渗析实验

渗析实验（精选6篇）

渗析实验 篇1

人教版普通高中课程标准实验教科书《化学. 选修6》第二单元课题一中《渗析分离实验》(在教材第16 至17 页)的实验装置图如下(见图1)

本人根据该装置进行多次演示实验发现有如下缺点:

1. 用淀粉胶体和氯化钠溶液装入半透膜并制作成半透膜袋,此过程操作复杂。

2. 将半透膜袋悬挂在横跨烧杯(先装入一定量的蒸馏水备用)的玻璃棒上,此操作费时又费力。

总的来说就是操作不简易、费时又费力。

为了避开以上缺点,本人在实验器具上做了改进和创新,设计并制作出了一种简易的渗析分离实验器。

一、 简易渗析分离实验器的整体结构图(图2 见下页)

二、简易渗析分离实验器的说明

1. 实验器结构:在普通烧杯直径所在面上加入一块多孔的面ABCD,且紧靠边AD、边DC和边CB位置处分别有2mm宽的方槽AlDl、DlCl和ClBl,三槽相互连通(简称方槽AlBlClDl,见图3),方槽功能在于用来嵌置半透膜。

2. 制作工艺:实验器(图2)中面ABCD(带有多孔)、方槽AlBlClDl、烧杯四周及底部均采用玻璃材料一体化烧制而成。

3. 实验器的半透膜选择与安装

(1)半透膜材料的选择与剪裁

咱们可以采用的半透膜有动物材料(嗉囊、肠衣、鱼鳔、鸡蛋的卵膜、动物的膀胱等)、植物材料(海带、阔叶植物的叶片、洋葱表皮等)、化工材料(玻璃纸等),现将相关半透膜材料的各种参数做如下对比:

根据上表中材料性能、材料的面积与厚度和膜的制备等参数,选择海带作为本实验的半透膜材料是最合理的。

将已浸泡的海带(厚度稍小于2mm,面积合适)用剪刀剪裁成面积和ABCD的面积相同的备用材料。

(2)安装半透膜:将剪裁好的海带嵌置在方槽里,在这儿特别要说明的是面ABCD(带有多孔)和烧杯四周及底部采用玻璃材料一体化烧制而成的目的是为了保证半透膜嵌置在方槽里绝对牢固。

4. 用途:该实验器用于渗析分离实验

三、简易渗析分离实验器的使用方法

1. 实验步骤

将40m L淀粉胶体和20m L氯化钠溶液的混合溶液加入自制的简易渗析分离实验器(图2)的左侧空间,5 分钟后在实验器右侧空间出现了溶液,取此溶液少量分别置于两支试管内,向两支试管内分别滴加硝酸银溶液和碘水,观察现象。

2. 实验现象及结论

滴加碘水的试管中溶液颜色不变蓝,说明淀粉胶体的胶粒不能通过半透膜;滴加硝酸银溶液的试管中产生白色沉淀,说明氯离子随着水分子通过了半透膜。

四、创新点

在教材上的渗析分离实验中实验器使用过程太复杂,而本人自制的简易渗析分离实验器使用起来很简易、方便。

参考文献

宋心琦.普通高中课程标准实验教科书:《化学》(选修6).人民教育出版社,2005:16-17

半透膜渗析渗透实验器的制作 篇2

如图装置1为胶体渗析实验器 (化学实验用) , 装置2为渗透作用实验器 (生物实验用) 。

2 自制实验器的用途和特点

2.1 自制实验器的用途

1) 化学实验:胶体渗析实验 (化学必修1第二章第一节分散系胶体的性质) 。

2) 生物实验:渗透作用和水分子运动实验 (生物必修1第四章第一节) 。

2.2 自制实验器的特点

1) 该仪器所需半透膜小, 一个鸡蛋制成的半透膜可做几次实验。

2) 操作简单并实用, 实验瓶上下移动方便, 可边加液体边下降, 防止水的重量使半透膜破裂。

3) 取材简单, 造价低廉, 易于推广。几乎全部使用废弃材料。

4) 可做跨学科实验: (化学实验) 胶体渗析实验、 (生物实验) 渗透作用和水分子运动实验。

5) 实验现象明显。渗析实验:3分钟后可做离子和胶体检验;渗透作用和水分子的运动实验:5分钟液柱可上升1~2cm, 10分钟液柱可上升2~3cm。

6) 无污染、无危险, 实验仪器不易破碎, 实验安全。

3 自制实验器的制作材料

1) 废弃材料:废旧饮料瓶2个、废旧弹性塑料2块 (大小视瓶子内径) 、15cm×10cm×1.5cm木板底座、长15cm直径15cm废旧水管2根和铁丝支架、废弃鸡蛋壳制成的半透膜 (盐酸浸洗处理) 。

