CN109331663A - 双极性膜置换电渗析装置和采用双极性膜置换电渗析装置制备氢氧化锂的方法 - Google Patents

双极性膜置换电渗析装置和采用双极性膜置换电渗析装置制备氢氧化锂的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及化工生产技术领域，具体涉及一种双极性膜置换电渗析装置和采用双极性膜置换电渗析装置制备氢氧化锂的方法。本发明提供的装置中膜单元中各膜的排列方式为阳膜‑阴膜‑阳膜‑双极性膜，能够使含氯化锂废水经电渗析处理转化为纯水和高纯度氢氧化锂溶液，避免了采用常规电渗析装置时盐溶液中的阴离子通过阴膜后，还有少量阴离子会继续通过双极性膜从而导致产出的碱液纯度不高的问题。实施例结果表明，采用本发明提供的双极性膜置换电渗析装置对含氯化锂废水进行电渗析处理，产出的氢氧化锂溶液浓度可达2mol/L左右，纯度可达99.5％；电流效率可达到77％，产生每吨氢氧化锂的能耗在2000～3500千瓦时左右。

Description

双极性膜置换电渗析装置和采用双极性膜置换电渗析装置制 备氢氧化锂的方法
技术领域
本发明涉及化工生产技术领域，具体涉及一种双极性膜置换电渗析装置和采用双极性膜置换电渗析装置制备氢氧化锂的方法。
背景技术
氢氧化锂主要用于电池、润滑脂等领域。当前，氢氧化锂市场已经显露出供需紧张的苗头，其中，高纯度的氢氧化锂市场供应更趋紧张。
现如今随着双极膜电渗析技术的发展和完善，很多人使用双极膜制酸碱法制备氢氧化锂，具体是在外加反向直流电场作用下，催化层中的H2O分子在催化剂作用下解离成H+和OH-，并分别通过阳层和阴层向膜两侧的主体溶液中迁移，催化层中的H+和OH-浓度降低使得水解离反应持续不断进行；双极膜就相当于产生H+和OH-离子的水解离发生器。传统的双极膜膜堆由依次设置的一张阳膜、一张阴膜和一张双极膜组成一个膜单元，以该双极膜膜堆为基础的三隔室电渗析法制备的氢氧化锂的最高纯度是97％左右，纯度仍有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双极性膜置换电渗析装置和采用双极性膜置换电渗析装置制备氢氧化锂的方法，采用本发明提供的双极性膜置换电渗析装置能够制备得到高纯度氢氧化锂。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种双极性膜置换电渗析装置，从左到右，包括依次设置的阳极、隔板一、阳极膜、若干重复膜单元、隔板二、阳膜、隔板三、阴极膜、隔板四和阴极；
从左到右，所述膜单元包括依次设置的隔板A、阳膜、隔板B、阴膜、隔板C、阳膜、隔板D和双极性膜，所述双极性膜的阴面朝向所述阳极。
优选地，所述膜单元的个数为5～30个，相邻膜单元为叠加设置。
优选地，所述隔板二、隔板三、隔板A、隔板B、隔板C和隔板D均含有隔板流道；
所述隔板一和隔板四均为无流道隔板。
优选地，所述隔板B、隔板C和隔板D的隔板流道依次设置为氯化钠溶液循环进出流道、氯化锂溶液循环进出流道和氢氧化锂溶液循环进出流道；从左到右，第一个膜单元中隔板A的隔板流道设置为氯化钠溶液循环进出流道，其余膜单元中隔板A的隔板流道设置为氢氧化钠溶液循环进出流道。
优选地，从左到右，将所述膜单元依次划分为四个隔室，其中，隔室二的左侧为阳膜，右侧为阴膜；隔室三的左侧为阴膜，右侧为阳膜；隔室四的左侧为阳膜，右侧为双极性膜的阴面；第一个膜单元的隔室一的左侧为阳极膜，右侧为阳膜，其余膜单元的隔室一的左侧为双极性膜的阳面，右侧为阳膜；
所述隔室二的流道连通所述隔板B的氯化钠溶液循环进出流道；
所述隔室三的流道连通所述隔板C的氯化锂溶液循环进出流道；
所述隔室四的流道连通所述隔板D的氢氧化锂溶液循环进出流道；
