选择性电渗析制备硫酸钾的关键科学问题研究

摘要

硫酸钾是一种重要的无氯钾肥，适用于忌氯作物。然而自然界中没有纯态的硫酸钾，现有的硫酸钾制备方法包括曼海姆法、缔置法和复分解法等。但它们存在能耗高、设备腐蚀严重等问题，因此寻找一种简单、环保及低能耗的硫酸钾制备方法显得紧迫且重要。电渗析是一种重要的电驱动膜分离过程，能够实现溶液相中目标荷电离子的单相传质，具有电流利用效率高、过程绿色等优点，被应用于海水淡化、有机酸生产、处理工业废水中。选择性电渗析(SED)是一种新型的针对相同电性离子分离的电渗析过程，在废水资源化领域有着重要应用。在此我们将选择性电渗析应用到硫酸钾的制备中，针对其关键问题展开了以下研究:
　　1研究了SED法制备硫酸钾的过程，主要考察了硫酸盐种类、电流密度和硫酸铵/氯化钾比率对实验的影响。结果显示使用硫酸铵作为硫酸盐的SED过程的能耗最低，并且硫酸铵的价格低廉，因此硫酸铵为最合适的硫酸根供应源;当电流密度为20或30mA/cm2时，制得的产品符合国家农业硫酸钾标准GB20406-2006;高的摩尔比率可以使置换过程更加完全，但会导致过多的钾离子流失，且产品中的铵根离子含量也会上升。此外，为了预测产品溶液浓度，针对产品溶液浓度建立了数学模型，结果表明产品浓度的实验值和计算值具有很好的一致性。最后，对SED过程进行初步成本计算，结果显示制备的硫酸钾成本高于市售价格，主要原因是实验装置小和单价阴离子选择性膜成本较高。
　　2针对SED过程的核心部件——单价阴离子选择性膜展开了制备工作。以溴化聚苯醚(BPPO)与叔胺为原料，探讨了接枝叔胺碳链长度、叔胺/溴甲基比率、热处理温度及膜表面复合聚吡咯对膜性能的影响。结果显示随着接枝的叔胺碳链长度增加，膜的离子选择透过性PSO4Cl增加，叔胺/溴甲基比率越小，膜的离子选择性越高，但膜面电阻也大幅上升;高温热处理能够提高膜内部的结晶度，结晶度越高的膜的致密度越高，由于膜的孔径筛分效应，膜的单价阴离子选择性有所提高，在膜表面复合聚吡咯能够提升膜表面致密度，结果显示膜表面复合聚吡咯之后PSO4Cl有大幅提高，但膜面电阻也迅速增加。对比文献报道中不同方法制备的单价阴离子交换膜，本研究中制备的膜的离子选择透过性PSO4Cl较高，不足之处是膜面电阻较高。
　　总之，本文提出了一种简单、绿色的硫酸钾制备方法，在实验室研究中制备出了合格的产品。为了进一步将该硫酸钾制备方法应用于实际，一方面需要开发性能优异的膜，另一方面还需将实验装置放大，进行中试生产研究。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 硫酸钾

1．1．1 硫酸钾的生产方法

1．2 电渗析

1．2．1 电渗析的种类

1．2．2 电渗析过程中的传质过程及数学模型

1．3 选择性电渗析

1．3．1 选择性电渗析过程中离子迁移机制

1．3．2 单价离子选择性膜

1．4．1 本论文研究来源

1．4．2 本论文研究意义

1．4．3 本论文研究的主要内容

第二章 选择性电渗析制备硫酸钾的过程研究及数学建模

2．1 引言

2．2 数学模型的建立

2．3 实验材料及方法

2．3．1 实验材料

2．3．2 实验装置

2．3．3 离子浓度测试方法

2．3．4 数据分析及处理

2．4 结果与讨论

2．4．1 硫酸盐种类的影响

2．4．2 电流密度的影响

2．4．3 (NH4)2SO4对KCl的摩尔比率的影响

2．4．4 数学模型的计算及验证

2．4．5 初步经济性分析

2．5 本章小结

第三章 单价阴离子选择性膜的制备研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 膜的制备

3．2．3 膜的表征

3．2．4 离子测定方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 不同叔胺碳链长度的膜

3．3．2 不同叔胺／溴甲基摩尔比的膜

3．3．3 不同热处理温度的膜

3．3．4 表面改性膜

3．3．5 膜在电渗析过程中的应用

3．4 本章小结

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献