学者对电渗析所用的离子交换膜进行改性，使膜具有单价离子选择性，进而实现一价离子和二价离子的分离。目前，已商业化的单价离子交换膜成本高昂，难以长期稳定运行，同时存在离子通量与选择透过性不可兼顾的突出问题。此外，单价离子交换膜的种类有限，目前仅有日本某公司生产的单价阳离子交换膜，但商业化的单价阴离子交换膜尚未见报道。
纳滤膜的孔径范围在5纳米以内，对二价离子有较高的截留率，基于这一特性，纳滤膜可实现氯化钠和硫酸钠的分离。但是纳滤过程能耗较高，且无法对溶液进行浓缩。
因此结合纳滤膜对氯化钠和硫酸钠的分离特性，和电渗析对氯化钠和硫酸钠的浓缩特性，本发明首次将纳滤膜置于电渗析膜堆中，提出一种新的用于煤化工浓盐水分质浓缩的电渗析装置。该装置可同时实现浓盐水的浓缩与盐类的分离，经过后续处理可得到高纯度的氯化钠和硫酸钠。
中国专利201410526655.2、201510751294.6和201410580324.7均涉及使用传统电渗析装置处理高盐分工业废水的方法，实现了高盐废水的浓缩，但是上述专利并未将不同种类的盐分离，盐类无法得到回收利用。中国专利201510030196.3涉及一种电场驱动的电纳滤装置，可以有效的将一价盐和二价盐分离，但是不具备浓缩功能。
发明内容
针对目前煤化工浓盐水“零排放”过程中能耗高、盐类难以回收和环境风险大的技术难题，本发明首次将纳滤膜置于电渗析膜堆中，提出一种新的用于煤化工浓盐水分质浓缩的电渗析装置。该装置可同时实现浓盐水的浓缩与盐类的分离，经过后续处理可得到高纯度的氯化钠和硫酸钠，从而实现煤化工浓盐水的“零排放”、水资源和盐类资源的回收利用目标。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是:
一种用于煤化工浓盐水分质浓缩的电渗析装置，由阴极室、阳极室及设置在两个极室之间的一组或多组分质浓缩隔室单元构成；
所述分质浓缩隔室单元由脱盐室、浓缩室a和浓缩室b构成；
所述阴极室内固定有阴极，阳极室内固定有阳极；
阴极室、阳极室和分质浓缩隔室单元之间通过阳离子交换膜间隔；
同一组分质浓缩隔室单元的脱盐室和浓缩室a之间通过阴离子交换膜间隔，浓缩室a和浓缩室b之间通过纳滤膜间隔；
不同组的分质浓缩隔室单元之间通过阳离子交换膜间隔。
在上述方案的基础上，阴极室进口、阳极室进口、阴极室出口和阳极室出口分别通过PVC(聚氯乙烯)管路连接于极水储罐的内部。
在上述方案的基础上，阴极室进口和阳极室进口与极水储罐之间的PVC管路上依次设有流量计、阀门和离心泵。
在上述方案的基础上，所述流量计和阀门用于调节控制阴极室和阳极室内的极水流量。
在上述方案的基础上，脱盐室进口和脱盐室出口通过PVC管路连接于淡水储罐的内部。
在上述方案的基础上，脱盐室进口与淡水储罐之间的PVC管路上依次设有流量计、阀门和离心泵。
在上述方案的基础上，所述流量计和阀门用于调节脱盐室内的溶液流量。
在上述方案的基础上，浓缩室a进口和浓缩室a出口分别通过PVC管路连接于浓水储罐a的内部；浓缩室b进口和浓缩室b出口分别通过PVC管路连接于浓水储罐b的内部。
在上述方案的基础上，浓缩室a进口与浓水储罐a之间的PVC管路上依次设有流量计、阀门和离心泵；浓缩室b进口与浓水储罐b之间的PVC管路上依次设有流量计、阀门和离心泵。
在上述方案的基础上，所述流量计和阀门用于调节浓缩室a和浓缩室b内的溶液流量；
在上述方案的基础上，所述阴极和阳极分别通过导线与外接直流电源导通。
在上述方案的基础上，所述阴极和阳极均采用钛涂钌电极。
本发明的电渗析装置其特点在于：
