【摘要】：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,市場(chǎng)對(duì)鋼材的需求量越來(lái)越大,與此同時(shí),鋼鐵行業(yè)產(chǎn)生的酸洗、軋鋼、冷卻等工業(yè)廢水量也大大增加。酸洗廢水屬酸性廢水,含有鐵、鉻、鎳、氯、氟等多種無(wú)機(jī)污染物,如不經(jīng)處理就直接排放,既會(huì)嚴(yán)重污染水環(huán)境,又將浪費(fèi)大量寶貴資源。研究以國(guó)家資源、環(huán)境等發(fā)展方向?yàn)楸尘?以膜分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)酸洗廢水零排放為切入點(diǎn),分析膜分離過(guò)程應(yīng)用中的共性科學(xué)問(wèn)題,重點(diǎn)研究適用于鹽酸酸洗廢水處理的陰離子交換膜的選擇、電滲析用陽(yáng)極材料的制備和擴(kuò)散滲析-電滲析聯(lián)合工藝處理鋼鐵廠鹽酸酸洗廢水的可行性及其影響因素。 從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面考慮,傳統(tǒng)的中和處理法無(wú)法經(jīng)濟(jì)高效的處理鹽酸酸洗廢水。因此研究首先對(duì)膜分離技術(shù)處理鹽酸酸洗廢水的機(jī)理進(jìn)行分析,從而選擇擴(kuò)散滲析和電滲析技術(shù)同時(shí)回收酸洗廢水中的酸和鐵；離子交換膜和電極是擴(kuò)散滲析和電滲析技術(shù)的關(guān)鍵部件,因此,研究將選擇一種分離性能好、交換容量大的陰離子交換膜,提高擴(kuò)散滲析分離鹽酸酸洗廢水中酸和鹽的分離效率,確保擴(kuò)散滲析體系高效穩(wěn)定長(zhǎng)期運(yùn)行。以在酸性介質(zhì)中使用時(shí)具有較好的穩(wěn)定性和活性非貴金屬氧化物為活性組分,用涂刷熱分解法和電沉積法制備“尺寸穩(wěn)定陽(yáng)極"(Dimensionally Stable Anode, DSA),并對(duì)所制備的陽(yáng)極進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試和X射線能譜(EDX)分析,進(jìn)而考察它對(duì)鹽酸酸洗廢水的處理效果。此外,研究將擴(kuò)散滲析和電滲析兩種技術(shù)聯(lián)合后用于鋼鐵廠鹽酸酸洗廢水的處理,并考察酸洗廢水水質(zhì)、流量及蒸餾水與廢水的流量比、電滲析裝置進(jìn)水水質(zhì)、槽電壓等操作條件對(duì)處理效果的影響,進(jìn)而對(duì)聯(lián)合工藝的影響因素進(jìn)行優(yōu)化,探討其可行性。 分別采用DF120型均相陰離子交換膜和3362型異相陰離子交換膜進(jìn)行靜態(tài)擴(kuò)散滲析實(shí)驗(yàn),測(cè)定若干組相應(yīng)時(shí)間擴(kuò)散滲析裝置左右兩室溶質(zhì)濃度差,根據(jù)Fick擴(kuò)散定律求出C1-和Fe2+的滲析速率及Fe2+透過(guò)膜的偏通量,考察不同陰離子交換膜對(duì)酸洗廢水中酸和鹽的分離效果。結(jié)果表明采用DF120型和3362型膜時(shí),C1-的平均滲析速率分別為5.46×10-3m/h和2.44×10-3m/h,Fe2+的平均滲析速率分別為2.67×10-4m/h和1.49x10-4m/h,Fe2+透過(guò)膜的平均偏通量分別為0.85%和0.9%,對(duì)HCl-FeCl2的平均分離系數(shù)分別為23.7和16.4,DF120型膜具有更好的交換容量和分離性能。在動(dòng)態(tài)擴(kuò)散滲析實(shí)驗(yàn)中,采用DF120膜時(shí),酸回收率達(dá)到67.5%,回收酸中鹽酸濃度為0.20mol/LFe2+濃度小于0.002mol/L,平均Fe2+泄漏率為7.3%。 采用電沉積法和涂刷熱分解法制備鈦基二氧化鉛陽(yáng)極(Ti/PbO2)、鈦基錫銻金屬氧化物涂層陽(yáng)極(Ti/SnO2-Sb2O3)和帶有錫銻金屬氧化物中間層的改性鈦基二氧化鉛陽(yáng)極(Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2)。通過(guò)SEM及EDX分析,當(dāng)涂液中溶質(zhì)配比Sn:Sb=946,溶劑為乙醇,烘干溫度為110℃,烘干時(shí)間為1Omin,熱分解溫度為500℃,氧化時(shí)間為15min,電流密度為20mA/cm2時(shí),制備出的Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2陽(yáng)極涂層表面晶體完整、致密均勻,且結(jié)晶比Ti/PbO2和Ti/SnO2-Sb2O3陽(yáng)極明顯細(xì)化,涂層不易脫落,電極的工作壽命更長(zhǎng)；同時(shí)由于Pb02表層晶體結(jié)構(gòu)的改善,不僅使電極具有更好的電化學(xué)活性,在酸型介質(zhì)中也具有更好的耐腐蝕性。用三種DSA陽(yáng)極和石墨陽(yáng)極處理鹽酸酸洗廢水時(shí)的鐵回收率分別為75.1%、90.3%、91.7%和54.5%,耗電量分別為3.17、2.84、2.57、5.95KWh/KgFe, DSA陽(yáng)極的處理效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)石墨陽(yáng)極,Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2和極的處理效果最好。 以Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2為陽(yáng)極,進(jìn)行靜態(tài)電滲析實(shí)驗(yàn),考察槽電壓、電解時(shí)間、陰極液pH及Fe2+濃度、陽(yáng)極液pH對(duì)處理效果的影響,當(dāng)采用篩選出的最優(yōu)化控制參數(shù)時(shí),鐵回收率可達(dá)90%,陰極出水pH為5.13,Fe2+濃度小于40mg/L;陽(yáng)極出水pH為1.08,Fe2+濃度小于10mg/L。在動(dòng)態(tài)電滲析實(shí)驗(yàn)中,考察槽電壓及陰陽(yáng)極液流量對(duì)處理效果的影響,當(dāng)采用篩選出的最優(yōu)化控制參數(shù)時(shí),鐵回收率可達(dá)91.8%,電流效率可達(dá)70.3%,陰極室出水pH值可達(dá)6.00,Fe2+濃度小于60mg/L,陽(yáng)極室出水pH可達(dá)1.00,Fe2+濃度小于25mg/L 將擴(kuò)散滲析和電滲析技術(shù)聯(lián)合后處理某鋼鐵廠產(chǎn)生的鹽酸酸洗廢水,并使用DF120型膜和Ti/SnO2-Sb203/Pb02陽(yáng)極,采用篩選出的最優(yōu)化控制參數(shù),回收酸濃度平均為0.2mol/L,酸回收率平均為66.7%；出水中Fe2+濃度平均為99.5mg/L,鐵回收率可達(dá)88%；出水中氯離子濃度平均為5352mg/L,氯離子去除率平均為73.4%。系統(tǒng)的平均耗電量為2.81KWh/KgFe,平均電流效率可達(dá)81.7%。 研究結(jié)果表明,適用于擴(kuò)散滲析-電滲析聯(lián)合工藝處理鹽酸酸洗廢水的陰離子交換膜的選擇應(yīng)重點(diǎn)考慮膜的離子遷移數(shù)、含水量、交換容量、物理和化學(xué)穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)改性的鈦基二氧化鉛陽(yáng)極對(duì)鹽酸酸洗廢水的處理效果更為顯著。采用擴(kuò)散滲析-電滲析聯(lián)合工藝處理鹽酸酸洗廢水不僅是可行的,而且是經(jīng)濟(jì)高效的。
【圖文】：

