CN113563605A - 造纸黑液木质素分离以及碱回收装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种造纸黑液木质素分离以及碱回收装置和方法；在电极槽中设置半透膜或阳离子交换膜将电极槽分隔为阳极室和阴极室，阳极室设有阳极，阴极室设有阴极；将造纸黑液流入阳极室，将水流入阴极室，并且使造纸黑液和水在阳极室和阴极室中逆向流动，同时阳极和阴极通入直流电电解，从阳极室流出含有木质素的清液，从阴极室流出含有氢氧化钠或/和氢氧化钾的碱液。本发明在保证电解反应连续进行的同时，避免了电解反应停止、干烧电极等现象的发生，减少了电能损耗和电极损耗，实现了连续式、高效率、低能耗的对造纸黑液中的木质素分离以及碱回收。

Description

造纸黑液木质素分离以及碱回收装置和方法
技术领域
本发明涉及造纸废水处理技术领域，具体涉及一种造纸黑液木质素分离以及碱回收装置和方法。
背景技术
造纸过程产生的工业废水，特别是造纸黑液，污染河川，破坏水源，危害极大。造纸黑液中的污染物主要是强碱和木质素，使用一般的化学方法或生物方法不能去除这类污染物。因此，处理造纸黑液，回收碱、木质素，实现造纸废水零排放，是当今一大研究课题。
传统的处理造纸黑液的基本原理是干馏法浓缩或者浓缩干燥后焚烧。干馏法的缺点是耗能巨大，基础设施投资费用高，增大碳排放，不利于碳中和号召。如碱法造纸，采用烧碱和纤维等为原料制造纸浆时，每生产1吨纸浆，便会产生5吨黑液。已有的较为彻底的从黑液中回收碱的方法，是将黑液加热蒸发成固体，经焚烧炉焚烧，将焚烧后的灰分加石灰溶解，再经沉淀，得到回收的液体烧碱，可再利用于造纸。这种黑液处理方法设备投资高，处理成本高，另一个缺点是黑液的主要成分木质素不能得到回收利用，白白地被烧掉。
中国专利文献CN1459420A公开了一种电渗式处理造纸黑液并回收碱和木质素的方法，其在有负电极和正电极的直流电源电场的电解室中设置半透膜，将电解室分隔为负极侧的电解室和正极侧的电解室，将清水和造纸黑液分别流经负极侧的电解室和正极侧的电解室，获得从负极侧的电解室排除的碱液、从正极侧的电解室排除的在处理液，加入氯离子沉淀剂，经分离获得含有木质素的有机物和清水。
中国专利文献CN106676572A公开了一种基于木材陶瓷电极的造纸黑液粗木质素的提取方法，包括用多孔陶瓷过滤板和阳离子交换膜将电解槽分隔为阳极室、缓冲室和阴极室，在阳极室和阴极室中分别设置多孔木材陶瓷材料作为阳极、石墨材料作为阴极，将黑液和清水分别注入阳极室和阴极室内并在低压直流电源条件下进行电解，每隔一段时间取出阳极以收集积聚在多孔木材陶瓷片上的木质素；在重复多次取出动作后，排尽阳极室内的残液，并回收浓缩在阴极室内的NaOH溶液，电解中所产生的氢气和氧气则通过气体导出管分别收集。
上述专利中公开的方法通过电解的方式对造纸黑液进行处理，实现了木质素和碱的分离回收，具有重大意义。但是，上述专利中公开的电解方法中，造纸黑液和清水均是间歇式注入阳极室和阴极室的，待电解一定时间后再放出阳极室和阴极室中的液体。该方法存在以下缺点：
1、电解一定时间后需要停车换液，电解不能连续进行。
2、电解反应开始时，阳极室和阴极室之间钠钾离子浓度差异极大，电解效率不高。电解反应末期时，阳极室和阴极室之间可能会存在钠钾离子逆浓度差，造成电解反应停止、干烧电极等现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种造纸黑液木质素分离以及碱回收装置和方法，实现连续式、高效率、低能耗的对造纸黑液中的木质素分离以及碱回收。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：
