溶液中離子的交換和濃縮方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種溶液中離子的交換和濃縮方法，該方法通過陰離子膜和陽離子膜的組合或陰、陽離子樹脂的組合應(yīng)用，提供離子轉(zhuǎn)移的通道，實現(xiàn)溶液中物質(zhì)的分離和離子的交換反應(yīng)。在不同的置換溶液的作用下，實現(xiàn)海水淡化、廢水的資源化、無害化處理；該方法可以廣泛地應(yīng)用于污水處理，工業(yè)生產(chǎn)過程中的離子濃縮、脫酸、脫堿、脫鹽、鹽水淡化過程中，以及鉀鹽、鈉鹽、堿的生產(chǎn)，酸堿鹽之間的互相轉(zhuǎn)化。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種溶液中離子的交換和濃縮方法，尤其是涉及一種利用陰離子膜和陽離子膜、陰離子樹脂、陽離子樹脂的組合應(yīng)用方法，屬于離子分離

技術(shù)介紹
在水處理、包括海水淡化、化工生產(chǎn)、化工分離與化學(xué)反應(yīng)、輕工與食品、原子能等工業(yè)領(lǐng)域，常涉及水中各種陰陽離子的交換或轉(zhuǎn)換，或分離脫除或濃縮回收，以及有機物與水、酸、堿、鹽等不同種類物質(zhì)的分離、脫水、提純和濃縮以及復(fù)分解反應(yīng)問題。因為化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，水污染以及淡水的匱乏已經(jīng)影響到經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，水處理和凈化是一個必須從技術(shù)上有新的突破的領(lǐng)域。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的溶液中離子的交換和濃縮方法要解決的問題是：現(xiàn)有的擴散滲析及Donnan擴散滲析中沒有額外驅(qū)動力的問題，以及隨著擴散的進行，驅(qū)動力不斷減小，阻力不斷增加，有驅(qū)動力不足的問題。本專利技術(shù)的方法，用于從溶液中，尤其是從廢水中提煉有價值的資源，或用無害離子替換有害離子使之無害化，或完全脫除水中陰陽離子實現(xiàn)水的凈化處理，或?qū)崿F(xiàn)不同物質(zhì)間離子的互換，產(chǎn)出所需要的物質(zhì)。本專利技術(shù)特別地還提供了利用陰、陽離子交換膜的選擇透過性，以及離子的濃差擴散效應(yīng)，通過將溶液中的陽離子轉(zhuǎn)換為銨根離子，將溶液中的陰離子轉(zhuǎn)換為碳酸根或碳酸氫根離子，使溶液中原來陰陽離子所對應(yīng)的化合物轉(zhuǎn)化為容易揮發(fā)析出的碳酸銨、碳酸氫銨。下述的溶液和置換溶液是為了描述的方便而建立的一種相對的概念，實際使用時，并沒有實質(zhì)的區(qū)別。本專利技術(shù)的一種溶液中離子的交換和濃縮方法，其包括：步驟1、以銨根離子置換溶液中的陽離子；步驟2、以碳酸氫根離子或碳酸根離子置換溶液中的陰離子；上述步驟1和步驟2的順序可以互換；所述的銨根離子、碳酸氫根離子、或碳酸根離子來自于置換溶液中；且置換溶液中的離子濃度最好較高，或者是飽和溶液，以增加離子擴散驅(qū)動力。溶液中的陽離子及陰離子的交換分別通過陽離子膜及陰離子膜；或分別通過陽離子樹脂及陰離子樹脂；較優(yōu)地，陽離子膜為弱酸性陽離子膜，陰離子膜為弱堿性陰離子膜；或較優(yōu)地，陽離子膜為中性陽離子膜，陰離子膜為中性陰離子膜。因為，在置換溶液中銨離子濃度高于海水或廢水中陽離子濃度的情況下，可以推測，在銨離子通過陽離子膜擴散的路徑上，若膜為強酸性膜，則與膜上帶負(fù)電荷的基團形成偏酸性的銨鹽，即在膜中遷移的銨離子附近質(zhì)子濃度較高，發(fā)生淌度高的質(zhì)子反向遷移，不能達到使海水或污水中陽離子被銨離子交換的效果，實驗中則發(fā)現(xiàn)海水或污水中的鹽分只有少量降低，卻產(chǎn)生大量的氨氣析出。因此，強酸性膜的實際效果是促進了水解，在進入海水或廢水溶液時，銨離子與氫氧根離子結(jié)合維持電中性，而氫離子反向遷移進入置換溶液中也維持了溶液的電中性。