膜蒸馏-结晶过程处理高浓度钠镁盐水的研究

摘要

全球资源的短缺和环境的污染问题愈加严重，废水的处理和回收受到广泛关注。高盐废水作为一种典型废水，直接排放造成严重的环境污染和盐分资源浪费。目前对高盐废水一般先除去挥发性有机气体，然后采用先浓缩后蒸发结晶的方式，但蒸发结晶的操作温度高，能耗较大，且对高浓度盐溶液体系的过饱和度不可调控，使得回收得到的晶体产品品质极差，影响固废处理成本和盐分资源回收效率。 针对上述难题，本论文采用膜蒸馏-结晶耦合技术处理高盐水（Na+、Mg2+//Cl--H2O），膜蒸馏浓缩高盐水具有充分利用低品质热源、分离效率高等优势，同时模拟溶液结构预测揭示晶体在膜蒸馏过程中的形成趋势，为膜蒸馏-结晶耦合技术同步实现纯水回收和盐分精制，优化耦合过程的操作工艺。 本论文使用膜蒸馏对高浓度钠镁盐水进行浓缩，首先对氯化镁浓度不同的溶液进行了膜蒸馏过程，结果发现渗透通量随着原料液中MgCl2质量分数的增加逐渐减小；原料液流速增大、渗透侧真空度增大和操作温度升高均增大渗透通量；膜蒸馏回收的水的电导率均小于5.88μS/cm；对中空纤维膜进行200h膜蒸馏测试，渗透通量保持相对稳定。 本论文使用分子动力学模拟软件Materials Studio对高浓度钠镁盐水进行溶液结构模拟，结果表明，随着溶液中MgCl2的加入以及其质量分数的增加，Na+第一层的水合数和Na+-Cl-配位数没有明显变化，而Mg2+第一层的水合数有所降低，Mg2+-Cl-配位数增大，促使Mg2+更易于Cl-形成更稳定的离子对，破坏相应的水合离子结构的稳定性，结合形成MgCl2；Na+周围的水分子排布具有随机性；Mg2+第一水合层内水分子均以O向心于Mg2+，Mg2+的水合结构更加稳定且Mg2+与水分子之间的相互作用较Na+强。 进一步，对膜蒸馏-结晶回收得到的氯化钠晶体产品的性质进行了分析，证明产品性质受操作温度和溶液中氯化镁浓度的共同作用：操作温度低于70℃和氯化镁质量分数小于7.5%时，得到的氯化钠产品具有完美的立方体形态、较平整的表面、较均一的粒度（变异系数小于31.78）；对于高温操作和高MgCl2含量得到的NaCl晶体表面不平整易造成母液夹藏，降低产品纯度，乙醇洗涤后，纯度可达99.38%以上；同时，与分子动力学模拟结果一致，随着溶液中MgCl2质量分数的增加，增大了Mg2+对Cl-的竞争能力，导致NaCl成核较晚且量较少，使得膜污染较弱；此外，膜的异相成核界面作用既可以促发产生晶种，脱落进入主体溶液促发结晶，也会出现粘附现象，降低膜的渗透通量。 综上，本文研究将为综合治理无机高盐废水，实现废水的近零排放开拓了新思路，对于水资源和无机盐资源的回收利用具有重要的实际意义。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 高盐水概述

1.1.1 高盐水来源

1.1.2 高盐水处理方法

1.1.3 高浓度钠镁盐水概述

1.2 溶液结构模拟概述

1.2.1 分子模拟概述

1.2.2 Materials Studio模拟溶液结构

1.3 膜蒸馏-结晶过程概述

1.3.1 膜蒸馏过程概述

1.3.2 膜蒸馏-结晶过程概述

1.3.3 膜蒸馏-结晶技术在高盐水中的应用

1.3.4 杂质离子对结晶的影响

1.4 选题依据及研究内容

2 高浓度钠镁盐水的膜蒸馏浓缩过程

2.1 实验部分

2.1.1 实验药品及仪器

2.1.2 实验操作流程

2.2 溶解度数据测定

2.3 膜蒸馏通量的测定

2.3.1 原料液组成对通量的影响

2.3.2 其他条件对渗透通量的影响

2.4 膜蒸馏的过程评价

2.4.1 操作条件对回收的水纯度的影响

2.4.2 长时间运行的稳定性

2.5 本章小结

3 高浓度钠镁盐水的溶液结构模拟

3.1 分子动力学模拟

3.2 阳离子的水合结构

3.3 本章小结

4 高浓度钠镁水的膜结晶过程研究

4.1 实验部分

4.1.1 实验药品及仪器

4.1.2 实验操作流程

4.2 操作条件对晶体产品性质的影响

4.2.1 操作条件对产品表面形貌的影响

4.2.2 操作条件对晶体产品粒度的影响

4.2.3 操作条件对晶体产品纯度的影响

4.3 晶体在膜表面的脱落和粘附

4.3.1 晶体在膜表面的成核机理

4.3.2 晶体在膜表面的粘附

4.4 本章小结

结论

创新点及展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