CN108147508A - 一种料液中单价阴离子选择性脱除方法 - Google Patents

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郑瑜
沈江南
施文慧
逄霄
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Abstract

本发明公开了一种料液中单价阴离子选择性脱除方法。它利用阴离子交换膜对单价离子的选择性透过，结合电容去离子单元的吸附作用，在脱除实验装置中对料液中的单价阴离子的有效去除。本发明通过使用不同的单价阴离子选择性交换膜结合电容去离子技术，对于一定组分、pH、浓度的料液，采用一定的操作电压、进料流速、操作时间、实现了选择性脱除单价阴离子，本方法工艺流程简单易于操作，成本低效率高，绿色环保。

Description

一种料液中单价阴离子选择性脱除方法
技术领域
本发明属于环境污染与治理技术领域，涉及水处理技术，具体涉及一种料液中单价阴离子选择性脱除方法。
背景技术
近几十年来，随着经济增长，城镇化和工业化，发展中国家大量的水资源受到污染。由于各种生态因素，无论是自然还是人为的，许多地区的地下水中都含有各种有害污染物，如氟化物，硝酸盐，硫酸盐，农药，其他重金属等。传统脱盐技术往往由于不够稳定的产水水质或是昂贵的安装和维护成本等各种因素受到极大的制约。
电容去离子（CDI），由于其低成本，节能且环保的优点发展为一种新兴的脱盐技术。一个CDI单元由一对相对放置的多孔电极与隔膜构成。进料水流过间隔物通道，同时对多孔电极对施加直流电压，进料液中的盐离子在电场力的作用下被定向吸附固定至多孔电极上，从而实现脱盐。膜电容去离子（MCDI）是近年来在 CDI 基础上发展起来的新技术。相比 CDI，离子交换膜的引入提高了MCDI 脱盐性能，降低了能耗，是一种具有很大发展潜力的新型绿色脱盐技术。
传统的 MCDI 在脱盐时，离子交换膜可以透过全部带同种电荷的离子，例如，阳离子交换膜能透过所有阳离子，阴离子交换膜能透过所有阴离子，而对于同种电荷不同价态的离子没有选择透过性。实际的工程应用中，往往仅需要选择性吸附某种离子，仍使用普通离子交换膜会造成能量浪费。因此，对单价离子选择性吸附成为本项目的着眼点。本专利旨在开发出一种料液中单价阴离子选择性脱除方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种料液中单价阴离子选择性脱除方法。
所述的一种料液中单价阴离子选择性脱除方法，其特征在于利用阴离子交换膜对单价离子的选择性透过，结合电容去离子单元的吸附作用，在脱除实验装置中对料液中的单价阴离子的有效去除。
所述的一种料液中单价阴离子选择性脱除方法，其特征在于脱除实验装置包括放置料液的循环池，循环池内通过蠕动泵与电容去离子单元形成循环体系，电容去离子单元连接直流电源，直流电源上设有万用表，循环池上设有电导率仪，电导率仪与直流电源分别连接电脑主机，电容去离子单元包括两个隔板及分别设置在隔板内侧的电极，阴离子交换膜位于其中一个电极内侧，阳离子交换膜位于另一个电极内侧。
所述的一种料液中单价阴离子选择性脱除方法，其特征在于阴离子交换膜为单价选择性阴离子交换膜，选自ASV或ACS。
所述的一种料液中单价阴离子选择性脱除方法，其特征在于电极的材料为石墨材料、活性炭材料或碳气凝胶材料。
所述的一种料液中单价阴离子选择性脱除方法，其特征在于料液为NaCl、Na2SO4或NaCl和Na2SO4，料液浓度为0.2-50 mM，优选为0.5-2.0 mM。
所述的一种料液中单价阴离子选择性脱除方法，其特征在于料液为pH为4-10。
所述的一种料液中单价阴离子选择性脱除方法，其特征在于直流电源的操作电压为0.2-10 V，优选为1.0-1.4 V。
所述的一种料液中单价阴离子选择性脱除方法，其特征在于料液的进料流速为10-60 mL/min，优选为30 mL/min。
所述的一种料液中单价阴离子选择性脱除方法，其特征在于脱除时间为5-15min。
通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明通过使用不同的单价阴离子选择性交换膜结合电容去离子技术，对于一定组分、pH、浓度的料液，采用一定的操作电压、进料流速、操作时间、实现了选择性脱除单价阴离子，本方法工艺流程简单易于操作，成本低效率高，绿色环保。
附图说明
图1 为本发明的脱除实验装置结构示意图；
图2为本发明的电容去离子单元（MCDI单元）结构示意图；
图3a为本发明不同进料流速下阴离子去除率线性图；
