冶金、生化、食品等諸多領(lǐng)域在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生含鹽廢水,廢水的直接排放會產(chǎn)生水污染,造成土地硬化、植物燒傷、水質(zhì)下降等危害。可見,鹽的回收和脫除是一項重要的任務(wù)。目前,工業(yè)中常采用結(jié)晶、納濾、反滲透等手段進行脫鹽處理,但是存在能耗大、設(shè)備復(fù)雜、膜污染嚴(yán)重等問題。而擴散滲析具有低能耗、低膜污染、綠色環(huán)保等獨特的優(yōu)勢,所以考慮采用擴散滲析的方法用于鹽的回收和分離。不過擴散滲析過程沒有外加電場或壓力作為驅(qū)動力,僅依靠濃度差作為驅(qū)動力,因此滲析通量較低。并且與酸或堿的H+、OH-離子相比,鹽中的正、負(fù)離子尺寸較大,遷移活性較低,所以傳統(tǒng)離子交換膜對鹽滲析通量不足。復(fù)合電解質(zhì)膜是兼含陰、陽離子交換基團的一種特殊的離子膜,本文將探究其在鹽中的穩(wěn)定性和對鹽的脫除效果�？紤]到某些醫(yī)藥、食品領(lǐng)域?qū)γ擕}率要求較高,如蘇氨酸發(fā)酵母液中含有少量的鹽,需脫除并進行其他后繼處理,才能得到需要的蘇氨酸產(chǎn)品。擴散滲析過程的脫鹽率不高,與此對應(yīng),電滲析不僅能得到較高的脫鹽率,而且在電場的驅(qū)動下脫鹽速度較快,可滿足工業(yè)過程對效率和速度的需求。所以,本文的另一部分研究是采用電滲析法對模擬蘇氨酸母液進行脫鹽,探究其可行性。此外,有機高分子離子膜在耐溶脹性、強度和穩(wěn)定性等方面往往存在不足,而有機-無機雜化膜在穩(wěn)定性方面可以表現(xiàn)出較好的優(yōu)勢,本文的另一個重點是將有機-無機雜化離子膜材料用于以上擴散滲析和電滲析膜的制備和應(yīng)用中。全文由五個部分組成,各部分內(nèi)容如下:第一章為緒論。簡要介紹了離子交換膜包括有機-無機雜化離子膜的相關(guān)概念,聚電解質(zhì)復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)、優(yōu)良特性以及在鹽滲析過程中的獨特優(yōu)勢;擴散滲析和電滲析技術(shù)的原理和應(yīng)用特點;脫鹽的意義以及本文研究的應(yīng)用背景;最后概述論文研究的來源、意義及主要內(nèi)容。第二章為聚電解質(zhì)復(fù)合膜的制備以及表征。利用商業(yè)聚電解質(zhì),或者多硅共聚物作為原料,制備出兩種不同的聚陰離子溶液和一種聚陽離子溶液,然后添加聚乙烯醇(PVA)作為基體,將聚陰離子和聚陽離子溶液按不同比例共混、sol-gel反應(yīng),得到兩種系列的聚電解質(zhì)復(fù)合膜。膜材料中除PVA等成分以外,還含有Si-O-Si無機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),所以是一種有機-無機雜化材料。對制備的聚電解質(zhì)復(fù)合膜進行表征,同時選取陰離子交換膜(包括自制膜和商業(yè)膜DF-9010)、陽離子交換膜(包括自制膜和商業(yè)膜CJMCDD-1)作為參比。