CN107626207A - 利用导电陶瓷膜富集废酸同步回收金属的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用导电陶瓷膜富集废酸同步回收金属的方法和装置,该方法将将废酸置于导电陶瓷膜隔离形成的阴极室中,在阳极室中放置稀酸,在直流电压作用下,电极周围产生电解水的反应;同时,废酸在直流电压作用下,发生电泳现象,带正负电荷的粒子分别向阴极和阳极做定向运动;在电泳电场作用下,导电陶瓷膜产生极化效应,只允许带负电的粒子穿过导电陶瓷膜进入阳极室;进入阳极室的氢氧根离子优先失去电子,氧化形成氧气,同时在阳极室形成酸,带正电的离子向阴极移动,在阴极附近生成氢气,同时金属离子得到电子还原成金属单质,附着在阴极上;本方法和装置充分发挥了陶瓷膜的耐酸腐蚀性,结合直流电场作用,利用导电陶瓷膜极化效应,在酸富集过程中,有效的抑制了陶瓷膜污染,同时还能回收废酸中的金属,真正实现了废酸的资源化。
Description
技术领域
本发明属于功能陶瓷膜分离技术领域,具体涉及到利用导电陶瓷膜富集废酸同步回收金属的方法及装置。
背景技术
H2SO4、HNO3等作为功能药剂在湿法浸出、催化、化学浴阳极氧化、化学抛光、化学镀、化学浴酸洗等过程中普遍使用,产生大量的废酸。这些废酸浓度较低、成分复杂、腐蚀性强并且还含有多种金属,若这些废酸不经处理直接排放到水环境中,势必会造成很大危害,废酸处理一直是生产企业所面对的问题。目前,生产企业主要通过石灰中和沉淀法、焚烧法、蒸发浓缩法、氧化法、萃取法、结晶法等方法处理废酸,但是都因为运行成本高、二次污染、资源化程度低等问题,制约其发展。废酸既是一种污染物,也是一种资源,如果企业将废酸资源化,必将降低企业生产成本,有利于其市场竞争。
随着膜技术的发展,膜处理在废酸的治理以及酸的回收中显示出一定的优势。膜蒸馏法、扩散渗析、电渗析、陶瓷膜等膜处理技术,不仅能使有毒有害污染物高效低成本净化,而且还能实现净化产物的分离富集和资源化利用,是废酸回收利用技术研究的焦点。膜蒸馏技术虽然工艺简单,但是需要较高的能量消耗,且只能用于盐酸以及硝酸等挥发性酸的回收;扩散渗析对废酸的浓度要求较高,且回收的废酸浓度过低,应用面小;电渗析技术的核心在于离子交换膜,离子交换膜的性质制约着电渗析的发展,目前,电渗析膜用于废酸回收,面对成分复杂、腐蚀性高的废酸,电渗析膜容易被污染、被腐蚀,且易出现质子渗漏等一系列问题,随着酸的富集,电渗析膜慢慢会被腐蚀,过滤能力下降。这些膜技术虽然能够在一定程度上实现废酸的资源化,但是都存在能耗大,富集能力弱,膜易腐蚀,且容易被腐蚀,不能实现废酸中金属的回收,解决这些问题迫在眉睫。
中国专利CN101759250B利用陶瓷膜技术、扩散渗析、纳滤、反渗透经过冷却和离心,从酸洗废液中回收金属盐和无机酸,虽然得到较高浓度废酸,但是工艺复杂,成本高,回收到的金属盐纯度难以保证且利用价值偏低。
发明内容
本发明旨在提供一种利用导电陶瓷膜在外加电场作用下富集废酸,同步回收废酸中金属的方法,以解决现有膜技术富集废酸时,膜污染,膜腐蚀,以及不能同时回收废酸中的金属等问题。这种方法相对于常规的膜富集废酸技术,具有很强的耐腐蚀性,可以有效的富集废酸,大幅度提高浓缩效率,且能够同时回收废酸中的金属,更重要的是该方法在运行过程中实现膜的抗污染性能,显著降低膜过滤过程中的膜污染问题,延长陶瓷膜的使用寿命。
