離子交換膜DD、ED和EED過(guò)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(guò)程中會(huì)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(duì)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(wèn)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(kuò)散滲析(DD)、電滲

2、析(ED)和電解電滲析(EED)過(guò)程對(duì)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(shí)母液中NaOH的純度也會(huì)相應(yīng)地提高。其中，DD分離時(shí)，料液中的Na+會(huì)透過(guò)陽(yáng)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(huì)透過(guò)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(shí)現(xiàn)NaOH和NaAl(OH)4的有效分離。ED分離時(shí)，在直流電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，料液中Na+透

3、過(guò)CEM遷移至回收室;OH-和Al(OH)4-均會(huì)透過(guò)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(duì)鋁酸鈉料液的分離也是可行的。EED分離時(shí)，水被電解生產(chǎn)OH-，陽(yáng)極室料液中的Na+透過(guò)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(guò)程及不同操作參數(shù)對(duì)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(guò)程，以及存在的問(wèn)題。然后提出使用離子交換膜DD、ED和EED過(guò)程來(lái)解決以上問(wèn)題。最后對(duì)每種過(guò)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(shí)對(duì)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(guò)程對(duì)鋁酸鈉料液進(jìn)行分離。考察了運(yùn)行時(shí)間對(duì)DD結(jié)果，以及料液濃度和電流密度對(duì)ED結(jié)果的影響，同時(shí)對(duì)膜污染也進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，DD運(yùn)行4h后沒(méi)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(guò)因?yàn)镈D過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力為膜兩側(cè)濃度差，沒(méi)有外加壓力或電場(chǎng)，所以回收液中堿的濃度較低，堿回收率（ηOH-）僅為6.3％。在ED過(guò)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(shí)，ηOH-為48.0％;ηAl(OH)4-和αk分別為12.6％和7.9，均能滿(mǎn)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(guò)程具有低能耗、低膜污染和環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，但回收率低;ED過(guò)程則可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)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(guò)程中更具有優(yōu)勢(shì)。不過(guò)以上實(shí)驗(yàn)中，ηOH-仍不夠高，能耗較高，且沒(méi)有通過(guò)重復(fù)性實(shí)驗(yàn)(RBEs)系統(tǒng)考察ED運(yùn)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(duì)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中的腐蝕情況以及膜的穩(wěn)定性

7、，并對(duì)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(lái)消除RBEs過(guò)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(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)膜堆的優(yōu)化，并選用合適的離子膜和操作條件，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的ED過(guò)程，獲得較好的

8、分離效果。
　　ED過(guò)程的優(yōu)勢(shì)主要為可對(duì)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(duì)應(yīng)，EED分離過(guò)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(shì)在于可實(shí)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(duì)單個(gè)ED和EED過(guò)程分別進(jìn)行了深入研究，考察了電流密度、膜的類(lèi)型以及膜有效面積對(duì)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(shí)驗(yàn)的研究，確定ED的運(yùn)行時(shí)間及合適的電流密度。例如，當(dāng)ED電流密度選用60 mA/cm2時(shí)，耦合過(guò)程中ED運(yùn)行時(shí)間為120 min，此時(shí)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(guò)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(guò)程對(duì)拜耳法生產(chǎn)氧化鋁過(guò)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(guò)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(lái)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(duì)本論文全文進(jìn)行總結(jié)。離子交換膜DD、ED和EED過(guò)程分離鋁酸鈉料液具有可行