結(jié)果顯示聚電解質(zhì)復(fù)合膜親水性降低,水含量減小,離子遷移數(shù)減小,面電阻增大,在鹽溶液(氯化鈉和醋酸鈉)中面積膨脹和質(zhì)量損失率較低,均說明膜結(jié)構(gòu)更加致密和穩(wěn)定。因為膜中的陰、陽離子基團通過庫侖力相互作用,形成分子鏈之間的交聯(lián),使膜更加致密,所以含水量降低。此外膜中所帶的凈電荷的量減少,所以離子遷移數(shù)減小,面電阻增大。將膜應(yīng)用于NaCl水溶液擴散滲析中,發(fā)現(xiàn)聚電解質(zhì)復(fù)合膜對鹽的滲透性明顯優(yōu)于商業(yè)膜。第三章為聚電解質(zhì)復(fù)合膜用于擴散滲析脫鹽。首先,探究聚電解質(zhì)復(fù)合膜對NaCl或NaAc這兩種鹽的擴散滲析過程,并與自制陽膜和商業(yè)離子膜(DF-9010和CJMCDD-1)做對比。結(jié)果表明,滲析系數(shù)均明顯高于商業(yè)膜。然后將膜應(yīng)用于處理蘇氨酸與氯化鈉的混合溶液,表現(xiàn)出對鹽的高滲透性。最后探究其在醋酸鈉廢渣溶液處理方面的可行性,擴散滲析實驗運行5 h,得出鹽的滲析系數(shù)為0.000602 ～ 0.00120 m/h,是商業(yè)膜CJMCDD-1的13 ～26倍,且雜質(zhì)的泄漏率不高,實驗結(jié)束后水室雜質(zhì)的TOC值為0.78 ～ 1.02 g/L,可見聚電解質(zhì)復(fù)合膜對鹽有高滲透性和選擇性,在工業(yè)廢液的鹽回收方面也有較好的效果。第四章為電滲析法處理蘇氨酸模擬含鹽母液。離子交換膜選用本課題組自制的有機-無機雜化膜(CEM-4/12膜、AM-QP-30膜),并利用商業(yè)膜(CJMC-2膜、CJMA-2膜)作為參比。結(jié)果表明,電流密度越小,脫鹽越徹底。當(dāng)電流密度為10 mA/cm2時,處理蘇氨酸-NaCl混合溶液脫鹽率可達98.6%。隨著電流密度的增加,脫鹽率減小,但大大縮短了實驗運行的時間,實現(xiàn)了快速脫鹽的目的。電流密度達到60 mA/cm2時,僅需要44分鐘就到了實驗的終點,脫鹽率為91.3%。不同操作條件下蘇氨酸的截留率沒有明顯差異。與商業(yè)膜相比,雜化膜的脫鹽率類似,蘇氨酸回收率也沒有明顯差異,且雜化陰膜的表面污染較小。可見,有機-無機雜化離子膜可以應(yīng)用于電滲析過程,對模擬蘇氨酸母液的脫鹽有較好的效果,并且穩(wěn)定性良好,可重復(fù)使用。第五章為全文的總結(jié)。綜合以上各章的研究,得出的結(jié)論是,有機-無機雜化材料制備的聚電解質(zhì)復(fù)合膜穩(wěn)定性較好,能應(yīng)用在鹽的滲透實驗中,且滲透通量比單純陰或陽離子交換膜大,也能應(yīng)用在工業(yè)廢液的脫鹽處理。有機-無機雜化陰膜和陽膜用于電滲析處理含鹽蘇氨酸溶液,脫鹽效果良好,且性能穩(wěn)定,膜污染較低,有很好的應(yīng)用前景。
【學(xué)位單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TQ028.8;X703
【部分圖文】：