陶瓷膜作为一种新型材料,具有耐酸碱腐蚀、耐高温、结构稳定、化学稳定性好、分离效率高、机械强度大等诸多优点,而荷电陶瓷膜利用表面或本体带有一定的电荷,在陶瓷膜分离过程中,荷电性有利于陶瓷膜过滤性能及抗污染性能。荷电陶瓷膜用于废酸处理,既能克服富集废酸时膜易腐蚀的缺点,又能实现废酸的资源化;废酸成分复杂,其杂质如金属离子、金属氧化物、胶体等都是带电体,而这些物质是造成陶瓷膜污染的主要原因。
本发明方法是将废酸置于导电陶瓷膜隔离形成的阴极室中,在阳极室中放置稀酸,在直流电压作用下,电极周围产生电解水的反应;同时,废酸在直流电压作用下,发生电泳现象,带正负电荷的粒子分别向阴极和阳极做定向运动;在电泳电场作用下,导电陶瓷膜产生极化效应,只允许带负电的粒子穿过导电陶瓷膜进入阳极室,提高了抗污染性能;进入阳极室的氢氧根离子优先失去电子,氧化形成氧气,同时在阳极室形成酸,带正电的离子向阴极移动,在阴极附近生成氢气,同时金属离子得到电子还原成金属单质,附着在阴极上。
本发明方法还可以将导电陶瓷膜连接到另一个直流电源的负极,强化导电陶瓷膜极化效应,对带电微粒进行选择性透过,在电泳现象和极化效应共同作用下,导电陶瓷膜只允许带负电的粒子穿过导电陶瓷膜进入阳极室。
所述导电陶瓷膜是使用导电粉对平板式或管式微滤陶瓷膜进行涂覆,涂覆厚度为20~100μm,干燥后在1000~1500℃下烧结而制得,其中导电粉为导电云母粉、导电钛白粉、导电硫酸钡或导电聚苯胺。
所述的废酸是指生产中产生的含有硫酸和硝酸的液体,酸浓度为0.5%~10%,废酸中含有锌、铁以及铜等金属离子,特别的,若废酸中不含有金属离子,则该方法只起到富集废酸的作用。
所述的稀酸是与废酸相对应的硫酸或硝酸,质量浓度为0.5%~1%。
所述的直流电压,其电压范围为30V-150V,反应时间为12h~72h。
所述与导电陶瓷膜连接的直流电源的电压为4V-12V。
所述电极包括两个阳极和一个阴极。所述的阴极和阳极采用片状或网状。
所述的阳极为铂电极、石墨电极以及铜电极,所述的阴极为铁电极、锌电极或铜电极。
在废酸富集同步回收金属过程中,对带电微粒进行选择性透过及实现抗污染性能如下:导电陶瓷膜在外加直流电场作用下,产生极化效应,形成双电层,靠近阴极室的一侧带正电,靠近阳极室的一侧带负电(导电陶瓷膜连接到单电极直流电源的负极,强化导电陶瓷膜的极化效应)。与此同时,在外加电场作用,带正电的微粒向阴极做定向运动,带负电的微粒向阳极做定向运动。废酸中的金属氧化物以及粒径较大的金属离子等是造成陶瓷膜堵塞和污染的主要物质,而这些物质主要带正电,由于双电层的形成,导电陶瓷膜靠近阴极室的一侧带正电,抑制阴极室带正电的微粒渗入阳极室,位于阴极室中的金属氧化物及粒径较大的金属离子远离陶瓷膜,向阴极移动,留在阴极室中;导电陶瓷膜靠近阴极室的一侧带正电,吸引阴极室中带负电荷的粒子靠近导电陶瓷膜,加速阴极室中带负电的粒子穿过陶瓷膜,向阳极移动,进入阳极室。
阴极室中,在外加直流电场作用下,发生电解水反应,产生的氢离子、废酸中的金属离子以及金属氧化物远离陶瓷膜,向阴极做定向运动,在阴极附近,氢离子优先得到电子,被还原为氢气,在氢离子浓度下降到一定浓度后,金属离子开始获得电子还原为金属单质,附着在阴极上;而产生的氢氧根离子连同酸根离子穿过导电陶瓷膜,向阳极定向运动,阳极室中的酸根离子也在电场作用下,向阳极做定向运动,阳极附近富集了氢氧根离子和酸根离子。阳极附近也发生电解水反应,产生的氢氧根离子富集在阳极,氢离子受电场力向阴极移动,在到达导电陶瓷膜靠近阳极室的一侧时,被从阴极过来的阴离子携带回到阳极;在阳极室,氢氧根离子优先失去电子,生成氧气,酸根离子结合氢离子生成酸。