而在置換溶液中銨離子濃度低于膜另一側(cè)溶液中陽離子濃度的情況下，則所述的陽離子可以擴散進入置換溶液中，但銨離子應(yīng)該是被去質(zhì)子化后轉(zhuǎn)化為氨而析出，生成的質(zhì)子交換進入被置換的溶液中。此一現(xiàn)象，可以應(yīng)用于包括含氨氣即含氫氧化銨水中銨離子或銨鹽的部分分解反應(yīng)，以便脫除溶液中的銨離子，比如，本專利技術(shù)中淡化后的海水中的氨，尤其是利用各種酸中的氫離子通過強酸性陽離子膜作為陽離子催化促使水中銨離子去質(zhì)子化的應(yīng)用。因此，為了充分利用置換溶液中的銨離子交換溶液中的陽離子，較優(yōu)地，陽離子膜選用弱酸性陽離子膜，以避免高淌度的質(zhì)子的影響，或者，陽離子膜選用中性陽離子膜，避免水解離的發(fā)生及對膜兩側(cè)離子互相交換的影響。另外，通過在置換溶液中的銨鹽溶液中加入氨水的方法，調(diào)節(jié)pH值大于7，則起到抑制強酸性陽離子膜上基團的水解提供質(zhì)子的作用，因此置換溶液中的銨鹽溶液最好加入氨水。同理，強堿性陰離子膜提供了氫氧根與碳酸氫根離子的無效交換，或與碳酸根離子的部分無效交換，但類似地，可以利用此現(xiàn)象用于廢水中碳酸氫根或碳酸根離子的脫除；也因此，較優(yōu)地，陰離子膜選用弱堿性或中性陰離子膜，以避免離子膜兩側(cè)陰離子的無效交換。所述溶液經(jīng)步驟1處理后，再經(jīng)步驟2進行處理；最優(yōu)地，溶液分為兩部分，各自同時地分別經(jīng)步驟1和步驟2進行處理，處理后的兩部分進入混合容器中，混合后的溶液再循環(huán)進行步驟1和步驟2的處理。為了降低溶液中的離子濃度，增加有效擴散驅(qū)動力，增加步驟3、析出步驟1及/或步驟2中或在混合容器中生成的碳酸銨、碳酸氫銨、二氧化碳、或氨；步驟4、循環(huán)步驟1、2、3中所述的溶液，直至所述溶液中離子的含量降低至設(shè)計要求。為了獲得從溶液中濃縮的提取物，增加步驟5、析出所述置換溶液中來自所述溶液中的陽離子和陰離子分別與置換溶液中的陰離子和陽離子生成的鹽；可選的但不限于所述的析出方法有冷卻結(jié)晶、濃縮結(jié)晶；及步驟6、循環(huán)經(jīng)步驟5處理后的溶液，分別作為步驟1、步驟2中的置換溶液；隨著擴散滲析的進行，置換溶液中用于置換溶液中離子的銨根離子、碳酸根離子或碳酸氫根離子濃度不斷降低，為了保持適當(dāng)?shù)母邼舛龋黾硬襟E7、補充置換用的銨鹽、和碳酸鹽、碳酸根鹽，保持置換溶液中相應(yīng)離子的濃度；其中，步驟6、7是可選的步驟。上述的銨根離子來源于氨水、銨鹽或氨水與銨鹽的混合物；所述的銨鹽為氯化銨、碳酸銨、碳酸氫銨、硝酸銨、硫酸銨、磷酸銨、亞硝酸胺、亞硫酸銨、硫氰酸銨；碳酸根或碳酸氫根離子來源于碳酸鹽或碳酸氫鹽；所述的碳酸鹽為碳酸銨、碳酸氫銨、碳酸銨與氨水的混合溶液、碳酸鉀、碳酸氫鉀、碳酸鈉、碳酸氫鈉。上述具體化合物的選擇應(yīng)該以經(jīng)濟成本為主要考量，以及目標(biāo)產(chǎn)物的設(shè)定，兼顧工業(yè)化操作的方便性。當(dāng)陽離子及陰離子的交換分別通過陽離子膜及陰離子膜時，特別地，所述的步驟2中置換溶液中的陰離子還可以是氫氧根離子；所述氫氧根離子來源于氨水或堿。上述的溶液中離子的交換和濃縮方法可用于海水、制漿污水、電鍍污水、紡織皮革污水、濕法冶金污水、生物質(zhì)酸水解溶液、含電解質(zhì)離子的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種含酸、堿、鹽的污水。在應(yīng)用于海水淡化時，優(yōu)選的步驟1的置換溶液為飽和的或高濃度的氯化銨，最優(yōu)地，在氯化銨溶液中加入氨水，使置換溶液偏堿性，步驟2的置換溶液碳酸氫銨、碳酸銨或碳酸銨與氨水的混合溶液。使海水中的陽離子如鈉、鉀、鈣、鎂、鍶等轉(zhuǎn)化為氯化物，濃縮提取后作為產(chǎn)品；使海水中的陰離子如氯離子、硫酸根離子、碳酸根離子、硝酸根離子、溴離子、氟離子等轉(zhuǎn)化為銨鹽并濃縮；該銨鹽可以循環(huán)回用作為置換溶液中銨根離子的供體物質(zhì)。