雙極膜電滲析法生產(chǎn)有機酸過程的幾個關鍵科學問題研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、基于離子交換膜的電膜技術作為一種新型的分離技術,由于其獨特的荷電特性,可以進行離子物系的分離分級,在實現(xiàn)一些新型的化學合成過程中可以實現(xiàn)資源利用的最大化并消除了環(huán)境污染,在綠色化學和清潔化工方面具有十分廣泛的應用前景。雙極膜電滲析技術是在離子交換膜基礎上發(fā)展起來的,它集成了普通電滲析和雙極膜的優(yōu)點,其最顯著的特征是可以在不引入其他鹽的情況下利用直流電場水解離產(chǎn)生H+和OH-(或醇解離產(chǎn)生CH3O-)。雙極膜電滲析作為一種技術先進、經(jīng)濟高

2、效、環(huán)境友好的清潔化工技術,在綠色化工生產(chǎn)中正在扮演著越來越重要的角色。但是這個技術面臨著大眾認識不足、工藝集成不足、難以進行數(shù)學模擬等諸多問題。鑒于此,本論文選取了雙極膜電滲析法應用最廣泛的領域——有機酸的生產(chǎn)為出發(fā)點,選擇葡萄糖酸作為有機酸的代表,對雙極膜電滲析法生產(chǎn)葡萄糖酸過程遇到的一些科學問題進了系統(tǒng)的研究,得出的主要結論如下:
   (1)通過引入環(huán)境因子(a)和價格因子(β),比較了在這兩種因子的影響下,雙極膜電滲析

3、法和離子交換法這兩種工藝生產(chǎn)葡萄糖酸的成本。結果表明,當a<0.21,β<0.21時,離子交換法優(yōu)于雙極膜電滲析法;當0.21≤ a≤ 0.76時,β≤ 0.76 時,通過適當調(diào)節(jié)最佳的轉化點,雙極膜電滲析和離子交換的集成是最佳的選擇;當a>0.76,β>0.76 時,雙極膜電滲析法優(yōu)于離子交換法。
   (2)利用響應曲面法中的Box-Behnken 設計方法,選取電流密度、電解質濃度、料液濃度作為影響因素,對雙極膜電滲析法生

4、產(chǎn)葡萄糖酸的過程進行了優(yōu)化研究。通過數(shù)學擬合和脊嶺回歸分析,得到雙極膜電滲析法生產(chǎn)葡萄糖酸的最佳工藝條件為:電流密度為44.8mAcm-2;電解質濃度為0.12moldm-3;料液濃度為0.15moldm-3。對預測值進行了實驗驗證,實驗值和預測值高度吻合,顯示了模型的高效性和準確性。
   (3)通過傳統(tǒng)電滲析濃縮室和雙極膜電滲析鹽室的串聯(lián),進行了雙極膜電滲析法和傳統(tǒng)電滲析法的在線集成研究。結果表明,由于傳統(tǒng)電滲析的濃縮作用以

5、及電極反應,集成的工藝實現(xiàn)了非常高的電流效率和較低的能耗,集成工藝生產(chǎn)葡萄糖酸的成本低于單個雙極膜電滲析法的成本。整個集成工藝不僅僅高效簡潔,并且操作穩(wěn)定。
   (4)通過Nernst-Planck方程、Donnan平衡以及電中性的原則,對陽離子交換膜在1-2 溶液中的濃度、電阻、電勢分布進行了研究,并通過電化學阻抗譜對模型的電阻分布進行了驗證。結果表明,離子濃度在擴散層中的分布是受電流顯著影響的;擴散層的電勢也是受電流顯著影

6、響的,而Donnan 電勢是不受電流影響的;在低電流密度時,來自Donnan 界面層的電阻是整個膜液系統(tǒng)最主要的電阻,而在高電流密度時,擴散層的電阻是最主要的電阻。模型的電阻和電化學阻抗譜測定的電阻基本吻合,少許的偏差可能是來源于模型對擴散層中電對流的忽略。
   (5)基于單級膜的濃度、電阻、電勢模型以及雙極膜的水解離特性,對典型三隔室雙極膜電滲析膜堆生產(chǎn)葡萄糖酸的能耗和成本進行了數(shù)學模擬研究。結果表明,溶液電阻、擴散層的電阻

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