2) 配套仪器:大烧杯2只、长12cm直径5mm玻璃管、长5cm橡胶管、止水夹。

4 自制实验器的制作方法

4.1 实验瓶瓶制作

取2只质地较硬的废弃矿泉水瓶, 拧下瓶盖, 取出垫圈, 分别在瓶盖和垫圈中央打出直径为1.5cm的圆孔, 剪掉瓶底, 其中一只矿泉水瓶可用做化学实验的“胶体渗析实验瓶”。另一只需添加如下材料:取两块弹性塑料剪成圆形并在中央开直径为4mm的圆孔, 使其恰好塞入瓶内;再剪取一块长宽适当、恰好能放入实验瓶内的硬纸板, 在上面画好刻度, 置于两块圆形弹性塑料之间;取长12cm、直径5mm的玻璃管, 一端套上5cm长的橡胶管, 另一端从实验瓶瓶底插入瓶内两块圆形弹性塑料的圆孔中, 直至伸出瓶口那块圆形弹性塑料2cm, 在橡胶管上夹上止水夹, 便制得可做生物实验的“渗透作用实验瓶”。

4.2 支架的制作

用废弃木板制作一个15cm×10cm×1.5cm木板底座, 要求四周包边, 一是为了美观, 二是为了使木板底部离地能有0.5cm的距离, 便于固定两根长15cm直径15cm废旧水管作为支架, 并在每根水管顶端开直径为0.5cm的小孔, 取两根废弃铁丝弯成弧形, 两端插入水管支架顶端的小孔中, 再在铁丝适当位置套上橡皮筋, 使弧形铁丝可夹住实验瓶, 而又因为橡皮筋具有弹性, 可使实验瓶能自由的上下移动。

4.3 安装半透膜

将用盐酸浸泡过的半透膜敷在打好直径1.5cm圆孔的垫圈上, 剪掉周围多余的半透膜, 用镊子将覆膜垫圈压进开好直径1.5cm圆孔的矿泉水瓶盖内, 旋紧瓶盖即可。

5 自制实验器的使用方法

1) 胶体渗析实验 (化学实验) :按装置1在250m L烧杯内装200m L蒸馏水, 再在瓶盖上安装好半透膜, 旋紧于胶体渗析实验瓶上, 并把实验瓶倒放在支架上, 调节高度使半透膜与下面烧杯中的水面平齐, 向实验瓶中一边加含Na Cl溶液的淀粉胶体, 一边下降实验瓶, 保持实验瓶内外液面平齐 (可防止半透膜破裂) , 加完淀粉胶体后静止3分钟, 便可进行烧杯中溶液成分的检验:分别取少量烧杯中溶液于两支试管中, 向一支试管中滴加碘水, 向另一支试管中滴加Ag NO3溶液。

实验现象及结论:滴加碘水的试管中溶液颜色不变蓝, 说明淀粉胶体的胶粒不能透过半透膜;滴加Ag NO3溶液的试管中产生白色沉淀, 说明Cl-透过了半透膜, 即离子 (或小分子) 能透过半透膜。

2) 渗透作用和水分子运动实验 (生物实验) :按装置2在250ml烧杯内装200ml蒸馏水, 再在瓶盖上安装好半透膜, 用止水夹夹住橡皮管, 从瓶口向渗透作用实验瓶中加满被红墨水染红的饱和蔗糖水, 旋紧装好半透膜的瓶盖, 将实验瓶倒放在支架上, 松开止水夹, 调节实验瓶高度使实验瓶内外液面平齐, 记录玻璃管中红色液柱位置的读数, 5分钟后红色液柱上升, 观察并记录红色液柱的读数。

6 自制实验器的维护

该实验器维护要求很低, 只要每次实验后将其洗涤干净, 按装置图放置晾干即可。

摘要：原化学实验“胶体的渗析”和生物实验“渗透作用和水分子运动”, 由于用教材实验装置进行实验难做成功, 故自制半透膜渗析渗透实验器, 经过试验, 实验现象明显:化学渗析实验3分钟后可做离子和胶体检验;生物渗透作用和水分子的运动实验5分钟液柱可上升12cm, 10分钟液柱可上升23cm。

电渗析技术的研究进展 篇3

电渗析器由隔板、离子交换膜、电极、夹紧装置等主要部件组成。离子交换膜对不同电荷的离子具有选择透过性。阳膜只允许通过阳离子, 阻止阴离子通过, 阴膜只允许通过阴离子, 阻止阳离子通过。在外加直流电场的作用下, 水中离子作定向迁移。由于电渗析器是由多层隔室组成, 故淡室中阴阳离子迁移到相邻的浓室中去, 从而使含盐水淡化。在食品及医药工业, 电渗析可用于从有机溶液中去除电解质离子, 在乳清脱盐、糖类脱盐和氨基酸精制中应用得都比较成功[1]。电渗析作为一种新兴的膜法分离技术, 在天然水淡化, 海水浓缩制盐, 废水处理等[2]方面起着重要的作用, 已成为一种较为成熟的水处理方法。