第一个膜单元的隔室一的流道连通隔板A的氯化钠溶液循环进出流道，其余膜单元的隔室一的流道连通隔板A的氢氧化钠溶液循环进出流道。
本发明提供了采用上述技术方案所述双极性膜置换电渗析装置制备氢氧化锂的方法，包括以下步骤：
向所述双极性膜置换电渗析装置中分别通入氯化锂溶液、氢氧化钠溶液、氯化钠溶液和氢氧化锂溶液，开泵打循环，在恒电压条件下进行电渗析，得到氢氧化锂。
优选地，向所述膜单元的隔室一中通入所述氢氧化钠溶液、向隔室二中通入所述氯化钠溶液、向隔室三中通入所述氯化锂溶液，向隔室四中通入所述氢氧化锂溶液。
优选地，所述氢氧化钠溶液、氯化钠溶液、氯化锂溶液和氢氧化锂溶液的体积比为3：(2.8～3.2)：(1.8～2.2)：(0.8～1.2)，开泵打循环后各溶液的流量独立地为115～125L/h。
优选地，所述氯化锂溶液和氢氧化钠溶液的初始质量浓度独立为5～15％；所述氯化钠溶液和氢氧化锂溶液的初始质量浓度均为零。
优选地，所述电渗析过程中对每个膜单元施加的电压为1.5～2.5V，电流密度为200～600A/m2。
本发明提供了一种双极性膜置换电渗析装置，本发明提供的装置中膜单元中各膜的排列方式为阳膜-阴膜-阳膜-双极性膜，能够使含氯化锂废水经电渗析处理转化为纯水(能够达到国家规定的排放标准，无环境污染问题)和高纯度氢氧化锂溶液，避免了采用常规电渗析装置时盐溶液中的阴离子通过阴膜后，还有少量阴离子会继续通过双极性膜从而导致产出的碱液纯度不高的问题。同时，在电渗析处理过程中会产出氯化钠溶液，所述氯化钠溶液可进行传统双极膜电渗析重新生成氢氧化钠和盐酸，产出的氢氧化钠作为原料重新用于本发明所述电渗析处理过程中，无需向外购买。实施例结果表明，采用本发明提供的双极性膜置换电渗析装置对含氯化锂废水进行电渗析处理，产出的氢氧化锂溶液浓度可达2mol/L左右，纯度可达99.5％；电流效率可达到77％，产生每吨氢氧化锂的能耗在2000～3500千瓦时左右。
此外，本发明提供的双极性膜置换电渗析装置结构简单、操作方便，较传统工艺具有成本低、收率高、无三废排放等优点。
附图说明
图1为本发明中双极性膜置换电渗析装置的结构示意图，图中，1为阳极，2-1为阳极膜，2-2为阴极膜，3为阴膜，4为阳膜，5为双极性膜，6为阴极，7为隔板；
图2为本发明中双极性膜置换电渗析装置的实物图；
图3为采用本发明中双极性膜置换电渗析装置制备氢氧化锂的原理示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种双极性膜置换电渗析装置，从左到右，包括依次设置的阳极、隔板一、阳极膜、若干重复膜单元、隔板二、阳膜、隔板三、阴极膜、隔板四和阴极；
从左到右，所述膜单元包括依次设置的隔板A、阳膜、隔板B、阴膜、隔板C、阳膜、隔板D和双极性膜，所述双极性膜的阴面朝向所述阳极。
本发明提供的双极性膜置换电渗析装置的结构示意图如1所示，其中，1为阳极，2-1为阳极膜，2-2为阴极膜，3为阴膜，4为阳膜，5为双极性膜，6为阴极，7为隔板。
在本发明中，所述膜单元的个数可以根据实际需要和装置尺寸增减；作为本发明的一个实施例，所述膜单元的个数可以为5～30个，相邻膜单元为叠加设置。
作为本发明的一个实施例，所述隔板二、隔板三、隔板A、隔板B、隔板C和隔板D均含有隔板流道；所述隔板一和隔板四均为无流道隔板。
作为本发明的一个实施例，所述隔板B、隔板C和隔板D的隔板流道依次设置为氯化钠溶液循环进出流道、氯化锂溶液循环进出流道和氢氧化锂溶液循环进出流道；从左到右，第一个膜单元中隔板A的隔板流道设置为氯化钠溶液循环进出流道，其余膜单元中隔板A的隔板流道设置为氢氧化钠溶液循环进出流道。