图3b为本发明不同进料流速下单价阴离子相对多价阴离子选择性透过系数图；
图4a为本发明不同脱除时间下阴离子去除率线性图；
图4b为本发明不同脱除时间下单价阴离子相对多价阴离子选择性透过系数图；
图 5为本发明不同料液pH下单价阴离子相对多价阴离子选择性透过系数图；
图6 为本发明不同料液组分的阴离子去除率图。
图中：1-循环池，2-蠕动泵，3-电容去离子单元，301-隔板， 302-电极，303-阴离子交换膜，304-阳离子交换膜，4-直流电源，5-万用表，6-电脑主机，7-电导率仪。
具体实施方式
下面对本发明的实施例进行详细阐述，以使本发明的内容特点易于被本领域中的研究人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为详实的界定。然而本发明不由以下实施例限定。
如图1-2所示，本发明的一种料液中单价阴离子选择性脱除方法采用的脱除实验装置，包括放置料液的循环池1，循环池1内通过蠕动泵2与电容去离子单元3形成循环体系，电容去离子单元3连接直流电源4，直流电源4上设有万用表5，循环池1上设有电导率仪7，电导率仪7与直流电源4分别连接电脑主机6，电容去离子单元3包括两个隔板301及分别设置在隔板内侧的电极302，阴离子交换膜303位于其中一个电极302内侧，阳离子交换膜304位于另一个电极302内侧，本发明的阴离子交换膜为单价选择性阴离子交换膜，选自ASV或ACS，电极302的材料为石墨材料、活性炭材料或碳气凝胶材料。
本发明实施例中采用的阴离子交换膜分别为ASV和ACS，电极302采用活性炭材料，将料液放置于循环池1，料液在蠕动泵2的作用下在循环池1、蠕动泵2与电容去离子单元3中进行循环，在直流电源4通电作用下，料液中的不同阴离子在电容去离子单元3的阴离子交换膜303中选择性透过，在脱除过程中通过电导率仪7测得其电导率的变化，再采用离子色谱分析各阴离子的浓度，计算其选择性透过系数。
实施例1
配置1 mM的NaCl和Na2SO4的混合溶液50 mL并调节pH至7，将配置好的溶液倒入循环池内，开启蠕动泵，直流电源，控制料液流速为30 mL/min，操作电压为1.2 V恒压，开始单价阴离子选择性脱除。10 min后取循环池内溶液利用离子色谱分析Cl-和SO4 2- 的浓度，并计算Cl-相对SO4 2- 选择性透过值。为了比较离子浓度的影响，改变混合溶液浓度为0.5 mM，2.0mM，其他条件不变，分别进行实验。
结果从图5可以看出，0.5 mM，1.0 mM，2.0 mM三种不同进料浓度条件下Cl-相对SO4 2- 选择性透过系数均大于1，也就是说都达到了单价阴离子的选择性脱除。但随着进料浓度的增加选择性透过系数略有下降。
实施例 2
上述实例1中的步骤不变，改变操作电压为1.0 V，1.2 V，1.4 V，其他条件不变，分别进行实验，随着电压的增加氯离子和硫酸根离子的去除率都不断增加，但由于水的电解电压约为1.23V，过高的电压反而会导致能量的浪费，然而当电压过低时难以实现令人满意的选择性去除单价离子。
实施例 3
上述实例1中的步骤不变，改变料液流速为10 mL/min，30 mL/min，60 mL/min其他条件不变，分别进行实验，结果如图3a和图3b所示，从图中可以得出，当流速低时，处理水的循环率也低，这将阻碍离子去除。更重要的是，如果流速太低，在间隔区域会产生死区，从而导致性能下降。另一方面，较高的流速导致较强的水流湍流，这会影响电极上阴离子的吸附。增加流速也会缩短停留时间，使离子与电极接触的时间减少。因此，当流速为30 mL / min时，选择性系数高于10 mL / min和60 mL / min。
实施例 4
上述实例1中的步骤不变，改变操作时间为5 min，10 min，15 min，其他条件不变，分别进行实验，结果如图4a和图4b所示，从图中可以得出，随着操作时间的延长，选择性系数逐渐降低，这意味着长时间的操作不利于氯离子的选择性脱除。但是当操作时间太短，氯离子的去除率有限，无法高效的脱除
实施例 5
上述实例1中的步骤不变，改变料液pH为4，7，10，其他条件不变，分别进行实验，结果如图5所示，从图中可以得出，料液pH为4，7，10选择性系数均大于1.0，这表明选择性吸附可以在一个较宽的pH范围内实现。
实施例 6
上述实例1中的步骤不变，改变料液组分为NaCl，Na2SO4，NaCl和Na2SO4，
其他条件不变，分别进行实验，结果如图6所示，从图中可以得出，当料液存在多种离子时，吸附时离子间相互竞争，但由于单价选择性阴离子交换膜的存在，往往单价离子会优先被吸附。