1 电渗透技术在食品行业中的应用

1.1 在菊糖生产中的应用

菊糖是一种具有保健功能的多糖, 系一族由β- (2, 1) 糖苷键连接的果聚糖分子, 在末端还联有一个葡萄糖残基。它的聚合度从2到60, 跨越了经典低聚糖的定义, 所以也有人把处于低聚糖范围的菊糖叫做菊糖低聚果糖 (inulin fructonoligosaccharide, IFOS) 。菊糖广泛地分布于各种植物中间, 其中菊苣、菊芋和大丽花含有的菊糖量最多 (约占干基的20%) , 具有商业生产菊糖的价值。杨炼等采用电渗析在粗菊糖纯化过程中进行了应用研究, 在电渗析的过程中, 菊糖料液的pH值在恒定一段时间会有所下降, 恒定的时间与电渗析操作电压负相关, pH的下降幅度与操作电压正相关。菊糖料液的灰分含量和粗蛋白都能被电渗析除去, 操作电压越大, 带电杂质下降的速度越快, 在电渗析的初始阶段这些带电杂质的去除速度较快。游离氨基酸由于分子较小, 比短肽更容易除去。菊糖在10V的操作电压情况下, 菊糖没有发生明显的水解, 单、双糖含量仅有轻微增加。菊糖料液在电渗析过程中不断被稀释, 但是菊糖分子并不能穿过离子交换膜, 所以电渗析纯化菊糖有较高的回收率。在10V的电压下, 采用10L/h的流量, 电渗析1h后, 粗菊糖中70%的灰分, 47%的粗蛋白被除去, 总糖仅损失了原来4%。

总之, 电渗析可以作为粗菊糖脱盐和脱蛋白的有效且经济的手段, 能与后续操作, 如超滤处理很好衔接, 能极大减轻下游纯化操作的压力, 在技术上具有可行性[3]。

1.2 在竹笋生产中的应用

传统竹笋加工过程伴随着大量废弃物的产生, 以毛竹笋为例, 可食部分30%左右, 而笋壳约占30%, 笋头40%, 此外, 加工竹笋也会产生大量废弃的笋煮水。竹笋原液 (笋煮水) 中含丰富的甾醇、多糖、氨基酸、维生素、黄酮、皂岱等天然活性成分及盐, 这些盐的存在一方面不利于从原液中分级和提纯出氨基酸等成分, 影响竹笋原液的营养价值[4], 另一方面, 若不经处理就直接排放, 会造成土壤板结, 植物烧伤, 污染水源。另外, 竹笋提取液中还含有镉、铅 (<0.5mg/kg) 、砷 (<0.3mg/L) 等重金属离子, 直接加工成食品方面的产物, 会对人体产生不利的影响[5], 通过脱盐能够有效去除重金属离子, 从而达到国家规定的标准要求。因此, 竹笋原液脱盐研究具有社会和经济效益, 能够实现竹笋加工废弃物的深度转化和综合利用, 开发高附加值的产品, 提高企业经济效益和行业经营水平, 实现传统产业的升级换代。

黄伟等在实验的基础上探讨用离子交换膜电渗析法进行竹笋原液脱盐的可行性及工艺优化。经90min脱盐后, 竹笋原液灰分下降49.10%, 主要元素含量变化:钾下降53.76%, 钠下降75.27%, 钙下降69.80%, 镁下降57.86%, 铁下降66.67%, 铜下降76.98%, 镉下降42.51%, 而一些重金属离子含量普遍较低, 均在国家标准范围内, 如汞和砷均未检出, 故电渗析技术对竹笋原液脱盐效果较好。

竹笋原液脱盐前后的氨基酸含量基本持平:脱盐前氨基酸含量为8.22% (以干基计) , 脱盐后的氨基酸含量为8.37% (以干基计) , 且据氨基酸检测报告知:脱盐前后竹笋原液中氨基酸种类及各种类比例近似相同, 因此电渗析技术对竹笋原液脱盐对其中功能成分—氨基酸的影响较小[6]。

1.3 在酱油生产中的应用

酱油是人们日常生活中应用最为普遍的调味品之一, 一般酱油中食盐含量在16%~18%, 这是由于酱油曲是在开放状态下制成的, 为避免微生物的污染, 需在高食盐浓度下进行, 而且酱油特有的香味只有在此食盐浓度下才能酿成。现代医学已表明, 高钠膳食易导致高血压、肾脏病等疾病发生, 由于普通酱油的含盐量偏高, 为满足人们对低钠膳食的需求, 可以将普通酱油中的盐分脱除成为低盐酱油[7]。

据国外文献报道, 利用电渗析技术对酱油进行脱盐处理, 可以制得低盐酱油并基本保持酱油原有风味, 但要损失一部分作为酱油指标的氨基酸态氮和有机酸等有效成分, 从而将酱油的含盐量降低。但国内尚无这方面的报导, 刘贤杰等采用电渗析技术进行了酱油脱盐的研究。研究结果显示:原酱油食盐含量19.4%, 经电渗析处理后, 酱油含量降至约9%, 食盐以外的有效成分也有一些被除去, 比较明显的是作为酱油品质指标的氨基酸态氮, 有约8%的损失。酱油风味大致不变, 证明了电渗析对酱油的脱盐是切实可行的分离方法[8]。