作为本发明的一个实施例，从左到右，将所述膜单元依次划分为四个隔室，其中，隔室二的左侧为阳膜，右侧为阴膜；隔室三的左侧为阴膜，右侧为阳膜；隔室四的左侧为阳膜，右侧为双极性膜的阴面；第一个膜单元的隔室一的左侧为阳极膜，右侧为阳膜，其余膜单元的隔室一的左侧为双极性膜的阳面，右侧为阳膜；
所述隔室二的流道连通所述隔板B的氯化钠溶液循环进出流道；
所述隔室三的流道连通所述隔板C的氯化锂溶液循环进出流道；
所述隔室四的流道连通所述隔板D的氢氧化锂溶液循环进出流道；
第一个膜单元的隔室一的流道连通隔板A的氯化钠溶液循环进出流道，其余膜单元的隔室一的流道连通隔板A的氢氧化钠溶液循环进出流道。
在本发明的实施例中，所述双极性膜置换电渗析装置的实物图如图2所示，所述双极性膜置换电渗析装置的侧面设置有电极液进水口，起导电作用，不进入隔室；所述双极性膜置换电渗析装置的正面设置有上下两排水嘴(共8个水嘴，其中，上排四个分别对应四个隔室的出水口，下排四个分别对应四个隔室的进水口)，通过设置在正面的所述水嘴向所述双极性膜置换电渗析装置中分别通入氯化锂溶液、氢氧化钠溶液、氯化钠溶液和氢氧化锂溶液，进行电渗析制备氢氧化锂。
本发明对于所述阳膜、阴膜和双极性膜的种类以及尺寸没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的阳膜、阴膜和双极性膜即可。在本发明的实施例中，所述阳膜、阴膜和双极性膜的规格具体为200mm×400mm，单张膜的有效面积为0.0527m2。
本发明对于所述阳极、阴极和隔板的种类以及尺寸没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的阳极、阴极和隔板即可。在本发明中，所述阴极和阳极优选为钛涂钌铱电极；所述隔板的材质优选为聚丙烯材料，所述隔板的厚度优选为0.07cm，有效宽度优选为17cm。
本发明对于所述阳极膜和阴极膜没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的阳极膜和阴极膜即可。
本发明提供了采用上述技术方案所述双极性膜置换电渗析装置制备氢氧化锂的方法，包括以下步骤：
向所述双极性膜置换电渗析装置中分别通入氯化锂溶液、氢氧化钠溶液、氯化钠溶液和氢氧化锂溶液，开泵打循环，在恒电压条件下进行电渗析，得到氢氧化锂。
在本发明的实施例中，所述双极性膜置换电渗析装置优选采用下进上出的进料方式。
在本发明的实施例中，优选向所述膜单元的隔室一中通入所述氢氧化钠溶液、向隔室二中通入所述氯化钠溶液、向隔室三中通入所述氯化锂溶液，向隔室四中通入所述氢氧化锂溶液。在本发明中，所述氢氧化钠溶液、氯化钠溶液、氯化锂溶液和氢氧化锂溶液的体积比为3：(2.8～3.2)：(1.8～2.2)：(0.8～1.2)，更优选为3：3：2：1；开泵打循环后各溶液的流量优选独立地为115～125L/h，更优选为120L/h。
在本发明中，所述氯化锂溶液的初始质量浓度优选为5～15％。本发明对于所述氯化锂溶液的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的来源即可；本发明优选将化工生产中排出的氯化锂废水经过常规预处理方法(如絮凝沉淀、精密过滤除去杂质微粒)处理后达到透明程度的氯化锂溶液作为待处理氯化锂溶液。
在本发明中，所述氢氧化钠溶液的初始质量浓度优选为5～15％。为了保证使氯化锂溶液中氯化锂完全转化为氢氧化锂，且保证氢氧化钠溶液能够充分利用，避免造成浪费，本发明优选控制所述氢氧化钠溶液的质量浓度与所述氯化锂溶液的质量浓度一致。
在本发明中，所述氯化钠溶液和氢氧化锂溶液的初始质量浓度均为零，具体的，可以采用纯水作为初始氯化钠溶液和氢氧化锂溶液。