本发明提供了一种造纸黑液木质素分离以及碱回收装置，所述装置包括电解槽，所述电解槽包括设置有阳极的阳极室和设置有阴极的阴极室，所述阳极室和阴极室之间由半透膜或阳离子交换膜分隔，所述电解槽一端设有黑液流入口和碱液流出口，所述黑液流入口与阳极室连通，所述碱液流出口与阴极室连通，所述电解槽另一端设有清液流出口和水流入口，所述清液流出口与阳极室连通，所述水流入口与阴极室连通。
作为优选的技术方案，所述装置包括两个以上串联的电解槽，前一个电解槽的清液流出口与后一个电解槽的黑液流入口连通，后一个电解槽的碱液流出口与前一个电解槽的水流入口连通。
作为优选的技术方案，所述阳极为铂电极、银电极、不锈钢电极和石墨电极中的一种或几种组合，所述阴极为不锈钢电极、石墨电极和钛电极中的一种或几种组合。
本发明还提供了一种造纸黑液木质素分离以及碱回收方法，在电极槽中设置半透膜或阳离子交换膜将电极槽分隔为阳极室和阴极室，阳极室设有阳极，阴极室设有阴极；将造纸黑液流入阳极室，将水流入阴极室，并且使造纸黑液和水在阳极室和阴极室中逆向流动，同时阳极和阴极通入直流电电解，从阳极室流出含有木质素的清液，从阴极室流出含有氢氧化钠或/和氢氧化钾的碱液。
作为优选的技术方案，流入阴极室的水中还添加有氢氧化钠或/和氢氧化钾。
作为优选的技术方案，将两个以上的电解槽串联，将前一个电解槽的阳极室流出液流入后一个电解槽的阳极室，将后一个电解槽的阴极室流出液流入前一个电解槽的阴极室。
作为优选的技术方案，所述电极槽的工作电压为1.5-12V。
本发明的有益效果：
本发明创新地在造纸黑液电解中采用逆流电解技术，让造纸黑液和清水在阳极室和阴极室中逆向流动，在保证电解反应连续进行的同时，钠钾离子始终保持顺浓度梯度迁移，并且保持较为稳定的顺浓度差，避免了电解反应停止、干烧电极等现象的发生，减少了电能损耗和电极损耗，实现了连续式、高效率、低能耗的对造纸黑液中的木质素分离以及碱回收。
附图说明
图1为实施例1的工艺原理示意图；
图2为对比例1的工艺原理示意图。
图3为实施例2的工艺原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
实施例1
如图1所示一种造纸黑液木质素分离以及碱回收装置，所述装置包括电解槽1，所述电解槽1包括设置有阳极2的阳极室3和设置有阴极4的阴极室5，所述阳极室3和阴极室5之间由半透膜或阳离子交换膜6分隔，所述电解槽1一端设有黑液流入口和碱液流出口，所述黑液流入口与阳极室3连通，所述碱液流出口与阴极室5连通，所述电解槽1另一端设有清液流出口和水流入口，所述清液流出口与阳极室3连通，所述水流入口与阴极室5连通。
所述阳极为石墨电极，所述阴极为石墨电极。
电解时，将造纸黑液流入阳极室3，将水流入阴极室5，并且使造纸黑液和水在阳极室3和阴极室5中逆向流动，同时阳极2和阴极4通入直流电电解，电压为24V，从阳极室3流出含有木质素的清液，从阴极室5流出含有氢氧化钠或/和氢氧化钾的碱液。
如图1所示，造纸黑液和水在阳极室3和阴极室5中逆向流动，在阳极室3的入口端钠钾离子浓度较高，经过电解迁移，在阳极室3的出口端钠钾离子浓度降低；而在阴极室5的入口端钠钾离子浓度较低，经过电解迁移，在阴极室5的出口端钠钾离子浓度升高。因此，阳极室3和阴极室5之间钠钾离子始终保持顺浓度梯度迁移，并且保持较为稳定的顺浓度差，避免了电解反应停止、干烧电极等现象的发生，减少了电能损耗和电极损耗，实现了连续式、高效率、低能耗的对造纸黑液中的木质素分离以及碱回收。
需要说明的是：流入阴极室的水中可以适当添加氢氧化钠或/和氢氧化钾，适当提高阴极室入口端的钠钾离子浓度，以增加导电性。
对比例1
如图2所示一种造纸黑液木质素分离以及碱回收装置，与实施例1相比区别在于：所述电解槽1一端设有黑液流入口和水流入口，所述黑液流入口与阳极室3连通，所述水流入口与阴极室5连通，所述电解槽1另一端设有清液流出口和碱液流出口，所述清液流出口与阳极室3连通，所述碱液流出口与阴极室5连通。