2 电渗透技术在生化行业中的应用

2.1 在丙二醇生产中的应用

1, 3一丙二醇 (1, 3一propanediol, 简称PDO) 是一种重要的化工原料, 可用于油墨、印染、涂料、物、润滑剂、抗冻剂, 还可用作聚醋和聚氨醋的体, 替代1, 4一丁二醇和新戊二醇等中间体用于产多醇聚酷以及作为碳链延伸剂[9]。

唐宇在小试的基础上对1, 3一丙二醇进行了电渗析脱盐的中试研究, 着重考察了浓淡室流速、浓室初始浓度和膜对电压对电渗析实验的影响, 通过比较脱盐时间、电流效率、能耗等指标, 确定了中试条件下脱盐工艺的最佳操作条件[10]。

2.2 在氨基酸生产中的应用

在氨基酸的生物合成中不可避免地会遇到分离纯化的问题, 溶液脱盐就是其中一个典型的分离过程。在脱盐的诸种技术中, 电渗析因其操作条件温和、无相变、容易放大等优点而具有较强的竞争力。氨基酸是两性物质, 其荷电性与溶液的pH有关。为提高分离效率, 一般均在氨基酸的等电点下进行脱盐[11,12]。赵婧等测定了不同浓度和流速下的盐水和氨基酸盐溶液的极限电流密度, 分析了浓度、流速、氨基酸含量等因素对电渗析极限电流密度的影响, 提出了描述电渗析特性的数学模型。初步研究了应用电渗析对氨基酸盆溶液进行处理时, 流速和电压对脱盆率和氨基酸回收率的影响, 用较低的流速在接近极限电流密度的条件下操作能达到最好的分离效果。赵婧等通过进一步的实验表明, 尽管较高的流量能得到较高的极限电流密度, 但由于溶液的停留时间太短, 仍难以达到好的脱盐效果, 同时原料液也会被严重稀释。通过实验证实, 用较低的流量, 在接近极限电流密度的条件下进行电渗析, 是较理想的操作参数[12]。

赵婧等还进行了电渗析脱盐分离发酵液中氨基酸的研究, 研究着眼于γ—氨基丁酸的脱盐分离这一目标, 依据实际发酵液的组成, 配制了一定浓度的蛋氨酸盐溶液, 考察了溶液流量、浓度对脱盐率及氨基酸回收率的影响, 得出了相应的经验方程。证明了在较高的流量及较低的溶液浓度时, 分离效果最佳。实验表明, 乳酸和葡萄糖的加入均不会给溶液的脱盐率及氨基酸的回收率带来很大的变化。运用电渗析的方法对模拟发酵液进行脱盐处理, 在选定的操作条件下, 模拟发酵液的脱盐率及氨基酸的回收率均>85%, 同时也会去除绝大部分的乳酸和少量的葡萄糖, 从而达到了很好的分离效果[13]。

2.3 在半胱氨酸生产中的应用

N—乙酰—L—半胱氨酸 (以下简称NAC) 的衍生物在生产抗爱滋病、抗癌类药、化妆品等方面的应用极为活跃, 它也是制备许多硫酯、硫醚类药物的重要原料。目前, NAC的合成工艺过程普遍采用沉淀法脱盐, 从而造成脱盐率不高, 产物收率普遍较低, 同时盐的存在也影响了产品的质量。用电渗析方法分离和精制氨基酸, 是20世纪60年代初由三边武郎等首先开始的。周静等采用高性能离子交换膜HF—1和HF—2, 应用电渗析脱盐法, 分离提纯N—乙酰—L—半胱氨酸, 取得了较为满意的效果。脱盐率>15%, 损失率<15%, 为工业化应用提供了依据[14]。

3 电渗透技术在废水处理中的应用

水是人类赖以生存不可或缺的资源, 也是自然生态环境保持良好的重要条件。21世纪对于水资源的需求管理, 不能仅考虑满足人类的用水, 也必须考虑生态环境的永续[15]。

3.1 电渗透技术处理苹果酸废水的研究

随着我国苹果栽种面积的不断扩大和苹果产量的快速增长, 我国的苹果加工业得到了蓬勃发展。脱色脱酸果汁是近年来兴起的苹果汁加工新品种, 它是将经前处理、澄清、超滤后的清汁经脱色树脂吸附、脱酸树脂深度脱色、脱酸处理, 浓缩后得到的无色透明、质地纯净的纯天然果糖产品, 在欧美、国内等市场成为消费的热点, 具有良好的市场前景。在目前的生产工艺中, 脱色脱酸树脂的NaOH再生废液与前处理树脂的酸洗废液中和后直接排放, 这样不仅对环境造成了严重的污染, 制约了我国苹果汁加工行业进入良性的可持续发展轨道, 而且浪费了NaOH再生废液中大量天然的L-苹果酸。同时, 由于原料等条件的限制, 我国现有的苹果浓缩汁多为低酸果汁, 而国际市场上浓缩苹果汁的价格与酸度成正比, 酸度每升高1°, 每吨浓缩苹果汁的价格即可提高100~150美元。如果能将NaOH再生废液中的天然L-苹果酸脱盐回收, 达到苹果浓缩汁的质量标准, 就可以将其直接回兑到苹果浓缩汁中, 提高产品的酸度, 带来巨大的经济效益。叶微微等采用国产离子交换膜研究了采用电渗析法脱盐回收废液中的苹果酸, 及其对苹果酸废液脱盐的工艺条件。将废液pH调至4.0, 工作电流11A下循环脱盐2h, 脱盐率达99%以上, 含Na+11821mg/L的废液脱盐至含Na+42.88mg/L, 其中L-苹果酸损失18.94%, 基本达到分离要求, 表明了电渗析对苹果酸废液的脱盐是切实可行的[16]。