本发明另一个目的是提供完成上述方法的装置,该装置包括反应器、导电陶瓷膜、阴极、阳极、直流电源Ⅰ,导电陶瓷膜将反应器分隔为阴极室和阳极室,阴极室顶端设置有废酸进口、阴极插入口以及阴极室排出口,废酸进口上设置有调节阀Ⅰ,阴极通过阴极插入口放置在阴极室中,然后与直流电源Ⅰ负极连接;阳极室顶端设置阳极插入口和阳极室排出口,阳极通过阳极插入口放置在阳极室中,然后与直流电源Ⅰ正极连接,阳极室底端设置富集酸排出口,富集酸排出口上设置有调节阀Ⅱ。
上述装置还包括直流电源Ⅱ,导电陶瓷膜连接到直流电源Ⅱ的负极。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1、在外加电场作用下,能够同时回收废酸中的酸和金属,实现资源的有效利用,回收后的废酸杂质少,浓度高;
2、在外加电场作用下,陶瓷膜起到了分离物质的作用,同时,能够利用外加电场,导电陶瓷膜能够产生极化效应,通过连接到单电极直流电源阴极,强化导电陶瓷膜极化效应,对通过陶瓷膜的带电体进行选择,有效的对抗了陶瓷膜用于分离物质过程中产生的膜污染问题,解决了膜分离物质时出现的根本问题;
3、对比其它常规废酸富集方法,本发明充分利用了陶瓷膜抗腐蚀的长处,同时能够兼顾电渗析法回收废酸以及陶瓷膜回收废酸的优点,克服常规工艺中的不足。
附图说明
图1为管式导电陶瓷膜连接接直流电源Ⅱ负极时,富集废酸同步回收金属的装置;
图2为平板式导电陶瓷膜连接接直流电源Ⅱ负极时,富集废酸同步回收金属的装置;
图3为管式导电陶瓷膜未连接接直流电源Ⅱ负极时,富集废酸同步回收金属的装置;
图中:1-反应器;2-导电陶瓷膜;3-阴极;4-阳极;5-阴极插入口;6-阳极插入口;7-废酸进口;8-调节阀Ⅰ;9-阴极室排出口;10-富集酸排出口;11-调节阀Ⅱ;12-阳极室排出口;13-直流电源Ⅰ;14-直流电源Ⅱ。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术解决方案,但本发明保护范围不局限与所述内容。
实施例1:本实施例导电陶瓷膜采用导电钛白粉对常规市售的管式微滤陶瓷膜进行涂覆,涂覆厚度为60μm,干燥后经1300℃烧结1h后制得;使用该导电陶瓷膜对含3%质量浓度硝酸废水进行处理,废水中含有1500mg/L的铜离子。
本发明方法将含硝酸的废水置于管式导电陶瓷膜隔离形成的阴极室中,在阳极室中放置质量浓度0.5%的稀硝酸,在直流电压50V作用下,电极周围产生电解水的反应;同时,废酸在直流电压作用下,发生电泳现象,带正负电荷的粒子分别向阴极和阳极做定向运动;在电泳电场作用下,导电陶瓷膜产生极化效应,导电陶瓷膜只允许带负电的粒子穿过导电陶瓷膜进入阳极室;进入阳极室的氢氧根离子优先失去电子,氧化形成氧气,同时在阳极室形成硝酸,带正电的离子向阴极移动,在阴极附近生成氢气,同时铜离子得到电子还原成铜单质,附着在阴极上。
如图3所示,完成上述方法的装置包括反应器1、管式导电陶瓷膜2、阴极3、阳极4、直流电源13,反应器1为圆柱形,管式导电陶瓷膜2将反应器1分隔为1个阴极室和1个阳极室,阴极室顶端设置有废酸进口7、阴极插入口5以及阴极室排出口9,废酸进口7设置调节阀Ⅰ8,阴极3通过阴极插入口5放置在阴极室中,然后与直流电源Ⅰ13负极连接;阳极室顶端设置阳极插入口6和阳极室排出口12,阳极4通过阳极插入口6放置在阳极室中,然后与直流电源Ⅰ13正极连接,阴极采用网状的铜电极,阳极采用片状的铜电极,阳极室底端设置富集酸排出口10,富集酸排出口10设置调节阀Ⅱ11。
