有機(jī)-無機(jī)雜化膜擴(kuò)散滲析和電滲析脫鹽研究.pdf

1、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?？梢?，鹽的回收和脫除是一項(xiàng)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(jìn)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(kuò)散滲析具有低能耗、低膜污染、綠色環(huán)保等獨(dú)特的優(yōu)勢，所以考慮采用擴(kuò)散滲析的方法用于鹽的回收和分離。不過擴(kuò)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

2、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(tuán)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。
　　考慮到某些醫(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(jìn)行其他后繼處理，才能得到需要的蘇氨酸產(chǎn)品。擴(kuò)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

3、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(jìn)行脫鹽，探究其可行性。
　　此外，有機(jī)高分子離子膜在耐溶脹性、強(qiáng)度和穩(wěn)定性等方面往往存在不足，而有機(jī)-無機(jī)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(diǎn)是將有機(jī)-無機(jī)雜化離子膜材料用于以上擴(kuò)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(jī)-無機(jī)

4、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(dú)特優(yōu)勢;擴(kuò)散滲析和電滲析技術(shù)的原理和應(yīng)用特點(diǎn);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

5、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(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以是一種有機(jī)-無機(jī)雜化材料。對制備的聚電解質(zhì)復(fù)合膜進(jìn)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?yàn)槟ぶ械年帯㈥栯x子基

6、團(tuán)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(kuò)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(kuò)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(kuò)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

7、。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(kuò)散滲析實(shí)驗(yàn)運(yùn)行5h，得出鹽的滲析系數(shù)為0.000602～0.00120m/h，是商業(yè)膜CJMCDD-1的13～26倍，且雜質(zhì)的泄漏率不高，實(shí)驗(yàn)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

8、。離子交換膜選用本課題組自制的有機(jī)-無機(jī)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(dá)98.6％。隨著電流密度的增加，脫鹽率減小，但大大縮短了實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的時間，實(shí)現(xiàn)了快速脫鹽的目的。電流密度達(dá)到60 mA/cm2時，僅需要44分鐘就到了實(shí)驗(yàn)的終點(diǎn)，脫鹽率為91.3％。不同操

9、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?？梢?，有機(jī)-無機(jī)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(jī)-無機(jī)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(shí)驗(yàn)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