双极膜技术在硝酸钠废水处理中的应用研究.pdf

采用具有三隔室重复单元的双极膜电渗析从硝酸钠废水中制备NaOH和HNO3，考察操作电压、循环流量、盐室初始盐含量、盐室残余含盐量对运行过程的影响。结果表明，提高盐室初始盐含量、循环流量、操作电压，可提高最终酸碱浓度，提高最终盐室盐含量，可提高电流效率降低能耗。双极膜最佳运行条件：盐室、酸室和碱室初始分别为10 0 g/L硝酸钠废水、0.0 2 mol/LHNO，和0.0 2 mol/L的NaOH，电极液为3%的Na,SO4，循环流量12 0 L/h，操作电压18 V，盐室盐含量3 0 g/L为实验终点，反应90 min，得到1.45mol/L的NaOH，电流效率为6 5.8%，NaNO，转化率达7 0%，能耗为17 0 4.3 5kWh/t-NaOH。关键词：双极膜；硝酸钠；资源化利用中图分类号：X703文献标识码：A0引言硝酸盐氮是对地表水和地下水造成污染的主要污染物之一，同时也是地表水体富营养化的“罪魁祸首”。我国石油化学工业污染物排放标准GB31571一2 0 15中明确指出，废水中总氮含量不超过40mg/L。因此，寻求更有效去除废水中高浓度硝酸盐的技术是当务之急。双极膜电渗析具有操作简单、绿色环保、易与其他水处理技术耦合等优点。采用双极膜处理硝酸盐废水，制备得到的硝酸和氢氧化钠，不仅实现硝酸盐的资源化利用，更可以有效减少原液中的盐含量，及后续治理难度。本研究的目的在于开展以硝酸盐废水双极膜制备酸碱的研究，考察各项因素对过程盐转化率、碱浓度、能耗的影响，进而获得最优工艺参数。1实实验部分1.1主要设备实验所用双极膜装置具体参数如表1所示。1.2实验原理双极膜由双极膜、阳离子交换膜和阴离子交换膜组成，排序如图1所示，为三隔室构型，相邻膜之间采用隔板隔开，在添加电场的作用下，双极膜分解水产生OH和H，O H 向阳极侧移动，H*向阴极侧移动，NaNO，废水进入双极膜后，Nat和NO；分别透过阳离子交换膜和阴离子交换膜，与OH和H组成NaOH和HNO3，采用3%的Na,SO4为电极液。诚室BP阳阴极极A层C层A层C层C层源液NaNO水HOBP：双极膜A层阴离子交换膜C层：阳离子交换膜子交换膜阳离子交换膜图1双极膜工作原理图表1双极膜装置性能参数设备名称单张膜片有效尺寸/mm膜对数电极材质双极膜设备70X16010钼铱电极科研项目：高盐废液资源化利用成套技术开发，项目编号：HFKJ-ZDGG-TJY-2021-06。作者简介：张成凯（1992-），男，工程师，硕士学历，研究方向：废水资源化处理。通讯作者：郝亚超。收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 7。.11第3 9 卷张成凯等.双极膜技术在硝酸钠废水处理中的应用研究1.3实验方法将配置的硝酸钠废水加入盐室中，向酸室、碱室和电极室分别加入0.0 2 mol/L的HNO3、Na O H和3%的NazSO4溶液，恒压下记录不同时间的电流、酸室和碱室浓度和体积，并计算电流效率和能耗。1.4分析方法NaOH和HNO,采用酸碱滴定法分析，NaNO3分析采用哈希药剂测定硝态氮。2实验结果与讨论2.1盐室初始盐含量对反应过程的影响设置盐室初始盐含量为50 g/L、7 5g/L、10 0 g/L，残余盐含量7 g/L为实验终点，保持电压15V，循环流量设为12 0 L/h，考察盐室初始盐含量对双极膜制酸碱过程的影响。如图2 所示，盐室初始盐含量为50 g/L、7 5g/L、10 0 g/L，反应结束时间分别为6 0 min、90 m i n、12 0 m i n。初期碱室浓度增长缓慢，这是因为反应初期酸碱室浓度为0.0 2 mol/L，电阻高，电迁移离子速率变慢；随着时间的增长，酸碱室浓度增大，电阻逐渐降低，电迁移离子速率变快，导致碱室浓度增加加快；反应末期，盐室中硝酸钠浓度过低，电阻增大，电迁移速率变慢，碱室浓度增长显著降低，2.2操作电压对反应过程的影响设置操作电压为12 V、15V、18 V，盐室硝酸钠初始盐含量10 0 g/L，残余盐含量7 g/L为实验终点，循环流量12 0 L/h，考察操作电压对反应过程的影响。如图3 所示，操作电压为12 V、15V、18 V 时，反应结束时间分别为16 5min、12 0 m in、9 0 m in。