采用上述装置对硝酸进行富集同步回收铜,将网状的铜电极3通过阴极插入口5放置在阴极室中,然后与直流电源Ⅰ13负极连接,将2个片状的铜电极4通过阳极插入口6放置在阳极室中,然后与直流电源Ⅰ13正极连接。将废酸通过废酸进口7注入阴极室中,将0.5%的硝酸通过阳极室排出口12注入到阳极室中;打开直流电源Ⅰ13,调节直流电源Ⅰ13,控制电压为50V,开始进行反应,并不断补充废酸,通过阴极室排出口9对氢气进行收集,通过阳极室排出口12对氧气进行收集,反应24h后,移除氢气和氧气收集装置,关闭直流电源Ⅰ13,停止反应。富集得到的硝酸通过富集酸排出口10排出进行收集,阴极室中的剩余液体通过阴极室排出口9排出。
经过24h的反应,总共反应完10L废酸,经过滴定测得富集得到的硝酸浓度为46%,富集得到的硝酸中未检测到铜离子,网状的铜电极经过干燥,测得增重14g,测得剩余液中铜离子浓度为96mg/L,铜离子去除率达到93.6%。反应前,测得导电陶瓷膜的渗透通量为658L·m-2·h-1·bar-1,反应后,导电陶瓷膜未做任何清洁处理,测得其渗透通量为613 L·m-2·h-1·bar-1,渗透通量几乎没有衰减。说明该方法可以有效的富集低浓度废酸,同步回收废酸中的铜离子,铜离子去除率达到93.6%,且导电陶瓷膜渗透通量衰减微小,该方法再有效富集废酸回收金属的同时,能够高效的抑制陶瓷膜污染。
实施例2:采用导电硫酸钡对常规的管式微滤陶瓷膜进行涂覆,涂覆厚度为40μm,干燥后经1400℃烧结0.5h后制得。使用该导电陶瓷膜对含6%质量浓度的硫酸废水进行处理,废水中含有800mg/L的锌离子。
本发明方法将含硫酸的废水置于管式导电陶瓷膜隔离形成的阴极室中,在阳极室中放置质量浓度1%的稀硫酸,在直流电压80V作用下,电极周围产生电解水的反应;同时,废酸在直流电压作用下,发生电泳现象,带正负电荷的粒子分别向阴极和阳极做定向运动;在电泳电场作用下,导电陶瓷膜产生极化效应,导电陶瓷膜只允许带负电的粒子穿过导电陶瓷膜进入阳极室;进入阳极室的氢氧根离子优先失去电子,氧化形成氧气,同时在阳极室形成硫酸,带正电的离子向阴极移动,在阴极附近生成氢气,同时锌离子得到电子还原成锌单质,附着在阴极上。
如图3所示,使用上述导电陶瓷膜的装置包括反应器1、导电陶瓷膜2、阴极3、阳极4、直流电源Ⅰ13;反应器1为圆柱形,导电陶瓷膜2将反应器1分隔为一个阴极室和一个阳极室,阴极室顶端设置有废酸进口7、阴极插入口5以及阴极室排出口9,废酸进口7设置调节阀Ⅰ8,阴极3通过阴极插入口5放置在阴极室中,然后与直流电源Ⅰ13负极连接;阳极室顶端设置阳极插入口6和阳极室排出口12,2个阳极4通过阳极插入口6放置在阳极室中,然后与直流电源Ⅰ13正极连接,阴极采用片状的锌电极,阳极采用片状的石墨电极,阳极室底端设置富集酸排出口10,富集酸排出口10设置调节阀Ⅱ11。
采用上述装置对硫酸进行富集,同步回收锌,将片状的锌电极3通过阴极插入口5放置在阴极室中,然后与直流电源Ⅰ13负极连接,将片状的石墨电极4通过阳极插入口6放置在阳极室中,然后与直流电源Ⅰ13正极连接。将废酸通过废酸进口7注入阴极室中,将1%的硫酸通过阳极室排出口12注入到阳极室中。打开直流电源Ⅰ13,调节直流电源Ⅰ13,控制电压为80V,开始进行反应,并不断补充废酸,通过阴极室排出口9对氢气进行收集,通过阳极室排出口12对氧气进行收集,反应18h后,移除氢气和氧气收集装置,关闭直流电源Ⅰ13,停止反应。富集得到的硫酸通过富集酸排出口10排出进行收集,阴极室中的剩余液体通过阴极室排出口9排出。
