擴(kuò)散滲析法過程的幾個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題研究.pdf

1、擴(kuò)散滲析(DD)由于其能耗低，無污染，操作簡單等，因而成為了一種極具前景的分離技術(shù)。近年來，環(huán)境問題日益嚴(yán)重，能源資源日益短缺，所以在鋼鐵生產(chǎn)，金屬冶煉，電鍍，非鐵金屬的熔煉，鋁箔浸蝕等工業(yè)中，人們逐漸把目光投向了DD這一環(huán)保且節(jié)能的分離技術(shù)。而在DD實(shí)際應(yīng)用過程往往會處于一種極端的應(yīng)用環(huán)境，如高溫，高酸堿度，高金屬鹽含量，強(qiáng)氧化性，以及有機(jī)溶劑氛圍等，所以這就對膜材料的物化穩(wěn)定性及分離性能等提出了很高的要求。正是因?yàn)镈D對膜材料的要求

2、如此苛刻，所以目前為止，能夠用于DD過程的膜非常有限。此外，在這些金屬加工相關(guān)行業(yè)的生產(chǎn)過程中，往往根據(jù)特定的應(yīng)用背景會使用到不同的無機(jī)強(qiáng)酸，因而會產(chǎn)生各種不同的廢酸液，同時(shí)，酸液中也會存在著不同的金屬鹽。在使用DD技術(shù)處理這些廢酸液時(shí)，不同的酸及不同的金屬鹽也會對DD的分離回收性能產(chǎn)生巨大的影響。本文為了解決上述問題，設(shè)計(jì)制備了有機(jī)-無機(jī)雜化離子膜，并考察了該批膜的高溫DD性能，而后從中選擇性能優(yōu)良的雜化膜，基于數(shù)學(xué)模型考察了不同的酸

3、及不同的金屬離子對DD性能的影響，具體內(nèi)容包括:
　　 (1)對溴化后的poly(2，6-二甲基-1，4-次苯基氧化物)(PPO)聚合物羥基化，再用三甲胺季胺化，繼而引入無機(jī)硅烷TEOS進(jìn)行溶膠-凝膠反應(yīng)，制得了BPPO-SiO2雜化膜。用三甲胺季胺化是為了保證膜有較強(qiáng)的離子交換基團(tuán)，保證一定的IEC和WR;引入無機(jī)硅烷就是為了將無機(jī)成分和有機(jī)成分的優(yōu)勢完美結(jié)合起來，賦予膜優(yōu)良的物理及化學(xué)穩(wěn)定性。通過對該批膜基本性能表征后證明:

4、該批膜的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性都得到了顯著的提高，并具有較高的離子交換容量(IEC)和合適的水含量(WR)。
　　 (2)把這批雜化膜用于HCl+FeCl2體系的DD來回收HCl，測試溫度的變化范圍為15℃-65℃。研究高溫DD具有重要的意義:首先，由于生產(chǎn)運(yùn)行過程中的摩擦力等作用，從工廠里直接排出的廢液溫度都較高;其次，高溫能夠有利于促進(jìn)離子的傳遞。結(jié)果表明:隨著溫度的變化，該雜化離子交換膜在高溫下表現(xiàn)出了較好的DD性能，其分離

5、因子(S)可達(dá)41;而商業(yè)用膜DF-120的S都在較低的水平且沒有明顯的變化。將膜結(jié)構(gòu)與DD結(jié)果關(guān)聯(lián)后發(fā)現(xiàn):無機(jī)硅的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對DD的選擇性具有較大的影響，尤其在高溫下，影響更為明顯。
　　 (3)基于制備的雜化膜，對HCl+NaCl、H2SO4+Na2SO4和H3PO4+ Na3PO4進(jìn)行DD性能測試，來考察不同的酸根離子對DD性能的影響。由于實(shí)驗(yàn)過程中強(qiáng)力的攪拌，所以忽略了液膜的影響，并且為了簡化，假設(shè)了該DD過程是一個(gè)擬穩(wěn)態(tài)

6、過程。進(jìn)而建立了總陰離子濃度隨時(shí)間變化的微分式，并附以優(yōu)化條件。該項(xiàng)工作中，只需要測定不同時(shí)間點(diǎn)下兩室中離子的濃度，進(jìn)而進(jìn)行擬合可以求出最優(yōu)化的滲析系數(shù)P，以此來定量的比較考察不同酸根離子對DD的影響。最終擬合的滲析系數(shù)的順序?yàn)?Ptotal H2SO4(2.50×10-6m/s)＞PHCl(1.60×10-6m/s)＞P total H3PO4(1.0×10-7 m/s)。將Cl-，SO42-和PO43-離子的性質(zhì)和P的變化趨勢關(guān)聯(lián)后

7、發(fā)現(xiàn):離子在膜內(nèi)的吸附、擴(kuò)散以及其在溶液中的初始濃度是影響滲析系數(shù)的重要因素。該模型簡單易用，即使是不從事DD理論研究的人員也容易上手。只需要測得不同時(shí)間點(diǎn)下滲析液和擴(kuò)散液中的離子濃度，而后即可快速的擬合出膜對特定體系的P，進(jìn)而判斷出膜的DD性能。
　　 (4)而后將該模型進(jìn)行調(diào)整和拓展，進(jìn)一步研究了不同價(jià)態(tài)的金屬離子對HCl滲析過程的影響。選取的體系有:HCl+NaCl，HCl+FeCl2，HCl+NiCl2，HCl+CuCl

8、2，HCl+ZnCl2或HCl+AlCl3。最終擬合出的各體系的Cl-離子的滲析系數(shù)的大小順序?yàn)?P(CuCl2)Cl-(6.1×10-6 m/s)＞ P(FeCl2)Cl-(3.1×10-6 m/s)＞P(NiCl2)Cl-(2.6×10-6 m/s)＞P(AlCl3)Cl-(2.0×10-6 m/s)＞P(NaCl)Cl-(1.6×10-6 m/s)＞P(ZnCl2)Cl-(3.4×10-7 m/s)。通過考察發(fā)現(xiàn)，金屬離子對HCl