将预处理过的煤化工浓盐水(即氯化钠和硫酸钠混合溶液)分别加入脱盐室、浓缩室a和浓缩室b，接通电源后，脱盐室中的Cl-和SO4 2-向阳极方向移动，穿过阴离子交换膜进入浓缩室。由于纳滤膜的孔径筛分作用，Cl-和SO4 2-在浓缩室中移动时，SO4 2-被阻隔在浓缩室a，Cl-则能穿过纳滤膜进入浓缩室b；而对于与浓缩室b相连的下一组脱盐室中的Na+在电场作用下向阴极方向移动，穿过阳离子交换膜进入浓缩室。整个过程实现了氯化钠和硫酸钠的浓缩和分离。
与前述专利不同，本发明与现有技术的实质性区别在于，针对现有技术中对煤化工浓盐水处理存在的问题，采用新型电渗析装置处理煤化工浓盐水，同时实现了浓盐水的浓缩与盐类分离，简化了工艺流程，降低了设备投资，实现了盐类的分类回收与浓盐水的“零排放”。
本发明的有益效果是：
1、本发明首次将装有纳滤膜的电渗析装置用于煤化工浓盐水的分质浓缩，实现了盐类的分类回收，减少了需作为危废处理的固废量，为煤化工浓盐水的“零排放”提供了新的途径；
2、本发明将纳滤膜和离子交换膜组合使用，实现了一价离子和二价离子的分离，填补了目前单价阴离子交换膜的技术空缺，为纳滤膜与电渗析器的工业应用提供了新的思路；
3、本发明提出的一种用于煤化工浓盐水分质浓缩的电渗析装置因其结构特殊，极大地降低了阳离子交换膜表面二价硫酸根离子的浓度，降低了结垢的速度；
4、本发明提出的一种用于煤化工浓盐水分质浓缩的电渗析装置，可同时实现氯化钠和硫酸钠的浓缩与分离，极大地简化了工艺流程，降低了设备投资；
5、由于纳滤膜自身的多孔支撑结构，Cl-与Na+在纳滤膜中的迁移阻力非常小，并不会大幅增加电渗析器的能耗。相对于其它分离手段，运行成本大大降低。
附图说明
本发明有如下附图：
图1电渗析装置示意图。
图中：1-阴极室，2-脱盐室，3-浓缩室a，4-浓缩室b，5-阳极室，6-阳离子交换膜Ⅰ，7-阳离子交换膜Ⅱ，8-阴离子交换膜，9-纳滤膜，10-阴极，11-阴极板，12-阳极，13-阳极板，14-隔板Ⅰ，15-隔板Ⅱ，16-隔板Ⅲ，17-隔板Ⅳ，18-隔板Ⅴ，19-阴极室进口，20-阴极室出口，21-脱盐室进口，22-脱盐室出口，23-浓缩室a进口，24-浓缩室a出口，25-浓缩室b进口，26-浓缩室b出口，27-阳极室进口，28-阳极室出口。
具体实施方式
一种用于煤化工浓盐水分质浓缩的电渗析装置，由阴极室1、阳极室5及设置在两个极室之间的一组或多组分质浓缩隔室单元构成；
所述分质浓缩隔室单元由脱盐室2、浓缩室a 3和浓缩室b 4构成；
所述阴极室1内固定有阴极10，阳极室5内固定有阳极12；
阴极室1、阳极室5和分质浓缩隔室单元之间通过阳离子交换膜间隔；
同一组分质浓缩隔室单元的脱盐室2和浓缩室a 3之间通过阴离子交换膜8间隔，浓缩室a 3和浓缩室b 4之间通过纳滤膜9间隔；
不同组的分质浓缩隔室单元之间通过阳离子交换膜间隔。
在上述方案的基础上，阴极室进口19、阳极室进口27、阴极室出口20和阳极室出口28分别通过PVC(聚氯乙烯)管路连接于极水储罐的内部。
在上述方案的基础上，阴极室进口19和阳极室进口27与极水储罐之间的PVC管路上依次设有流量计、阀门和离心泵。
在上述方案的基础上，所述流量计和阀门用于调节控制阴极室1和阳极室5内的极水流量。
在上述方案的基础上，脱盐室进口21和脱盐室出口22通过PVC管路连接于淡水储罐的内部。
在上述方案的基础上，脱盐室进口21与淡水储罐之间的PVC管路上依次设有流量计、阀门和离心泵。
在上述方案的基础上，所述流量计和阀门用于调节脱盐室2内的溶液流量。
在上述方案的基础上，浓缩室a进口23和浓缩室a出口24分别通过PVC管路连接于浓水储罐a的内部；浓缩室b进口25和浓缩室b出口26分别通过PVC管路连接于浓水储罐b的内部。