经过18h的反应,反应完5L废酸,经过滴定测得富集得到的硫酸浓度为48%,富集得到的硫酸中检测到有6 mg/L锌的存在,片状的锌电极经过干燥,测得增重3g,测得剩余液中锌离子浓度为152mg/L,锌离子去除率达到80.25%。反应前,测得导电陶瓷膜的渗透通量为846 L·m-2·h-1·bar-1,反应后,导电陶瓷膜未做任何清洁处理,测得其渗透通量为782L·m-2·h-1·bar-1,渗透通量减少幅度不大,随着硫酸浓度增加,部分硫酸钡与硫酸生成硫酸氢钡,影响导电陶瓷膜的性质,其极化效应不强,导致锌离子渗漏到阳极室。但该方法对比常规硫酸富集工艺,得到的酸浓度更高,并可以有效回收废酸中的锌离子,且导电陶瓷膜渗透通量衰减幅度很小,陶瓷膜污染主要是因为酸浓度增加生成硫酸氢钡所造成。
实施例3:采用导电云母粉对常规的平板式微滤陶瓷膜进行涂覆,涂覆厚度为80μm,干燥后经1350℃烧结1h后制得;使用该导电陶瓷膜对含1%质量浓度的硝酸废水进行处理,废水中含有600mg/L的亚铁离子。
本发明方法将含硝酸的废水置于平板式导电陶瓷膜隔离形成的阴极室中,在阳极室中放置质量浓度0.6%的稀硝酸,在直流电压40V作用下,电极周围产生电解水的反应;同时,废酸在直流电压作用下,发生电泳现象,带正负电荷的粒子分别向阴极和阳极做定向运动;在电泳电场作用下,导电陶瓷膜产生极化效应,同时将导电陶瓷膜与另一个直流电源的负极连接,强化导电陶瓷膜的极化效应,对带电微粒进行选择性透过,减少膜污染;在电泳现象和极化效应共同作用下,导电陶瓷膜只允许带负电的粒子穿过导电陶瓷膜进入阳极室;进入阳极室的氢氧根离子优先失去电子,氧化形成氧气,同时在阳极室形成硝酸,带正电的离子向阴极移动,在阴极附近生成氢气,同时亚铁离子得到电子还原成铁单质,附着在阴极上。
如图2所示,使用上述导电陶瓷膜的装置包括反应器1、导电陶瓷膜2、阴极3、阳极4、直流电源Ⅰ13、直流电源Ⅱ14;反应器为长方体形,导电陶瓷膜2将反应器1分隔为1个阴极室和2个阳极室,导电陶瓷膜2连接到直流电源Ⅱ14的负极,阴极室顶端设置有废酸进口7、阴极插入口5以及阴极室排出口9,废酸进口7设置调节阀Ⅰ8,阴极3通过阴极插入口5放置在阴极室中,然后与直流电源Ⅰ13负极连接;阳极室顶端设置阳极插入口6和阳极室排出口12,阳极4通过阳极插入口6放置在阳极室中,然后与直流电源Ⅰ13正极连接,阴极采用片状的铁电极,阳极采用片状的铜电极,阳极室底端设置富集酸排出口10,富集酸排出口10设置调节阀Ⅱ11。
采用上述装置对硝酸进行富集,同步回收铁,将片状的铁电极3通过阴极插入口5放置在阴极室中,然后与直流电源Ⅰ13负极连接,将片状的铜电极4通过阳极插入口6放置在阳极室中,然后与直流电源Ⅰ13正极连接。将废酸通过废酸进口7注入阴极室中,将0.6%的硝酸通过阳极室排出口12注入到阳极室中。打开直流电源Ⅰ13,调节直流电源Ⅰ13,控制电压为40V,直流电源Ⅱ14不打开,开始进行反应,并不断补充废酸,通过阴极室排出口9对氢气进行收集,通过阳极室排出口12对氧气进行收集,反应36h后,移除氢气和氧气收集装置,关闭直流电源Ⅰ13,停止反应。富集得到的硝酸通过富集酸排出口10排出进行收集,阴极室中的剩余液体通过阴极室排出口9排出。