在應(yīng)用于含堿性污水處理時，利用所生成的氫氧化銨分解析出氨氣的特點，通過鼓氣泡揮發(fā)析出，或減壓揮發(fā)析出氨氣，直接利用前述的步驟1而無須利用步驟2即可達到脫除堿性的目的，優(yōu)選的步驟1的置換溶液為飽和的或高濃度的氯化銨，以便利用大多數(shù)氯離子的鹽溶于水的特點，避免在膜中或膜表面形成沉淀；或者根據(jù)產(chǎn)品需要選用硫酸銨、硝酸銨、碳酸銨、碳酸氫銨或碳酸銨與氨水的混合溶液。若脫除堿性后的溶液中還含有其它鹽離子，則再采用前述的步驟1和步驟2聯(lián)合進行處理，達到徹底處理污水的目的。典型的含堿性污水有制漿造紙黑液、紡織皮革污水、氰化物提取貴重金屬后的廢水。在堿性制漿污水處理時，最優(yōu)地，利用碳酸氫銨作為置換溶液，獲得碳酸氫鈉溶液，再將碳酸氫鈉碳化轉(zhuǎn)化為燒堿，回用于制漿工段。制漿造紙黑液脫除堿性后，黑液含有大量的有機質(zhì)，可以直接作為灌溉施肥用水。紡織皮革污水、氰化物提取貴重金屬后的廢水則在脫除堿性后，廢水中仍然含有有害的離子，如鉻酸根離子、含砷酸根離子、其它重金屬本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種溶液中離子的交換和濃縮方法，其特征在于，其包括：步驟1、以銨根離子置換溶液中的陽離子；步驟2、以碳酸氫根離子或碳酸根離子置換溶液中的陰離子；上述步驟1和步驟2的順序可以互換；所述的銨根離子、碳酸氫根離子、或碳酸根離子來自于置換溶液中。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種溶液中離子的交換和濃縮方法，其特征在于，其包括：步驟1、以銨根離子置換溶液中的陽離子；步驟2、以碳酸氫根離子或碳酸根離子置換溶液中的陰離子；上述步驟1和步驟2的順序可以互換；所述的銨根離子、碳酸氫根離子、或碳酸根離子來自于置換溶液中。2.如權(quán)利要求1所述的溶液中離子的交換和濃縮方法，其特征在于，其包括：陽離子及陰離子的交換分別通過陽離子膜及陰離子膜；或分別通過陽離子樹脂及陰離子樹脂；較優(yōu)地，陽離子膜為弱酸性陽離子膜，陰離子膜為弱堿性陰離子膜；或較優(yōu)地，陽離子膜為中性陽離子膜，陰離子膜為中性陰離子膜。3.如權(quán)利要求1所述的溶液中離子的交換和濃縮方法，其特征在于，其包括：所述溶液經(jīng)步驟1處理后，再經(jīng)步驟2進行處理；最優(yōu)地，溶液分為兩部分，各自同時地分別經(jīng)步驟1和步驟2進行處理，處理后的兩部分進入混合容器中，混合后的溶液再循環(huán)進行步驟1和步驟2的處理。4.如權(quán)利要求1所述的溶液中離子的交換和濃縮方法，其特征在于，其包括：步驟3、析出步驟1及/或步驟2中或在混合容器中生成的碳酸銨、碳酸氫銨、二氧化碳、或氨；步驟4、循環(huán)步驟1、2、3中所述的溶液，直至所述溶液中離子的含量降低至設(shè)計要求。5.如權(quán)利要求1所述的溶液中離子的交換和濃縮方法，其特征在于，其包括：步驟5、析出所述置換溶液中來自所述溶液中的陽離子和陰離子分別與置換溶液中的陰離子和陽離子生成的鹽；可選的但不限于所述的析出方法有冷卻結(jié)晶、濃縮結(jié)晶；步驟6、循環(huán)經(jīng)步驟5處理后的溶液，分別作為步驟1、步驟2中的置換溶液；步驟7、補充置換用的銨鹽、和碳酸鹽、碳酸根鹽，保持置換溶液中相應(yīng)離子的濃度；其中，步驟6、7是可選的步驟。6.如權(quán)利要求1所述的溶液中離子的交換和濃縮方法，其特征在于，所述的銨根離子來源于氨水、銨鹽或氨水與銨鹽的混合物；所述的銨鹽為氯化銨、碳酸銨、碳酸氫銨、硝酸銨、硫酸銨、磷酸銨、亞硝酸胺、亞硫酸銨、硫氰酸銨；所述的碳酸根或碳酸氫根離子來源于碳酸鹽或碳酸氫鹽；所述的碳酸鹽為碳酸銨、碳酸氫銨、碳酸銨與氨水的混合溶液、碳酸鉀、碳酸氫鉀、碳酸鈉、碳酸氫鈉；。7.如權(quán)利要求1和2所述的溶液中離子的交換...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：秦才東，
申請(專利權(quán))人：秦才東，
類型：發(fā)明
國別省市：安徽;34