在本发明中，所述电渗析过程中对每个膜单元施加的电压为1.5～2.5V，电流密度为200～600A/m2。本发明对于所述电渗析的时间没有特殊的限定，在实际处理过程中，根据膜单元的个数和处理能力，保证最终能够得到符合要求的目标产物即可。
在本发明中，所述电渗析所采用的电极液优选为硫酸钠溶液，所述硫酸钠溶液的浓度优选为0.4～0.6mol/L。
图3为采用本发明中双极性膜置换电渗析装置制备氢氧化锂的原理示意图(以非第一个膜单元为例)，初始情况下，向隔室一通入预先配制好的氢氧化钠溶液(初始质量浓度为5～15％，作为氢氧化钠循环液)，向隔室二通入纯水(作为氯化钠循环液)，向隔室三通入待处理氯化锂溶液(初始质量浓度为5～15％，作为氯化锂循环液)，向隔室四通入纯水(作为氢氧化锂循环液)；当各循环液在所需流量范围内稳定循环后，对所述双极性膜置换电渗析装置施加恒电压进行电渗析，随着溶液在膜单元中的离子迁移，电流会慢慢增加，隔室一中的氢氧化钠溶液浓度和隔室三中的氯化锂溶液浓度会越来越低，隔室二中产出氯化钠溶液，所述氯化钠溶液可进传统双极膜电渗析重新生成氢氧化钠和盐酸，产出的氢氧化钠可供隔室一所用，无需向外购买；同时隔室四产出高纯度的氢氧化锂溶液，浓度可达2mol/L左右(所述氢氧化锂溶液内氯离子浓度为0.006mol/L左右)，经蒸发结晶处理后得到目标产物氢氧化锂，纯度可达99.5％。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
采用本发明提供的双极性膜置换电渗析装置进行电渗析，所述双极性膜置换电渗析装置中包括8个膜单元，膜的规格200mm×400mm，单张膜的有效面积为0.0527m2，8个膜单元的总有效面积为0.4216m2；隔板厚度为0.07cm，隔板有效宽度为17cm，隔板的材质为聚丙烯材料；阴极和阳极均为钛涂钌铱电极；电极液为浓度为0.5mol/L的硫酸钠溶液；
将经过预处理的质量含量为5％的氯化锂废水3L通入双极膜置换电渗析装置的隔室三中，隔室一中通入质量含量为5％的氢氧化钠溶液3L，隔室二中通入纯水2L，隔室四中通入纯水1L，开泵打循环，控制各液流的流量为120L/h；当流量稳定后，施加恒电压20V进行电渗析(所采用的电极液为0.5mol/L硫酸钠溶液)45min；电渗析完成后，所述双极性膜置换电渗析装置的隔室二产出NaCl溶液(可进传统双极膜电渗析重新生成氢氧化钠和盐酸，产出的氢氧化钠可供隔室一所用)，隔室四产出LiOH溶液(LiOH溶液的浓度为2.04mol/L，氯离子浓度为0.006mol/L)，经蒸发结晶处理后得到目标产物氢氧化锂，纯度可达99.5％。
根据实验数据和检测数据可计算出本实例的每个膜单元的电压为1.84V，电流密度为320A/m2，目标产物氢氧化锂中的氯离子含量为0.44％，电流效率为65％，产出每吨氢氧化锂的能耗为2450千瓦时。
实施例2
按照实施例1的步骤进行电渗析，其中，经过预处理的氯化锂废水的质量含量为10％，氢氧化钠溶液的质量含量为10％；电渗析时间为40min；电渗析完成后，隔室四产出LiOH溶液(LiOH溶液的浓度为2mol/L，氯离子浓度为0.006mol/L)，经蒸发结晶处理后得到目标产物氢氧化锂，纯度可达99.6％。
根据实验数据和检测数据可计算出本实例的每个膜单元的电压为1.86V，电流密度为327A/m2，目标产物氢氧化锂中的氯离子含量为0.43％，电流效率为75％，产出每吨氢氧化锂的能耗为3218千瓦时。
实施例3
按照实施例1的步骤进行电渗析，其中，经过预处理的氯化锂废水的质量含量为13％，氢氧化钠溶液的质量含量为13％；电渗析时间为40min；电渗析完成后，隔室四产出LiOH溶液(LiOH溶液的浓度为2mol/L，氯离子浓度为0.006mol/L)，经蒸发结晶处理后得到目标产物氢氧化锂，纯度可达99.6％。