经过36h的反应,反应完5L废酸,经过滴定测得富集得到的硝酸浓度为41%,富集得到的硝酸中检测到15mg/L亚铁离子,片状的铁电极经过干燥,测得增重1.9g,测得剩余液中亚铁离子浓度为164mg/L,亚铁离子去除率达到72.6%。反应前,测得导电陶瓷膜的渗透通量为823 L·m-2·h-1·bar-1,反应后,导电陶瓷膜未做任何清洁处理,测得其渗透通量为782L·m-2·h-1·bar-1,渗透通量几乎没有衰减。说明该方法可以有效的富集低浓度废酸,亚铁离子去除率为72.6%,阴极选用铁电极,在反应初期,阴极室中的稀硝酸将铁电极腐蚀,因此造成富集酸浓度较低,且亚铁离子去除率不高,但经过36h的反应,导电陶瓷膜几乎没有被污染,说明该方法在富集废酸回收金属的同时,能够有效的抑制陶瓷膜污染。
打开直流电源Ⅱ14,调节电压为4V,其他操作条件相同,对同样的废酸进行处理,36h后,反应完5L废酸,经过滴定测得富集得到的硝酸浓度为45%,富集得到的硝酸中检测到6mg/L亚铁离子,片状的铁电极经过干燥,测得增重2.1g,测得剩余液中亚铁离子浓度为156mg/L,亚铁离子去除率达到74%。反应前,测得导电陶瓷膜的渗透通量为823 L·m-2·h-1·bar-1,反应后,导电陶瓷膜未做任何清洁处理,测得其渗透通量为794L·m-2·h-1·bar-1。通过将导电陶瓷膜上连接在直流电源Ⅱ14的负极上,强化了导电陶瓷膜的极化效应,增强导电陶瓷膜对带电体的选择透过性,减少了陶瓷膜污染,增强了富集废酸回收金属的效率。
实施例4:采用导电聚苯胺对常规的管式微滤陶瓷膜进行涂覆,涂覆厚度为100μm,干燥后经1000℃烧结1h后制得;使用该导电陶瓷膜对含1%浓度的硫酸废水进行处理,废水中含有800mg/L的铜离子,以及600mg/L的亚铁离子。
本发明方法将含硫酸的废水置于管式导电陶瓷膜隔离形成的阴极室中,在阳极室中放置质量浓度0.5%的稀硫酸,在直流电压120V作用下,电极周围产生电解水的反应;同时,废酸在直流电压作用下,发生电泳现象,带正负电荷的粒子分别向阴极和阳极做定向运动;在电泳电场作用下,导电陶瓷膜产生极化效应,导电陶瓷膜连接到另一个直流电源负极,强化了极化效应,减少了膜污染,导电陶瓷膜只允许带负电的粒子穿过导电陶瓷膜进入阳极室;进入阳极室的氢氧根离子优先失去电子,氧化形成氧气,同时在阳极室形成硫酸,带正电的离子向阴极移动,在阴极附近生成氢气,同时铜离子和亚铁离子得到电子还原成金属单质,附着在阴极上。
如图1所示,使用上述导电陶瓷膜的装置包括反应器1、导电陶瓷膜2、阴极3、阳极4、直流电源Ⅰ13、直流电源Ⅱ14;反应器为圆柱形,导电陶瓷膜2将反应器1分隔为1个阴极室和1个阳极室,导电陶瓷膜2连接到直流电源Ⅱ14的阴极,阴极室顶端设置有废酸进口7、阴极插入口5以及阴极室排出口9,废酸进口7设置调节阀Ⅰ8,阴极3通过阴极插入口5放置在阴极室中,然后与直流电源Ⅰ13负极连接;阳极室顶端设置阳极插入口6和阳极室排出口12,阳极4通过阳极插入口6放置在阳极室中,然后与直流电源Ⅰ13正极连接,阴极采用网状的铜电极,阳极采用网状的铂电极,阳极室底端设置富集酸排出口10,富集酸排出口10设置调节阀Ⅱ11。