3.2 电渗透技术处理硝酸铵冷凝废水的研究

硝酸铵是基本的化学化工原料和农用氮肥, 广泛应用于农业、国防、化工、医药、纺织、轻工等领域。由于历史的原因, 我国传统的硝酸铵生产装置大多技术装备陈旧, 工艺落后, 环保水平偏低, 在生产过程中产生大量的含氮工业废水。特别是由于硝酸铵生产工艺决定由稀硝酸带入的水分在中和、蒸发及结晶过程中以二次蒸汽的形式排出, 形成的工艺冷凝液中含有硝酸铵和氨, 成为硝酸铵生产的主要污水源。这些冷凝液若直接排放, 会使排放水中氨氮含量严重超标, 造成地表水体的富营养化, 破坏水环境的生态平衡。如直接送回硝酸吸收塔回用又不利于生产安全, 并且还不能全部回收利用。由于缺乏有效的治理措施, 一些厂家采用兑水稀释的办法以实现达标排放, 耗费大量的水资源。目前, 新修订的地方和行业污水排放标准都相继提高了氨、氮标准, 并对污染物的排放限值、水污染物基准排水量和排放浓度都做了相应规定, 硝酸铵冷凝液的治理及回收利用成为硝酸铵生产企业面临的亟待解决的难题。川化股份有限公司采用24台具有特殊专用膜的电渗析单元所组成电渗析装置, 冷凝废水的最大处理量为36t/h, 硝酸铵冷凝废水经电渗析装置循环浓缩、淡化处理后, 浓水中硝酸铵体积百分比含量为20%, 回收率达96%以上, 合格淡水排放水中氨氮质量分数含量≤40mg/L。冷凝废水中氨、硝酸、硝酸铵每年削减或回收的排放量分别为113.54t、362.23t、88.34t, 氨氮排放总量从每年的71.208t减少到10.162t, 减少量为61.046t, 削减85.173%, 不仅达到了减少硝酸铵废水排放量、消除污染的目的, 而且还提高了资源综合利用率, 降低了生产成本, 取得了显著的环保效益和经济效益[17]。

3.3 电渗透技术处理氨氮废水的研究

随着我国社会经济的高速发展, 各种污染物的排放量急剧增加, 对环境尤其是水体造成了严重污染, 资料表明, 氨氮、磷等是地表水的主要污染物。氨氮废水的超标排放是水体富营养化的主要原因之一。目前在工业上应用的脱氨方法主要有生物脱氮法、吹脱法、折点加氯法、离子交换法等[18]。生物脱氮法适用于处理含有机物的低氨氮浓度废水, 该法技术可靠, 处理效果好, 主要应用于含氨化工废水和生活污水的处理。折点加氯法和离子交换法适用于不含有机物的低浓度氨氮的废水处理。对于高浓度无机氨氮废水, 如氮肥厂废水等, 目前工业应用较多采用吹脱法, 但脱氨率仅为70%, 无法达到国家排放标准, 且投资大, 二次污染严重[19]。

唐艳等采用电渗析法处理氨氮废水, 对工艺条件进行了优化研究, 在实验室条件下得到工艺参数。电渗析电压为55V, 进水流量为24L/h, 氨氮废水进水电导率为2920μs/cm, 氨氮浓度为534.59mg/L。出水室浓水和淡水各占19%和81%, 浓水和淡水的电导率分别为14000μs/cm和11.8μs/cm, 氨氮含量分别为2700mg/L和13mg/L。该电渗析装置处理后的氨氮废水达到排放标准, 可以满足回用要求[20]。

4 展望

随着科学发展观的不断深入, 我国经济发展的可持续性需求, 节能减排, 清洁工业的发展等等因素, 膜分离技术正在渗透到所有工业和研究领域, 应用的领域和规模发展也不断加快。尤其是在食品行业、, 生物制品、医药、化工分离等领域中, 也取得了巨大的进展。

随着科学技术的不断发展, 制膜技术的不断改进、制膜成本的不断降低, 新型电渗析设备的制造水平会大大提高, 设备的制造成本会大大地降低, 同时会满足现代化工业越来越高的分离要求, 电渗析技术将会得到快速发展。

总之, 电渗析技术作为工业分离以及废水处理技术, 将会加快工业现代化的进程, 应用前景是十分可观的。

摘要：电渗析技术属于膜分离技术, 广泛应用于食品、化工、废水处理等行业的分离纯化的生产过程中, 有效率高、清洁卫生及经济节能等优点。重点论述了电渗析技术的原理, 介绍了电渗析技术在食品行业生物行业以及在废水处理中的应用研究, 并对其发展前景进行了展望。