圖１．靜態(tài)擴散滲析裝置。（１）靜態(tài)擴散滲析采用的膜；（２）料液室；（３）１．２．２邋ＤＤ在應(yīng)用中的特點逡逑ＤＤ是以濃度差為驅(qū)動力、自發(fā)進行的分離過程，具有以下優(yōu)勢能有效地分離回收廢酸廢堿中的酸和堿，變廢為寶；（２）具有較低的行費用，操作連續(xù)、穩(wěn)定，易于進行；（３）對環(huán)境無污染。但是ＤＤ在分離速度有限、處理能力不高等缺陷。逡逑１．３電滲析（ＥＤ）逡逑電滲析過程是在外加直流電場的驅(qū)動下，利用離子交換膜的選擇透膜促使溶液中正離子通過，陰膜促使溶液中負(fù)離子通過，使得正、負(fù)離陽極和陰極移動，到達相應(yīng)的隔室，實現(xiàn)分離和提純。逡逑電滲析分離過程主要包括傳統(tǒng)電滲析（ＥＤ）、電解電滲析（ＥＥＤ）膜電滲析（ＢＭＥＤ）等類型。ＥＤ裝置包括由陰、陽膜、隔板交替組裝

邐Ｍ邋＋邋ＮａＣＩ逡逑圖２．傳統(tǒng)電滲析（ＥＤ）原理示意圖逡逑如圖２是單重復(fù)單元的ＥＤ原理圖，在實際應(yīng)用中可包括ｎ個重復(fù)單元來提逡逑高處理量。逡逑電解電滲析（ＥＥＤ）是電解反應(yīng)和電滲析的集合過程。電解電滲析需要一張逡逑或幾張ＡＥＭ或ＣＥＭ。在靠近陰極一側(cè)放置ＣＥＭ時，電極加電后，陰極室的水逡逑會電解產(chǎn)生大量的０Ｈ－離子，在電場的作用下理應(yīng)向陽極移動，但由于ＣＥＭ的逡逑存在，０Ｈ？離子會受到排斥作用不能透過膜，停留在陰極室中，就可以達到產(chǎn)堿逡逑的效果【４７］。在靠近陰極一側(cè)放置ＡＥＭ時，兩端電極加電后，陽極室水會電解產(chǎn)逡逑生大量的Ｈ＋離子，在電場的作用下理應(yīng)向陰極移動，但由于ＡＥＭ的存在而受到逡逑排斥力不能通過膜，從而停留在陽極室中，就可以達到產(chǎn)酸的目的［４７］。逡逑炎「１邐，0２邋ｎ邋氣逡逑Ｌ邋！邋ＯＨ７邐ｌ＾ｉ邋ＯＨ＾－）逡逑＼邐

產(chǎn)堿的目的。利用ＢＭＥＤ，在脫鹽的過程時可以產(chǎn)生相應(yīng)的酸和堿，從而達到逡逑脫鹽的目的或轉(zhuǎn)化為相應(yīng)酸和堿的目的。單重復(fù)單元ＢＭＥＤ的組成可以示意如逡逑圖４0逡逑ＨＲ逡逑，0２邐ｒ＂…＇＇＂＂１邐：邋ｎ逡逑（－？Ｈ＋邐＋邋－邋Ｉ邋Ｒ－邋ｉ邋ｉ＂邋Ｉ邋ＯＨ－逡逑＼邐＿邐Ｎａ＋邋Ｉ邋Ｉ邋Ｎａ＋邋／逡逑Ｈ＾°邐Ｈ，０逡逑．ｓ0ｒ邋．二ｒ－逡逑ＯＨ－邋＋邋－邋ｊ邐Ｎａ＋邋－邋Ｉ邋ｂＵ４逡逑Ｎａ＋邋＋邋＿邋ｊ邐Ｉ邋Ｎａ＋逡逑Ａ邐Ａ邐個逡逑Ｎａ２Ｓ０４邐ＮａＲ邐Ｎａ２ｓ°４逡逑圖４．雙極膜電滲析（ＢＭＯＤ）原理示意圖逡逑１．４脫鹽逡逑１．４．１脫鹽的意義逡逑在工業(yè)生產(chǎn)中，造紙、紡織、食品和醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域常產(chǎn)生大量的含鹽廢水，逡逑如果直接排放，不僅浪費了資源，也產(chǎn)生了水污染，造成土地硬化、植物燒傷、逡逑水質(zhì)下降等危害，因此，鹽的回收和脫除是一項常見和重要的任務(wù)。例如，造紙逡逑過程是從植物原料中把纖維分離提取出來，制做成漿料，然后經(jīng)過漂白流程，整逡逑個過程中會產(chǎn)生大量的廢液，對環(huán)境污染嚴(yán)重。廢液中含有大量纖維、無機鹽和逡逑７逡逑

【參考文獻】

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本文編號：2823333