在上述方案的基础上，浓缩室a进口23与浓水储罐a之间的PVC管路上依次设有流量计、阀门和离心泵；浓缩室b进口25与浓水储罐b之间的PVC管路上依次设有流量计、阀门和离心泵。
在上述方案的基础上，所述流量计和阀门用于调节浓缩室a 3和浓缩室b 4内的溶液流量；
在上述方案的基础上，所述阴极10和阳极12分别通过导线与外接直流电源导通。
在上述方案的基础上，所述阴极10和阳极12均采用钛涂钌电极。
下面的实施例以氯化钠和硫酸钠混合溶液的选择性分离为例对本发明作进一步详细说明，而不是限制本发明的范围。
下述实施例所用阳离子交换膜和阴离子交换膜为日本某公司生产；
下述实施例所用纳滤膜为国内某公司生产；
下述实施例所用电极为钛涂钌电极。
实施例1
如图1所示，本实施例的用于煤化工浓盐水分质浓缩的电渗析装置，包括一组分质浓缩隔室单元，共五个隔室，依次是阴极室1、脱盐室2、浓缩室a 3、浓缩室b 4和阳极室5。
本实施例的电渗析装置内各个隔室依次通过阴极板11、隔板Ⅰ14、隔板Ⅱ15、隔板Ⅲ16、隔板Ⅳ17、隔板Ⅴ18和阳极板13实现。阴极板11右侧面上设有容纳阴极的凹槽，在隔板Ⅱ15的左侧固定阳离子交换膜Ⅰ6，在隔板Ⅲ16的左侧固定阴离子交换膜8，在隔板Ⅳ17的左侧固定纳滤膜9，在隔板Ⅴ18的左侧固定阳离子交换膜Ⅱ7，阳极板13左侧面上设有容纳阳极的凹槽。阴极板11、五个隔板和阳极板13通过螺栓紧固，形成了阴极室1、脱盐室2、浓缩室a 3、浓缩室b 4和阳极室5，其中阴极室1和脱盐室2通过阳离子交换膜Ⅰ6间隔，脱盐室2和浓缩室a 3通过阴离子交换膜8间隔，浓缩室a 3和浓缩室b 4通过纳滤膜9间隔，浓缩室b 4和阳极室5通过阳离子交换膜Ⅱ7间隔。
本实施例所用隔板为橡胶材质，中间嵌有聚丙烯网格，用于增加隔室内液体的湍动程度，强化传质过程，中空部分面积为400cm2，隔板厚度为1cm。
阴极10和阳极12分别通过导线与外接直流电源导通，阴极10和阳极12均采用钛涂钌电极。
按如下方法测试本实施例电渗析装置用于分离氯化钠和硫酸钠混合溶液的效果：
配置各隔室溶液：极水储罐中装入1.5L浓度为0.2mol/L的NaCl溶液，在淡水储罐中装入2.5L浓度为2mol/L的NaCl溶液和2.5L浓度为2mol/L的Na2SO4溶液模拟煤化工浓盐水，在浓水储罐a中装入5L浓度为1mol/L的Na2SO4溶液，在浓水储罐b中装入5L浓度为1mol/L的NaCl溶液。
打开各个管路上的离心泵，通过阀门调节各个隔室的流量(阴极室1和阳极室5为160L/h，脱盐室2、浓缩室a 3和浓缩室b 4均为350L/h)，接通外接直流电源(电流密度为20mA/cm2)，使电渗析装置开始运行，运行时间为50min。
实验结果结束后，浓水储罐a中溶液组成为NaCl 0.15mol/L、Na2SO4 1.46mol/L，浓水储罐b中溶液组成为NaCl 3.17mol/L、Na2SO40.33mol/L，淡水储罐中NaCl和Na2SO4浓度均降至0.2mol/L以下。实验结果表明，本发明的新型电渗析装置能够实现煤化工浓盐水的分质浓缩，且效果较好。
实施例2
本实施例的用于煤化工浓盐水分质浓缩的电渗析装置，包括20组重复的分质浓缩隔室单元、阴极室1和阳极室5，20组重复的分质浓缩隔室单元、阴极室1和阳极室5由阴极板11、隔板Ⅰ14、隔板Ⅴ18和阳极板13实现。
同一组分质浓缩隔室单元内的各个隔室依次通过隔板Ⅱ15、隔板Ⅲ16、隔板Ⅳ17实现。在隔板Ⅱ15的左侧固定阳离子交换膜Ⅰ6，在隔板Ⅲ16的左侧固定阴离子交换膜8，在隔板Ⅳ17的左侧固定纳滤膜9。不同组的分质浓缩隔室单元之间通过阳离子交换膜间隔。