电渗析海水淡化有新“膜”法 篇4

傅荣强表示, 海水淡化是解决水资源短缺问题的重要手段, 目前采用最多的是反渗透法。不过, 其核心技术产品反渗透膜由美国、日本等国家生产, 他们对我国实行技术封锁。电渗析法海水淡化早在20世纪60年代就有研究, 但因电耗过高 (生产1吨淡水, 电耗在15~20千瓦时) , 目前国内外仅有少量企业在用。左右电渗析法海水淡化电耗的关键在离子交换膜和隔板。为此, 山东省海洋化工科学研究院研发出了均相离子交换膜, 其电阻仅为此前所用膜的1/10~1/5, 并将隔板厚度从原来的1.5毫米减少到0.5毫米, 膜和隔板的电阻大幅下降, 进而降低了电耗。

傅荣强指出, 将该院开发的成果用于电渗析法海水淡化, 并对工艺进行优化后, 较反渗透法具有明显优势。反渗透法生产1吨水需要4千瓦时电, 均相膜电渗析法仅需2.5千瓦时电, 用膜成本可大幅降低;反渗透法需70个大气压以上的操作压力, 电渗析法仅需要2个大气压的压力;反渗透法的设备及管路需要承受高压、海水腐蚀, 对材质要求高, 出现故障后设备维修困难, 成本较高, 普通的高分子材料即可达到电渗析法使用要求, 而且维修简单易行。

在膜材料的研发方面, 该院走在了全国前列。该项目针对海水淡化应用, 合成了多种单体, 并经一系列聚合反应和功能化反应制备了阴阳离子交换膜。离子交换膜电阻低、选择性高, 并耐有机污染和化学清洗, 各项性能均达到国际同类产品的先进水平, 已被列入国家《新材料产业“十二五”发展规划》和《新材料产业“十二五”重点产品目录》, 并获得国家“863”计划、国家重点新产品、国家火炬计划等项目支持, 是科技部确定的6个重点专项之一。

傅荣强表示, 该院正在与相关企业进行中试实验, 将均相离子交换膜的电渗析海水淡化应用瞄向海岛、舰艇、酒店的淡水需求。该项技术同样可以进行苦咸水淡化, 且电耗优势将更明显。今后, 随着膜及设备生产自动化水平的提高, 其生产成本还有较大的下降空间。

渗析实验 篇5

关键词：膜技术,扩散渗析,酸性废液,均相阴离子交换膜,盐湖卤水

在盐湖提锂过程中,各种提锂方法都几乎不可避免地用到盐酸、硝酸、硫酸等工业原料。例如,吸附法提锂需要用约1mol/L的盐酸作离子交换淋洗液,用约3mol/L的盐酸作阳离子树脂再生液[1],萃取法提锂过程中也需要用盐酸作为反萃液[2],离子交换膜电渗析法[3]提锂过程中需要用硝酸/硝酸钠溶液作为电极液,经过一定的停留时间后,含硝酸/硝酸钠的废极液需要经碱液中和后从系统排出。所以,盐湖提锂过程中,产生了大量的酸性废液,如果对这些酸性废液不加以回收利用,将会制约盐湖资源综合利用的规模化生产,不利于我国盐湖资源的可持续开发,甚至对盐湖周边环境构成严重的破坏。

扩散渗析是利用半透膜或选择透过性离子交换膜,使溶液中的溶质由高浓度一侧通过膜向低浓度一侧迁移的过程。这种过程是以浓度差为动力,所以也称为浓差渗析或自然渗析[4],由于其设备简单,操作方便,不产生二次污染,还有在分离过程本身不消耗能量等其他方法无可替代的优点在处理酸性废液方面得到广泛的应用。扩散渗析法处理酸性废液已广泛应用于钢铁酸洗废液[4,5]、钛白酸性废液[6,7]、湿法冶金、化纤厂酸性废液[8,9]等废液的处理过程,采用扩散渗析法从酸性废液中成功回收了H2SO4、HCl和HNO3等,对酸盐分离有很好的效果[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]。本研究中采用扩散渗析法对盐湖卤水提锂过程中产生的酸性废液进行了研究,该酸性废液中含有Li+,Na+,K+,Mg2+和Ca2+等离子体系比较复杂,考察了水酸比和料液流量对实验结果的影响。

1 实验

1.1 原料

本实验均采用分析纯试剂配制溶液,料液具体含量如表1、表2所示。表1是含HNO3酸性废液组成,表2是含H2SO4酸性废液组成。

在实验过程中根据表1所述的料液组成(A0)的基础上配置了A系列(A0～A5)料液,是其他阳离子浓度不变的情况下,H+浓度在0.1～5.0mol/L之间变化。

在含HNO3酸性废液处理的基础之上,考察了扩散渗析法对含H2SO4酸性废液处理的效果。

1.2 实验设备

本实验采用由山东天威膜技术有限公司提供的HKY-001型扩散渗析器,扩散渗析器是由40张200mm×400mm的均相阴离子交换膜(DF120)组成,DF120均相阴离子交换膜性能指标如表3。