随50g/L10075g/L100g/L806040200020406080100120时间/min图2盐室初始盐含量对反应过程的影响1.7512V15V1.5018V1.251.000.750.500.250.00015 3045607590105120 135 150165180时间/min图3操作电压对反应过程的影响着电压的增加，双极膜运行时间降低，这是因为电压增加，双极膜电解水的速率加快，另外，电压上升，电流和离子电迁移速率增加，从而生成更高浓度的酸液和碱液。在电压18 V时，可得到最高碱室浓度1.45mol/L，但是在实验末期，碱室浓度降低，推测可能的原因为：离子交换膜无法实现10 0%离子选择透过，膜运行过程中离子渗漏，导致原子半径较小的OH和H在膜两侧浓差较大的情况下进行迁移，一般阴离子交换膜选择透过性较差，盐室中会泄漏大量的H，导致H和Na在盐室通过阳离子交换膜，进入碱室，降低NaOH的浓度；还可能是盐室迁移水分子进入碱室，NaOH的浓度下降。2.3循环流量对反应过程的影响设置循环流量8 0 L/h、10 0 L/h、12 0 L/h，操作电压为15V，盐室初始盐含量10 0 g/L，残余盐含量7 g/L为实验终点，考察循环流量对反应过程的影响。如图4所示，随着循环流量的增加，碱室中NaOH的浓度基本不变。但循环流量为10 0 L/h和120L/h时，氢氧化钠浓度较高，这是因为随着循环流量的上升，可有效降低膜两侧滞留层厚度，提高盐室NaNO,和双极膜两侧OH和H+的迁移速率。2.4盐室残余盐含量对能耗和电流效率的影响设置盐室初始盐含量为10 0 g/L，电压为18 V，循环流量12 0 L/h，考察盐室残余盐浓度对反应过程中电流效率和能耗的影响。如图5所示，当盐含量从10 0 g/L降至3 0 g/L时，电流效率缓慢从70.8%降至6 5.8%，能耗从142 5kWh/t-Na0H升至17 0 5kWh/t-NaOH，当盐含量降至3 0 g/L以下时，电流效率急剧升高，能耗也相应增加，这可能是因8888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888812第6 期清洗世界1.480L/h100L/h1.2120L/h1.00.80.60.40.20.00153045607590105120135150时间/min图4循环流量对反应过程的影响803000电流效率2800702600602400220050200040180016003014009080706050403020100盐室参与盐含量/gL)图5盐室残余盐含量对能耗和电流效率的影响为随着酸室和碱室浓度逐渐升高，酸碱室对盐室的渗透压上升，导致盐室迁移离子困难。3结语综上所述，提高盐室初始盐含量、循环流量、操作电压，可提高最终酸碱浓度及盐室盐含量，可提高电流效率，降低能耗。双极膜最佳运行条件：盐室、酸室和碱室初始分别为10 0 g/L硝酸钠废水、0.0 2 mol/LHNO，和0.0 2 mol/L的NaOH，电极液为3%的Na,SO4，循环流量12 0 L/h，操作电压18 V，盐室盐含量3 0 g/L为实验终点，反应90 min，得到1.45mol/L的NaOH，电流效率为6 5.8%，NaNO，转化率达7 0%，能耗为17 0 4.3 5kWh/t-NaOH。参考文献：1】杨浩然，王炳煌，郑煜铭，等.极膜电渗析处理工业高盐废水的研究现状 .膜科学与技术，2022(04):148-156.2王国栋，叶鹭婷，黄雪红，等.双极膜的制备及应用研究进展 J福建师范大学学报（自然科学版），2023(01):28-37+47.3 孙文文，唐元晖，张春晖，等.双极膜电渗析技术的研究进展 J.工业水处理，2 0 2 1(0 5):3 6-41.4黄灏宇，叶春松.双极膜电渗析技术在高盐废水处理中的应用 J.水处理技术，2 0 2 0(0 6):4-8.清洗世界杂志正式开通微信公众号近日，清洗世界杂志微信公众号正式开通，着力打造全天候的媒体服务平台，及时为读者、作者、审稿专家、编委带来新鲜、生动、有价值的信息资讯。微信用户可通过关注公众号，随时随地获知期刊及国内外清洗、环保及水处理的最新动态。公众号设置了期刊简介、投稿指南、期刊订阅、以及当期目录、期刊浏览、栏目设置等诸多实用功能，欢迎关注。清洗世界（国际刊号：ISSN1671一8 90 9，国内刊号：CN1148 3 4/T Q），月刊。被中国知网、万方数据和重庆维普全文收录，被CA化学文摘（美）(2 0 2 0)收录，由中国清洗世界化工信息中心主办，国内外公开发行的化工技术类学术期刊。清洗世界杂志公众号诚邀您的关注！