本文關鍵詞： 鋁酸鈉料液 離子交換膜 擴散滲析 電滲析 電解電滲析 耦合　出處：《合肥工業(yè)大學》2015年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：氧化鋁的生產方法主要為拜耳法。傳統(tǒng)的拜耳法在生產過程中會產生大量堿性料液即鋁酸鈉料液,其成分主要為NaOH和NaAl(OH)4。目前對該料液主要的處理方法是引入晶種,并不斷攪拌沉淀Al(OH)3,上層清液作為母液循環(huán)使用。然而,料液中NaOH濃度非常高,嚴重影響了Al(OH)3的結晶速度和產率,且母液中NaOH的純度也不高,不利于其循環(huán)使用。為了解決以上問題,我們提出在引入晶種和沉淀Al(OH)3前,先用離子交換膜擴散滲析(DD)、電滲析(ED)和電解電滲析(EED)過程對上述料液進行分離,以降低鋁酸鈉料液中NaOH的濃度,從而提高Al(OH)3的結晶速度和產率,同時母液中NaOH的純度也會相應地提高。其中,DD分離時,料液中的Na+會透過陽離子交換膜(CEM)進入水側；由于要保持溶液的電中性,料液中的OH-也會透過CEM進入水側,而Al(OH)4-由于尺寸較大而被CEM攔截,從而實現(xiàn)NaOH和NaAl(OH)4的有效分離。ED分離時,在直流電場驅動下,料液中Na+透過CEM遷移至回收室；OH-和Al(OH)4-均會透過陰離子交換膜(AEM)從料液室向回收室遷移,由于Al(OH)4-水合離子半徑較大,遷移速度較小,為OH-的1/3,較容易被AEM攔截,因此,ED對鋁酸鈉料液的分離也是可行的。EED分離時,水被電解生產OH-,陽極室料液中的Na+透過CEM遷移至陰極室(回收室)與OH-結合,從而生成和回收NaOH。本文主要考察了不同過程及不同操作參數對分離性能的影響,共分為五章,內容分別如下：第一章首先闡述了拜耳法生產氧化鋁的過程,以及存在的問題。然后提出使用離子交換膜DD、ED和EED過程來解決以上問題。最后對每種過程的原理、目前應用的領域等進行了詳細論述,同時對鋁酸鈉溶液分離的可行性也進行了詳細分析。第二章是利用DD和ED過程對鋁酸鈉料液進行分離。考察了運行時間對DD結果,以及料液濃度和電流密度對ED結果的影響,同時對膜污染也進行了研究。結果表明,DD運行4h后沒有明顯的膜污染；鋁泄漏率(ηAl(OH)-)非常低,僅為0.6%；回收液的苛性比(αk)高達17.8。不過因為DD過程的驅動力為膜兩側濃度差,沒有外加壓力或電場,所以回收液中堿的濃度較低,堿回收率(ηOH-)僅為6.3%。在ED過程中ηOH-得到了大幅度提高,當料液中OH-濃度為～1.55mol/L,電流密度為350mA/cm2時,ηOH-為48.0%；ηAl(OH)4和αk分別為12.6%和7.9,均能滿足工業(yè)要求；此外電流效率為62.5%,能耗為12.43 kWh/kg。綜合比較,DD過程具有低能耗、低膜污染和環(huán)境友好等優(yōu)勢,但回收率低；ED過程則可在短時間內實現(xiàn)較高的堿回收率,具有較高的處理能力,在大規(guī)模工業(yè)生產過程中更具有優(yōu)勢。不過以上實驗中,ηOH-仍不夠高,能耗較高,且沒有通過重復性實驗(RBEs)系統(tǒng)考察ED運行的穩(wěn)定性,為此,進行了第三章的后繼研究。第三章首先對ED膜堆構型進行了優(yōu)化,以提高ηOH-和降低能耗。然后又進行了RBEs,以研究實驗過程中的腐蝕情況以及膜的穩(wěn)定性,并對自制的AEMAM-QP-30和商業(yè)AEM FQB的性能進行了比較。最后提出用酸洗的方法來消除RBEs過程的膜污染。結果表明,優(yōu)化后的膜堆構型為三重復單元的膜堆；酸洗法可有效清除重復性實驗過程中的膜污染；ED性能高而穩(wěn)定,如ηOH-可提高至64.9-68.5%,能耗可降至7.29-7.65 kW h/kg; AM-QP-30膜的性能優(yōu)于FQB膜。因此,通過膜堆的優(yōu)化,并選用合適的離子膜和操作條件,可實現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的ED過程,獲得較好的分離效果。ED過程的優(yōu)勢主要為可對鋁酸鈉料液進行直接分離,分離速度較快,但分離后期鋁泄露率(ηAl(OH)4-)較高,因此要想得到更高的ηOH-,ηAl(OH)4的控制是至關重要的。與此相對應,EED分離過程需要陰極室電解水提供OH-,分離效率和速度較低,但其突出的優(yōu)勢在于可實現(xiàn)“零”鋁泄露率,因此可用于深度分離,進一步提高ηOH-。所以第四章提出了使用ED和EED耦合的方法從鋁酸鈉料液中分禺NaOH,以期達到高的分離效率。首先對單個ED和EED過程分別進行了深入研究,考察了電流密度、膜的類型以及膜有效面積對分離效果的影響,得到合適的操作條件為：優(yōu)選CMV/AMV膜；ED的電流密度為45-60 mA/cm2; EED電流密度為30 mA/cm2。在此基礎上,進行了耦合實驗的研究,確定ED的運行時間及合適的電流密度。例如,當ED電流密度選用60 mA/cm2時,耦合過程中ED運行時間為120 min,此時ηOH-高達90.9%,ηAl(OH)4可降至～5%,能耗僅為2.25 kW h/kg o以上結果表明耦合過程具有很高的分離效果,且能耗也很低。由此可以推論,利用耦合過程對拜耳法生產氧化鋁過程中產生的鋁酸鈉溶液進行分離,可大幅度提高隨后的晶種沉淀過程中Al(OH)3的結晶速度和產率,從而提高氧化鋁的生產效率。此外,分離出來的NaOH溶液的濃度和純度均較高,可直接作為母液循環(huán)使用,節(jié)約成本。第五章主要是對本論文全文進行總結。離子交換膜DD、ED和EED過程分離鋁酸鈉料液具有可行性,實驗室研究可取得很好的分離效果。為進一步應用于氧化鋁生產工藝,還需進行工業(yè)放大應用研究,包括膜的放大、膜過程穩(wěn)定性的提高、能耗的降低、處理能力的提高以及實際料液對膜污染的降低等。
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本文編號：1506572