1.3 实验步骤

实验步骤如下:

(1)先将设备按要求组装完毕,然后将已配好的料液和水注入到准备好的高位槽中;

(2)量取适量废酸料液和水分别从废酸进口(底部)回收酸出口(底部)同时注入设备,注满以后,排净设备内气泡,然后静止2h;

(3)调节好残液出口端和回收酸出口端的高度,保持二者在同一水平线上;

(4)开启料液和水的的控制阀,调节好各自流量,两个出口处接好回收容器,开始运行;

(5)正常运行6h后取样化验。

1.4 分析方法

酸浓度:NaOH滴定法;阳离子浓度:DionexDX 80阳离子色谱仪;Cl-浓度:Hg(NO3)2容量滴定法;SO 42-浓度:BaSO4重量分析法。

2 结果与讨论

2.1 水酸比的影响

2.1.1 水酸比对酸回收率及回收酸浓度的影响

为了考察水酸比对含HNO3酸性废液实验结果的影响,在料液A1(即cH+=0.5mol/L)的基础上调节水酸比在0.4～1.2之间进行实验,实验结果如图1所示。随着水酸流量比的提高酸的回收率明显增加,而回收液中酸浓度与原料液酸浓度之比YP呈下降趋势,扩散渗析是利用浓度梯度而产生的浓差扩散来分离酸和盐的,水酸流量比越大,渗析器内浓度梯度越大,对酸的扩散传质越有利,因此酸的回收率是增大的,但同时回收酸的浓度却明显下降。

同时也简单考察了水酸比对含H2SO4酸性废液酸回收率的影响,如图2所示,发现随着水酸比的增加酸的回收率也是增加的,当水酸比为1.0时,扩散渗析对含HNO3和含H2SO4酸性废液中对酸的回收率均达到70%以上,有较好的回收效果。

2.1.2 水酸比对盐透过率的影响

从图3可以看出,当含硝酸酸性废液中酸浓度为0.5mol/L,水酸比控制在1.0～1.2之间时,金属离子(包括Li+,Na+,K+,Mg2+和Ca2+)的透过率随着水酸比的增加而增加,浓度梯度增大,有利于金属离子的扩散传质,导致盐的透过率是增加的,酸盐的分离系数也是增大的。并且其透过率增大的趋势按如下的顺序进行:Mg2+<Ca2+<Li+<Na+<K+。

Mg2+和Ca2+的透过率相对于单价的Li+,Na+和K+而言低很多,这可能是由以下原因造成的。首先,由于Mg2+和Ca2+有较高的价态使得它们受到阴离子交换膜上更强的阻力,最终使Mg2+和Ca2+有效的截留了;除了离子价态的影响外,离子半径对其截留也有影响,Mg2+和Ca2+离子半径大于Li+,Na+和K+也是影响其透过率的原因之一。

由此可见,增大水料流量比,尽管可以增大酸的回收率,但回收液中酸的浓度也被稀释了,另一方面,从酸和盐分离的角度来说,也不至于为了获得过高的回收率而采用高的水料流量比,为了同时保证较高的酸回收率及回收酸浓度,从实验结果来看,控制水料流量比在1.07左右是合适的。

图4是含硫酸酸性废液中水酸比与盐透过率的影响,由此可以看出,金属离子的透过率与含硝酸酸性废液中的增加规律是基本上是一致的,也是随着水酸比的增加,金属离子的透过率增加,且顺序是:Mg2+<Ca2+<Li+<Na+<K+。

2.1.3 水酸比对阴离子透过率的影响

由图5我们可以看出,随着水酸流量比的增加回收液中Cl-和SO 42-的透过率是增加的,并且Cl-的透过率远远高于SO 42-的透过率,说明阴离子交换膜对二价阴离子的截留效果较一价阴离子好,这是因为Cl-的离子半径比SO 42-的半径小容易透过膜进入到扩散室

2.2 料液流量的影响

在流量比一定时,流量越大的回收率反而下降。这是由于流量大时,废酸及水的停留时问缩短,部分H离子来不及通过渗析膜就流出,传质交换不完全,使回收率下降,不利于回收操作。对于一定膜面积的渗析装置,必须有一定的停留时间,才能使渗析扩散达到较理想的效果。

3 结论

(1)阴离子交换膜DF120对二价阳离子(Mg2+和Ca2+)有良好的截留性能,然而对单价阳离子(Li+,Na+andK+)截留性能不是很理想,其截留顺序为:Mg2+>Ca2+>Li+>Na+>K+;

(2)水酸比的增加对盐的透过率有影响,因此,在保证水能耗比较低的条件下应该选择一个合适的水酸比;

(3)DF120阴离子交换膜对Cl-和SO 42-的截留顺序应为:SO 42->Cl-;