濃差滲析或自然滲析。它主要用于有機(jī)和無(wú)機(jī)電解質(zhì)的分離和純化。在環(huán)境工程方面，目前主要用于酸、堿廢液的處理和回收[47]。膜的分離原理如圖1.1所示。GEM AEW? m il . [1?—Fixed I~朿@ ? B-ee 瞧圖1.1離子交換膜的分離原理Fig. 1.1 The separation principle of ion-exchange membrane陽(yáng)離子交換膜(CEM)帶有負(fù)的固定電荷，這些固定電荷被空隙中的可移動(dòng)的帶正電的反離子包圍著。這些固定電荷可以是d羲嶧退蠡蚱淥緇臶48]。y酸基在整個(gè)pH范圍內(nèi)都能解離，而羧基在pH小于3時(shí)發(fā)生質(zhì)子化。大多數(shù)陰離子交換膜(AEM)的固定電荷是銨基[48]。它們可以是從伯胺到季按的基團(tuán)。其中季錢基在整個(gè)pH范圍內(nèi)都離解，而伯胺基只在酸性環(huán)境中帶正電。這時(shí)反離子是-13 -

Fe2+濃度/(mg/mL)圖3.3 Fe2+濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線g. 3.3 Standard calibrations of absorbency versus concentration率、回收率及泄漏率的計(jì)算室溶液體積分別為Vi和V2，且不隨時(shí)間變化，I、II兩分別為Cilo和020，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散時(shí)間t后，，其濃度分別為Cm和為mit，膜有效面積為S，膜厚度為d，i在膜中的擴(kuò)散系數(shù)為與右室離子濃度差A(yù)Cit為：C,, -C,,, = (C,,。-m丨,IV,)-(C,,。+ m"/V,) = AC,, -m“-Ci2o。上式對(duì)t微分得： 1 2clACji =廠 1 + 廠2 dmIIdt - vy, ”~dr律得：dm“ ^ _ d{Cjj, - C,.,.) ^。dC“ ^ ? AC,.,~'^ = -D.S '2'——?義=D.S~'^?D.S~
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：X757

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2702985