根据实验数据和检测数据可计算出本实例的每个膜单元的电压为1.86V，电流密度为367A/m2，目标产物氢氧化锂中的氯离子含量为0.44％，电流效率为77％，产出每吨氢氧化锂的能耗为3418千瓦时。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双极性膜置换电渗析装置，其特征在于，从左到右，包括依次设置的阳极、隔板一、阳极膜、若干重复膜单元、隔板二、阳膜、隔板三、阴极膜、隔板四和阴极；
从左到右，所述膜单元包括依次设置的隔板A、阳膜、隔板B、阴膜、隔板C、阳膜、隔板D和双极性膜，所述双极性膜的阴面朝向所述阳极。
2.根据权利要求1所述的双极性膜置换电渗析装置，其特征在于，所述膜单元的个数为5～30个，相邻膜单元为叠加设置。
3.根据权利要求1或2所述的双极性膜置换电渗析装置，其特征在于，所述隔板二、隔板三、隔板A、隔板B、隔板C和隔板D均含有隔板流道；
所述隔板一和隔板四均为无流道隔板。
4.根据权利要求3所述的双极性膜置换电渗析装置，其特征在于，所述隔板B、隔板C和隔板D的隔板流道依次设置为氯化钠溶液循环进出流道、氯化锂溶液循环进出流道和氢氧化锂溶液循环进出流道；从左到右，第一个膜单元中隔板A的隔板流道设置为氯化钠溶液循环进出流道，其余膜单元中隔板A的隔板流道设置为氢氧化钠溶液循环进出流道。
5.根据权利要求4所述的双极性膜置换电渗析装置，其特征在于，从左到右，将所述膜单元依次划分为四个隔室，其中，隔室二的左侧为阳膜，右侧为阴膜；隔室三的左侧为阴膜，右侧为阳膜；隔室四的左侧为阳膜，右侧为双极性膜的阴面；第一个膜单元的隔室一的左侧为阳极膜，右侧为阳膜，其余膜单元的隔室一的左侧为双极性膜的阳面，右侧为阳膜；
所述隔室二的流道连通所述隔板B的氯化钠溶液循环进出流道；
所述隔室三的流道连通所述隔板C的氯化锂溶液循环进出流道；
所述隔室四的流道连通所述隔板D的氢氧化锂溶液循环进出流道；
第一个膜单元的隔室一的流道连通隔板A的氯化钠溶液循环进出流道，其余膜单元的隔室一的流道连通隔板A的氢氧化钠溶液循环进出流道。
6.采用权利要求1～5任一项所述双极性膜置换电渗析装置制备氢氧化锂的方法，包括以下步骤：
向所述双极性膜置换电渗析装置中分别通入氯化锂溶液、氢氧化钠溶液、氯化钠溶液和氢氧化锂溶液，开泵打循环，在恒电压条件下进行电渗析，得到氢氧化锂。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，向所述膜单元的隔室一中通入所述氢氧化钠溶液、向隔室二中通入所述氯化钠溶液、向隔室三中通入所述氯化锂溶液，向隔室四中通入所述氢氧化锂溶液。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述氢氧化钠溶液、氯化钠溶液、氯化锂溶液和氢氧化锂溶液的体积比为3：(2.8～3.2)：(1.8～2.2)：(0.8～1.2)，开泵打循环后各溶液的流量独立地为115～125L/h。
9.根据权利要求6～8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述氯化锂溶液和氢氧化钠溶液的初始质量浓度独立为5～15％；所述氯化钠溶液和氢氧化锂溶液的初始质量浓度均为零。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述电渗析过程中对每个膜单元施加的电压为1.5～2.5V，电流密度为200～600A/m2。
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