(4)酸的回收率会随着料液流量的增加而降低,因此为了兼顾酸回收率和回收酸浓度选择合适的流量也是必要的。

渗析实验 篇6

1 双极膜电渗析法的概述

1.1 双极膜功能分析

双极膜, 简称BPM, 其主要是有阳膜层与阴膜层复合组成。在部分的双极膜中的两个荷电层之间, 还存在着催化层。当在电场中采取施加电压作业时, 双极膜中间层中的电解质离子向主体溶液中转移, 并当所有的电解质离子转移完毕之后, 电流就需要通过H+与OH-进行负载并完成。同时, 电流在通过双极膜中间过渡区中的水解离获得补充, 消耗的水灰向双极膜中间层扩散而获得补充。因此, 双极膜的过渡区不仅仅可以产生水解离, 并能够利用在醇类中解离, 例如甲醇与乙醇等。

1.2 双极膜电渗析法的特点分析

双极膜电渗析法利用双极膜以及单极膜之间的不同组合方式组成电渗析, 其主要有以下几种特点:第一, 双极膜水解离不会产生气体以及其他的副产品。因此, 此举会降低电压, 并能够使能量得到最大程度上的利用;第二, 在双极膜电渗析法的应用中, 仅需采用一对电极, 较低的占地面积, 降低了投资成本;第三, 在同一双极膜电渗析的膜堆上, 无机盐与有机盐都会通过不同的形式转化成对应的酸以及碱, 因而能够获得较好的经济效益。

2 双极膜电渗析法在处理化工废水中的应用

2.1 无机酸以及碱的生产

采用两隔室膜堆结构简单, 具有较低的电阻, 其产生的氢离子与氢氧根离子之间的结合, 电流效应会受到影响并逐渐降低, 而三隔室膜堆就不会发生类似问题, 其产酸产碱量可以达到6-7mol/L。在化工生产的过程中, 需要利用中和反应, 由此产生的大量含烟废水将会对自然环境造成严重的威胁[1]。双极膜电渗析法在工业废水中的应用, 用于再生回收料液中包含各种杂志, 不是纯度较高的盐分。同时, 再生的目的需要尽可能的利用酸与碱。采用双极膜电渗析膜堆构型就可以对不锈钢废液中的KF以及KNO3进行回收, 可以对人造丝中洗涤流出液中的Na2SO4以及核易燃物后处理过程中所产生的NH4NO3进行回收。同时, 针对于在处理以及生产氟化铀时, 在产生的气体以及液态放射性废物的过程中, 所形成的KF回收也具有较更好的处理效果。

2.2 有机酸的生产

相当一部分的有机酸是利用发酵方式产生, 传统方式主要是沉淀以及酸化, 为能够有效为微生物提供更好的生存环境, 需要采用Ca (OH) 2将p H值保持在中性作用。此种工艺存在很大的缺陷性, 其不仅仅产酸量较低, 摒弃具有较高的经济成本。并且, 此种工艺缺乏环保性, 产生的大量Ca SO4导致严重的资源浪费以及环境污染。采用双极膜电渗析法方式, 水解离能够有效提供H+以及OH-, 分离与浓缩能够同时完成, 对有机钠盐能够有效去除, 并能够提升产量。同时, Na+与OH-之间的结合所形成的Na OH可以对发酵液中的p H值进行有效调节, 并使有机酸根离子与H+结合形成有机酸, 这样也就具有了足够的环保型, 避免了资源的浪费。

2.3 有机碱的生产

国外著名学者Huang C H等利用双极膜电渗析法对烟道气脱硫剂呱嗪采用BP-C-A构型, 当硫酸哌嗪的浓度为0.08-0.13mol/L、Na2S04的浓度为0.3-0.4mol/L时, 可以在获得较高的电流效率的同时, 降低资源利用效率[2]。同时, 当运用较高的电流密度时, 电流效率以及能耗都比较高, 对呱嗪的运行成本可以估算为0.96$/kg。因此, 采用双极膜电渗析法不仅仅具有更高的创新性, 而且能够获得较高的经济效益以及环境效益。另外, 采用双极膜电渗析法能够对链烷醇胺进行有效回收, 根据有关数据显示, 乙醇胺的回收成本为0.48$/kg, 对二甲基乙醇胺的回收成本在0.30$/kg左右, 对二乙醇胺的回收在0.32$/kg左右。

3 结语

通过多种研究资料显示, 采用双极膜电渗析法相对于电解析, 在产碱量、电流效率上均占有较大优势。双极膜电渗析法不仅仅能够在化工废水中进行应用, 其在食品工业以及生物技术中也具有广泛的应用。同时, 随着双极膜成本的不断降低, 双极膜电渗析法会在更多的领域中得到应用。另外, 针对双极膜电渗析法的应用还需要进一步加强研究, 政府部门、科研院所、企业等需要协调配合, 对国产双极膜技术进行攻关, 降低膜成本, 提升膜寿命以及膜堆的使用效率。双极膜电渗析法是一种具有较高绿色环保性质的新型技术, 用于巨大的发展前景, 需要进一步加强研究, 为化工废水的处理提供更多途径。

参考文献

[1]李鑫, 宋玉栋, 周岳溪等.双极膜电渗析法回收丙烯酸丁酯废水中的有机酸[J].化工环保, 2011, 31 (3) :197-201.