荷电膜分离过程中的卷式组件和相关设备研究

摘要

荷电膜技术作为一种新型的分离技术，由于其独特的荷电特性，可以进行离子物系的分离分级，在绿色化学和清洁化工方面具有十分广泛的应用前景。本论文围绕荷电膜分离过程设备开发和应用方面进行了相关的研究与讨论。第一部分，针对现有板式扩散渗析器装填密度小、传质效率低的缺点，设计了一种全新的扩散渗析组器——螺旋卷式扩散渗析膜组件，并对其进行结构优化和工业化应用研究，实现了该膜组件的批量制备。第二部分，研制了一种实验用集成式双极膜电渗析器，并应用于烟酸的清洁化生产实验研究。主要结果如下:
　　1)发明了一种螺旋卷式扩散渗析膜组件，将膜组件用于H2SO4/FeSO4料液和HCl/FeCl2料液的酸回收过程，结果显示，两种体系的回收率都可达85％以上，同时Fe2+的泄漏率都小于20％，采用螺旋卷式扩散渗析膜组件的单位膜面积废酸处理量大于小型实验用板框式扩散渗析器的单位膜面积废酸处理量，说明本螺旋卷式扩散渗析膜组件的传质效率优于现有技术的板框式扩散渗析器，而对于HCl/FeCl2体系，这种优势更加明显。
　　2)基于阿基米德螺线，建立了螺旋卷式扩散渗析膜组件的几何模型，并对其进行了模型验证，误差小于1％;对螺旋卷式扩散渗析膜组件的传质模型进行了讨论分析，提出总传质系数的表达式。
　　3)作为螺旋卷式扩散渗析膜组件的结构优化，研制了一种双程螺旋卷式扩散渗析膜组件，该新型膜组件省略了侧流管，有比单程式膜组件更大的装填密度，单位膜面积料液处理量更大。
　　4)设计加工了SWDD-01型预紧式卷膜机，可实现1m2、5m2、10m2三个规格的膜组件的同线生产;提出了螺旋卷式扩散渗析膜组件产品的质量控制指标和控制方法;长期稳定性试验显示膜组件在30％硫酸介质连续运行6个月，膜组件不串漏;第三方性能测试结果显示:对于HCl/AlCl3料液样品(含Al3+0.995mol/L，H+2.96mol/L)，10平方米组件在回收酸流量达7.4mL/m2.min时H+回收率达96.9％，而Al3+截留率达99.5％;提出了螺旋卷式扩散渗析膜组件作为废酸回收工程应用的工艺流程和实现方法。
　　5)设计加工了一种集成式双极膜电渗析器，可以满足各种膜堆构型的双极膜电渗析实验的需要;进行了双极膜电渗析法由烟酸钠清洁生产烟酸的实验，使用BP-C-BP膜堆构型，考察了料液浓度、电流效率等操作参数对双极膜电渗析效果（诸如能量消耗、电流效率、膜堆电压和转化率等）的影响，在经济可行的条件下烟酸钠转化效率可达73％，电流效率最高可达95％，产生每千克烟酸(0.1mol/L)的能耗最低可达4.1kWh。所得烟酸可通过冷却结晶法简易地从溶液中析出，所得烟酸纯度达99％，实现了烟酸的清洁化生产。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 扩散渗析技术

1．2．1 扩散渗析原理

1．2．2 扩散渗析技术应用

1．2．3 扩散渗析设备

1．3 双极膜电渗析技术

1．3．1 双极膜电渗析技术原理

1．3．2 双极膜电渗析技术在有机酸生产中的应用

1．3．4 双极膜电渗析设备

1．4 研究思路和研究内容

第2章 螺旋卷式扩散渗析膜组件的研制

2．1 引言

2．2 螺旋卷式扩散渗析膜组件的结构设计

2．3 螺旋卷式扩散渗析膜组件的制备工艺

2．4 螺旋卷式扩散渗析膜组件的制备实施例

2．4．1 实施例1：有效膜面积为0．5m2的螺旋卷式扩散渗析膜组件的制备

2．4．2 实施例2：有效膜面积为10m2的螺旋卷式扩散渗析膜组件的制备

2．5 螺旋卷式扩散渗析膜组件的制备过程的补充说明

2．6 螺旋卷式扩散渗析膜组件的使用方法和原理

2．7 螺旋卷式扩散渗析膜组件的应用研究

2．7．1 回收模拟的工业钛白废酸液

2．7．2 回收模拟的钢铁酸洗废液

2．8 卷式扩散渗析成套实验设备的研制

2．8．1 卷式扩散渗析成套实验设备的设计

2．8．2 卷式扩散渗析成套实验设备的具体实施

2．9 本章小结

第3章 螺旋卷式扩散渗析膜组件的结构和工艺优化

3．1 构成螺旋卷式扩散渗析膜组件的材料优选

3．1．1 膜、网、管及胶的材料优选

3．1．2 中心管和侧流管的再设计

3．2 螺旋卷式扩散渗析膜组件的数学模拟

3．2．1 基于阿基米德螺线的螺旋卷式扩散渗析膜组件的几何构型

3．2．2 螺旋卷式扩散渗析膜组件的传质模型

3．3 双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的研制

3．3．1 双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的结构设计

3．3．2 双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的制备工艺

3．3．3 双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的制备实施例

3．3．4 双程螺旋卷式扩散渗析膜组件的使用方法和原理

3．3．5 双程螺旋卷式扩散渗析膜组件回收废酸液的初步测试

3．4 本章小结

第4章 卷膜机的设计及螺旋卷式扩散渗析膜组件的批量制备

4．1 引言

4．2 卷膜机的设计和加工

4．2．1 SWDD-01型预紧式卷膜机的设计

4．2．2 SWDD-01型预紧式卷膜机的加工

4．2 螺旋卷式扩散渗析膜组件的生产过程

4．3 螺旋卷式扩散渗析膜组件的产品检验

4．3．1 合格检验

4．3．2 长期稳定性检验

4．3．3 第三方性能测试检验

4．4 螺旋卷式扩散渗析膜组件的工程应用

4．5 本章小结

第5章 集成式双极膜电渗析器的研制及其在烟酸制备中的应用

5．1 引言

5．2 实验用集成式双极膜电渗析器的结构设计

5．3 实验用集成式双极膜电渗析器的制造过程

5．4 双极膜法清洁生产烟酸过程研究

5．4．1 实验部分

5．4．2 结果与讨论

5．4．3 小结

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果