離子交換膜DD、ED和EED過程分離鋁酸鈉料液.pdf

1、氧化鋁的生產(chǎn)方法主要為拜耳法。傳統(tǒng)的拜耳法在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量堿性料液即鋁酸鈉料液，其成分主要為NaOH和NaAl(OH)4。目前對該料液主要的處理方法是引入晶種，并不斷攪拌沉淀Al(OH)3，上層清液作為母液循環(huán)使用。然而，料液中NaOH濃度非常高，嚴(yán)重影響了Al(OH)3的結(jié)晶速度和產(chǎn)率，且母液中NaOH的純度也不高，不利于其循環(huán)使用。為了解決以上問題，我們提出在引入晶種和沉淀Al(OH)3前，先用離子交換膜擴散滲析(DD)、電滲

2、析(ED)和電解電滲析(EED)過程對上述料液進(jìn)行分離，以降低鋁酸鈉料液中NaOH的濃度，從而提高Al(OH)3的結(jié)晶速度和產(chǎn)率，同時母液中NaOH的純度也會相應(yīng)地提高。其中，DD分離時，料液中的Na+會透過陽離子交換膜(CEM)進(jìn)入水側(cè);由于要保持溶液的電中性，料液中的OH-也會透過CEM進(jìn)入水側(cè)，而Al(OH)4-由于尺寸較大而被CEM攔截，從而實現(xiàn)NaOH和NaAl(OH)4的有效分離。ED分離時，在直流電場驅(qū)動下，料液中Na+透

3、過CEM遷移至回收室;OH-和Al(OH)4-均會透過陰離子交換膜(AEM)從料液室向回收室遷移，由于Al(OH)4-水合離子半徑較大，遷移速度較小，為OH-的1/3，較容易被AEM攔截，因此，ED對鋁酸鈉料液的分離也是可行的。EED分離時，水被電解生產(chǎn)OH-，陽極室料液中的Na+透過CEM遷移至陰極室（回收室）與OH-結(jié)合，從而生成和回收NaOH。本文主要考察了不同過程及不同操作參數(shù)對分離性能的影響，共分為五章，內(nèi)容分別如下:

4、　　第一章首先闡述了拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的過程，以及存在的問題。然后提出使用離子交換膜DD、ED和EED過程來解決以上問題。最后對每種過程的原理、目前應(yīng)用的領(lǐng)域等進(jìn)行了詳細(xì)論述，同時對鋁酸鈉溶液分離的可行性也進(jìn)行了詳細(xì)分析。
　　第二章是利用DD和ED過程對鋁酸鈉料液進(jìn)行分離?？疾炝诉\行時間對DD結(jié)果，以及料液濃度和電流密度對ED結(jié)果的影響，同時對膜污染也進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，DD運行4h后沒有明顯的膜污染;鋁泄漏率(ηAl(OH)4

5、-）非常低，僅為0.6％;回收液的苛性比（αk）高達(dá)17.8。不過因為DD過程的驅(qū)動力為膜兩側(cè)濃度差，沒有外加壓力或電場，所以回收液中堿的濃度較低，堿回收率（ηOH-）僅為6.3％。在ED過程中ηOH-得到了大幅度提高，當(dāng)料液中OH-濃度為～1.55 mol/L，電流密度為350 mA/cm2時，ηOH-為48.0％;ηAl(OH)4-和αk分別為12.6％和7.9，均能滿足工業(yè)要求;此外電流效率為62.5％，能耗為12.43 kW h

6、/kg。綜合比較，DD過程具有低能耗、低膜污染和環(huán)境友好等優(yōu)勢，但回收率低;ED過程則可在短時間內(nèi)實現(xiàn)較高的堿回收率，具有較高的處理能力，在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)過程中更具有優(yōu)勢。不過以上實驗中，ηOH-仍不夠高，能耗較高，且沒有通過重復(fù)性實驗(RBEs)系統(tǒng)考察ED運行的穩(wěn)定性，為此，進(jìn)行了第三章的后繼研究。
　　第三章首先對ED膜堆構(gòu)型進(jìn)行了優(yōu)化，以提高ηOH-和降低能耗。然后又進(jìn)行了RBEs，以研究實驗過程中的腐蝕情況以及膜的穩(wěn)定性

7、，并對自制的AEMAM-QP-30和商業(yè)AEM FQB的性能進(jìn)行了比較。最后提出用酸洗的方法來消除RBEs過程的膜污染。結(jié)果表明，優(yōu)化后的膜堆構(gòu)型為三重復(fù)單元的膜堆;酸洗法可有效清除重復(fù)性實驗過程中的膜污染;ED性能高而穩(wěn)定，如ηOH-可提高至64.9-68.5％，能耗可降至7.29-7.65 kW h/kg; AM-QP-30膜的性能優(yōu)于FQB膜。因此，通過膜堆的優(yōu)化，并選用合適的離子膜和操作條件，可實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的ED過程，獲得較好的

8、分離效果。
　　ED過程的優(yōu)勢主要為可對鋁酸鈉料液進(jìn)行直接分離，分離速度較快，但分離后期鋁泄露率(ηAl(OH)4-）較高，因此要想得到更高的ηOH-，ηAl(OH)4-的控制是至關(guān)重要的。與此相對應(yīng)，EED分離過程需要陰極室電解水提供OH-，分離效率和速度較低，但其突出的優(yōu)勢在于可實現(xiàn)“零”鋁泄露率，因此可用于深度分離，進(jìn)一步提高ηOH-。所以第四章提出了使用ED和EED耦合的方法從鋁酸鈉料液中分離NaOH，以期達(dá)到高的分離效率

9、。首先對單個ED和EED過程分別進(jìn)行了深入研究，考察了電流密度、膜的類型以及膜有效面積對分離效果的影響，得到合適的操作條件為:優(yōu)選CMV/AMV膜;ED的電流密度為45-60 mA/cm2; EED電流密度為30 mA/cm2。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了耦合實驗的研究，確定ED的運行時間及合適的電流密度。例如，當(dāng)ED電流密度選用60 mA/cm2時，耦合過程中ED運行時間為120 min，此時ηOH-高達(dá)90.9％，ηAl(OH)4-可降至～5

10、％，能耗僅為2.25 kW h/kg。以上結(jié)果表明耦合過程具有很高的分離效果，且能耗也很低。由此可以推論，利用耦合過程對拜耳法生產(chǎn)氧化鋁過程中產(chǎn)生的鋁酸鈉溶液進(jìn)行分離，可大幅度提高隨后的品種沉淀過程中Al(OH)3的結(jié)晶速度和產(chǎn)率，從而提高氧化鋁的生產(chǎn)效率。此外，分離出來的NaOH溶液的濃度和純度均較高，可直接作為母液循環(huán)使用，節(jié)約成本。
　　第五章主要是對本論文全文進(jìn)行總結(jié)。離子交換膜DD、ED和EED過程分離鋁酸鈉料液具有可行