阴极板11右侧面上设有容纳阴极的凹槽，在隔板Ⅴ18的左侧固定阳离子交换膜Ⅱ7，阳极板13左侧面上设有容纳阳极的凹槽。阴极板11、隔板和阳极板13通过螺栓紧固，形成了阴极室1、脱盐室、浓缩室a、浓缩室b和阳极室，其中阴极室1和脱盐室通过阳离子交换膜Ⅰ6间隔，脱盐室和浓缩室a通过阴离子交换膜间隔，浓缩室a和浓缩室b通过纳滤膜间隔，浓缩室b和阳极室5通过阳离子交换膜Ⅱ7间隔。
本实施例所用隔板为橡胶材质，中间嵌有聚丙烯网格，用于增加隔室内液体的湍动程度，强化传质过程，中空部分面积为400cm2，隔板厚度为0.2cm。
阴极10和阳极12分别通过导线与外接直流电源导通，阴极10和阳极12均采用钛涂钌电极。
按如下方法测试本实施例电渗析装置用于分离氯化钠和硫酸钠混合溶液的效果：
配置各储罐溶液：极水储罐中装入5L浓度为0.2mol/L的NaCl溶液，在淡水储罐中装入10L浓度为2.4mol/L的NaCl溶液和10L浓度为2.4mol/L的Na2SO4溶液模拟煤化工浓盐水，在浓水储罐a中装入20L浓度为1.2mol/L的Na2SO4溶液，在浓水储罐b中装入20L浓度为1.2mol/L的NaCl溶液。
打开各个管路上的离心泵，通过阀门调节各个隔室的流量(阴极室1和阳极室5为160L/h，脱盐室、浓缩室a和浓缩室b均为350L/h)，接通外接直流电源(电流密度为25mA/cm2)，使电渗析装置开始运行，运行时间为70min。
实验结果结束后，浓水储罐a中溶液组成为NaCl 0.17mol/L、Na2SO4 1.73mol/L，浓水储罐b中溶液组成为NaCl 3.64mol/L、Na2SO40.42mol/L，淡水储罐中NaCl和Na2SO4浓度均降至0.2mol/L以下。实验结果表明，本发明的新型电渗析装置能够实现煤化工浓盐水的分质浓缩，且效果较好。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.一种用于煤化工浓盐水分质浓缩的电渗析装置，其特征在于：所述电渗析装置由阴极室、阳极室及设置在两个极室之间的一组或多组分质浓缩隔室单元构成；所述分质浓缩隔室单元由脱盐室、浓缩室a和浓缩室b构成；
所述阴极室内固定有阴极，阳极室内固定有阳极；
阴极室、阳极室和分质浓缩隔室单元之间通过阳离子交换膜间隔；
同一组分质浓缩隔室单元的脱盐室和浓缩室a之间通过阴离子交换膜间隔，浓缩室a和浓缩室b之间通过纳滤膜间隔；
不同组的分质浓缩隔室单元之间通过阳离子交换膜间隔；
阴极室进口、阳极室进口、阴极室出口和阳极室出口分别通过PVC管路连接于极水储罐的内部，且阴极室进口和阳极室进口与极水储罐之间的PVC管路上依次设有流量计、阀门和离心泵，所述流量计和阀门用于调节控制阴极室和阳极室内的极水流量；
脱盐室进口和脱盐室出口通过PVC管路连接于淡水储罐的内部，且脱盐室进口与淡水储罐之间的PVC管路上依次设有流量计、阀门和离心泵，所述流量计和阀门用于调节脱盐室内的溶液流量；
浓缩室a进口和浓缩室a出口分别通过PVC管路连接于浓水储罐a的内部，且浓缩室a进口与浓水储罐a之间的PVC管路上依次设有流量计、阀门和离心泵，所述流量计和阀门用于调节浓缩室a内的溶液流量；
浓缩室b进口和浓缩室b出口分别通过PVC管路连接于浓水储罐b的内部，且浓缩室b进口与浓水储罐b之间的PVC管路上依次设有流量计、阀门和离心泵，所述流量计和阀门用于调节浓缩室b内的溶液流量；
所述阴极和阳极分别通过导线与外接直流电源导通。
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