Claims (9)

1.一种料液中单价阴离子选择性脱除方法，其特征在于利用阴离子交换膜对单价离子的选择性透过，结合电容去离子单元的吸附作用，在脱除实验装置中对料液中的单价阴离子的有效去除。
2.根据权利要求1所述的一种料液中单价阴离子选择性脱除方法，其特征在于脱除实验装置包括放置料液的循环池（1），循环池（1）内通过蠕动泵（2）与电容去离子单元（3）形成循环体系，电容去离子单元（3）连接直流电源（4），直流电源（4）上设有万用表（5），循环池（1）上设有电导率仪（7），电导率仪（7）与直流电源（4）分别连接电脑主机（6），电容去离子单元（3）包括两个隔板（301）及分别设置在隔板内侧的电极（302），阴离子交换膜（303）位于其中一个电极（302）内侧，阳离子交换膜（304）位于另一个电极（302）内侧。
3.根据权利要求2所述的一种料液中单价阴离子选择性脱除方法，其特征在于阴离子交换膜为单价选择性阴离子交换膜，选自ASV或ACS。
4.根据权利要求2所述的一种料液中单价阴离子选择性脱除方法，其特征在于电极（302）的材料为石墨材料、活性炭材料或碳气凝胶材料。
5.根据权利要求1-3任一所述的一种料液中单价阴离子选择性脱除方法，其特征在于料液为NaCl、Na2SO4或NaCl和Na2SO4，料液浓度为0.2-50 mM，优选为0.5-2.0 mM。
6.根据权利要求1-3任一所述的一种料液中单价阴离子选择性脱除方法，其特征在于料液为pH为4-10。
7.根据权利要求1-3任一所述的一种料液中单价阴离子选择性脱除方法，其特征在于直流电源（4）的操作电压为0.2-10 V，优选为1.0-1.4 V。
8.根据权利要求1-3任一所述的一种料液中单价阴离子选择性脱除方法，其特征在于料液的进料流速为10-60 mL/min，优选为30 mL/min。
9.根据权利要求1-3任一所述的一种料液中单价阴离子选择性脱除方法，其特征在于脱除时间为5-15 min。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105646924A (zh) * 2016-03-29 2016-06-08 郑州大学 一种单价阴离子选择性离子交换膜及其制备方法
DE202018101907U1 (de) * 2018-04-09 2019-07-10 Grünbeck Wasseraufbereitung GmbH Vorrichtung zur Deionisation eines Fluids mit darin gelösten Ionen, insbesondere von Wasser

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Title
刘玉荣: "《碳材料在超级电容器中的应用》", 31 January 2013 *
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