采用上述装置对硫酸进行富集,同步回收铜和铁,将网状的铜电极3通过阴极插入口5放置在阴极室中,然后与直流电源Ⅰ13负极连接,将网状的铂电极4通过阳极插入口6放置在阳极室中,然后与直流电源Ⅰ13正极连接。将废酸通过废酸进口7注入阴极室中,将0.5%的硫酸通过阳极室排出口12注入到阳极室中。打开电源,调节直流电源13,控制电压为120V,打开直流电源Ⅱ14,调节其电压为10V,开始进行反应,并不断补充废酸,通过阴极室排出口9对氢气进行收集,通过阳极室排出口12对氧气进行收集,反应48h后,移除氢气和氧气收集装置,关闭直流电源Ⅰ13,停止反应。富集得到的硫酸通过富集酸排出口10进行收集,阴极室中的剩余液体通过阴极室排出口9排出。
经过48h反应,共反应完10L废酸,测得富集得到的硫酸浓度为52%,富集得到的硫酸中未检测到铜离子及亚铁离子的存在,网状的铜电极经过干燥,测得增重11.5g,测得剩余液中铜离子浓度为87mg/L,铜离子去除率达到89%,测得剩余液中亚铁离子浓度为133mg/L,亚铁离子去除率达到77.8%。反应前,测得导电陶瓷膜的渗透通量为694 L·m-2·h-1·bar-1,反应后,导电陶瓷膜为做任何清洁处理,测得其渗透通量为672 L·m-2·h-1·bar-1,渗透通量几乎没有衰减。说明该方法可以有效的富集低浓度废酸,同步回收废酸中的铁和铜,但是由于氧化性强弱,铜的回收率更高,反应48h后导电陶瓷膜渗透通量几乎没有衰减,说明该方法能够高效的抑制陶瓷膜污染。
实施例5:采用导电聚苯胺对常规的平板式微滤陶瓷膜进行涂覆,涂覆厚度为80μm,干燥后经1050℃烧结0.5h后制得;使用该导电陶瓷膜对1%浓度的硫酸进行富集。
本发明方法将1%浓度的硫酸置于平板式导电陶瓷膜隔离形成的阴极室中,在阳极室中放置质量浓度0.5%的稀硫酸,在直流电压60V作用下,电极周围产生电解水的反应;同时,废酸在直流电压作用下,发生电泳现象,带正负电荷的粒子分别向阴极和阳极做定向运动;在电泳电场作用下,导电陶瓷膜产生极化效应,导电陶瓷膜连接到直流电源负极,强化了极化效应,减少了膜污染,导电陶瓷膜只允许带负电的粒子穿过导电陶瓷膜进入阳极室;进入阳极室的氢氧根离子优先失去电子,氧化形成氧气,同时在阳极室形成硫酸,带正电的离子向阴极移动,在阴极附近生成氢气。
如图2所示,使用上述导电陶瓷膜的装置包括反应器1、导电陶瓷膜2、阴极3、阳极4、直流电源Ⅰ13、直流电源Ⅱ14;反应器为长方体形,导电陶瓷膜2将反应器1分隔为1个阴极室和2个阳极室,导电陶瓷膜2连接到另一个直流电源Ⅱ14的负极,阴极室顶端设置有废酸进口7、阴极插入口5以及阴极室排出口9,废酸进口7设置调节阀Ⅰ8,阴极3通过阴极插入口5放置在阴极室中,然后与直流电源Ⅰ13负极连接;阳极室顶端设置阳极插入口6和阳极室排出口12,阳极4通过阳极插入口6放置在阳极室中,然后与直流电源Ⅰ13正极连接,阴极采用片状的铜电极,阳极采用片状的铂电极,阳极室底端设置富集酸排出口10,富集酸排出口10设置调节阀Ⅱ11。
采用上述装置对硫酸进行富集,将片状的铜电极3通过阴极插入口5放置在阴极室中,然后与直流电源Ⅰ13负极连接,将片状的铂电极4通过阳极插入口6放置在阳极室中,然后与直流电源Ⅰ13正极连接。将废酸通过废酸进口7注入阴极室中,将0.5%的硫酸通过阳极室排出口12注入到阳极室中。打开直流电源Ⅰ13,调节直流电源Ⅰ13,控制电压为60V,打开单电极直流电源14,调节其电压为5V,开始进行反应,并不断补充废酸,通过阴极室排出口9对氢气进行收集,通过阳极室排出口12对氧气进行收集,反应72h后,移除氢气和氧气收集装置,关闭直流电源Ⅰ13,停止反应。富集得到的硫酸通过富集酸排出口10排出进行收集,阴极室中的剩余液体通过阴极室排出口9排出。