所述阳极为石墨电极，所述阴极为石墨电极。
电解时，将造纸黑液流入阳极室3，将水流入阴极室5，并且使造纸黑液和水在阳极室3和阴极室5中同向流动，同时阳极2和阴极4通入直流电电解，电压为24V，从阳极室3流出含有木质素的清液，从阴极室5流出含有氢氧化钠或/和氢氧化钾的碱液。
如图2所示，造纸黑液和水在阳极室3和阴极室5中同向流动，在阳极室3的入口端钠钾离子浓度较高，经过电解迁移，在阳极室3的出口端钠钾离子浓度降低；而在阴极室5的入口端钠钾离子浓度较低，经过电解迁移，在阴极室5的出口端钠钾离子浓度升高。因此，电解反应开始时，阳极室3和阴极室5之间钠钾离子浓度差异极大，电解效率不高；电解反应末期时，阳极室3和阴极室5之间可能会存在钠钾离子逆浓度差，造成电解反应停止、干烧电极等现象。
按照实施例1和对比例1的方法电解完成的实验数据如下：
Figure BDA0003200825480000041
从上表中可以看出，实施例1的逆流电解与对比例1的顺流电解相比，在短短的40min电解时间内已经表现出更高的木质素以及碱回收率。
实施例2
如图3所示一种造纸黑液木质素分离以及碱回收装置，其处理流程、处理系统与实施例1相同，为提高处理量，其特点是将两个以上的电解槽1串联，前一个电解槽1的清液流出口与后一个电解槽1的黑液流入口连通，后一个电解槽1的碱液流出口与前一个电解槽1的水流入口连通。电解时，将前一个电解槽1的阳极室3流出液流入后一个电解槽1的阳极室3，将后一个电解槽1的阴极室5流出液流入前一个电解槽1的阴极室5。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种造纸黑液木质素分离以及碱回收装置，其特征在于：所述装置包括电解槽，所述电解槽包括设置有阳极的阳极室和设置有阴极的阴极室，所述阳极室和阴极室之间由半透膜或阳离子交换膜分隔，所述电解槽一端设有黑液流入口和碱液流出口，所述黑液流入口与阳极室连通，所述碱液流出口与阴极室连通，所述电解槽另一端设有清液流出口和水流入口，所述清液流出口与阳极室连通，所述水流入口与阴极室连通。
2.根据权利要求1所述的造纸黑液木质素分离以及碱回收装置，其特征在于：所述装置包括两个以上串联的电解槽，前一个电解槽的清液流出口与后一个电解槽的黑液流入口连通，后一个电解槽的碱液流出口与前一个电解槽的水流入口连通。
3.根据权利要求1或2所述的造纸黑液木质素分离以及碱回收装置，其特征在于：所述阳极为铂电极、银电极、不锈钢电极和石墨电极中的一种或几种组合，所述阴极为不锈钢电极、石墨电极和钛电极中的一种或几种组合。
4.一种造纸黑液木质素分离以及碱回收方法，其特征在于：在电极槽中设置半透膜或阳离子交换膜将电极槽分隔为阳极室和阴极室，阳极室设有阳极，阴极室设有阴极；将造纸黑液流入阳极室，将水流入阴极室，并且使造纸黑液和水在阳极室和阴极室中逆向流动，同时阳极和阴极通入直流电电解，从阳极室流出含有木质素的清液，从阴极室流出含有氢氧化钠或/和氢氧化钾的碱液。
5.根据权利要求4所述的造纸黑液木质素分离以及碱回收方法，其特征在于：流入阴极室的水中还添加有氢氧化钠或/和氢氧化钾。
6.根据权利要求4所述的造纸黑液木质素分离以及碱回收方法，其特征在于：将两个以上的电解槽串联，将前一个电解槽的阳极室流出液流入后一个电解槽的阳极室，将后一个电解槽的阴极室流出液流入前一个电解槽的阴极室。
7.根据权利要求4、5或6所述的造纸黑液木质素分离以及碱回收方法，其特征在于：所述电极槽的工作电压为1.5-12V。
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