经过72h的反应,共反应完5L废酸,测得富集得到的硫酸浓度为56%,反应前,测得导电陶瓷膜的渗透通量为751 L·m-2·h-1·bar-1,反应后,导电陶瓷膜为做任何清洁处理,测得其渗透通量为743 L·m-2·h-1·bar-1,渗透通量几乎无衰减。该方法能够有效富集废酸,且能够抵抗膜污染。
Claims (10)
1.一种利用导电陶瓷膜富集废酸同步回收金属的方法,其特征在于:将废酸置于导电陶瓷膜隔离形成的阴极室中,在阳极室中放置稀酸,在直流电压作用下,电极周围产生电解水的反应;同时,废酸在直流电压作用下,发生电泳现象,带正负电荷的粒子分别向阴极和阳极做定向运动;在电泳电场作用下,导电陶瓷膜产生极化效应,只允许带负电的粒子穿过导电陶瓷膜进入阳极室;进入阳极室的氢氧根离子优先失去电子,氧化形成氧气,同时在阳极室形成酸,带正电的离子向阴极移动,在阴极附近生成氢气,同时金属离子得到电子还原成金属单质,附着在阴极上。
2.根据权利要求1所述的利用导电陶瓷膜富集废酸同步回收金属的方法,其特征在于:将导电陶瓷膜连接到另一个直流电源的负极,强化导电陶瓷膜极化效应,对带电微粒进行选择性透过,在电泳现象和极化效应共同作用下,导电陶瓷膜只允许带负电的粒子穿过导电陶瓷膜进入阳极室。
3.根据权利要求1或2所述的利用导电陶瓷膜富集废酸同步回收金属的方法,其特征在于:导电陶瓷膜是使用导电粉对平板式或管式微滤陶瓷膜进行涂覆,涂覆厚度为20~100μm,干燥后在1000~1500℃下烧结而制得,其中导电粉为导电云母粉、导电钛白粉、导电硫酸钡或导电聚苯胺。
4.根据权利要求1或2所述的利用导电陶瓷膜富集废酸同步回收金属的方法,其特征在于:稀酸是指与废酸相对应的酸,质量浓度为0.5%~1%。
5.根据权利要求1所述的利用导电陶瓷膜富集废酸同步回收金属的方法,其特征在于:直流电压的电压为30V-150V,反应时间为12h~72h。
6.根据权利要求2所述的利用导电陶瓷膜富集废酸同步回收金属的方法,其特征在于:与导电陶瓷膜连接的直流电源的电压为4V-12V。
7.根据权利要求1所述的利用导电陶瓷膜富集废酸同步回收金属的方法,其特征在于:电极包括两个阳极和一个阴极,阴极和阳极采用片状或网状。
8.根据权利要求7所述的利用导电陶瓷膜富集废酸同步回收金属的方法,其特征在于:阳极为铂电极、石墨电极或铜电极,阴极为铁电极、锌电极或铜电极。
9.完成权利要求1所述利用导电陶瓷膜富集废酸同步回收金属的方法的装置,其特征在于:包括反应器(1)、导电陶瓷膜(2)、阴极(3)、阳极(4)、直流电源Ⅰ(13),导电陶瓷膜(2)将反应器(1)分隔为阴极室和阳极室,阴极室顶端设置有废酸进口(7)、阴极插入口(5)以及阴极室排出口(9),废酸进口(7)上设置有调节阀Ⅰ(8),阴极(3)通过阴极插入口(5)放置在阴极室中,然后与直流电源Ⅰ(13)负极连接;阳极室顶端设置阳极插入口(6)和阳极室排出口(12),阳极(4)通过阳极插入口(6)放置在阳极室中,然后与直流电源Ⅰ(13)正极连接,阳极室底端设置富集酸排出口(10),富集酸排出口(10)上设置有调节阀Ⅱ(11)。
10.根据权利要求9所述的装置,其特征在于:装置还包括直流电源Ⅱ(14),导电陶瓷膜(2)连接到直流电源Ⅱ(14)的负极。
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