溶液中离子的交换和浓缩方法技术

本发明专利技术涉及一种溶液中离子的交换和浓缩方法，该方法通过阴离子膜和阳离子膜的组合或阴、阳离子树脂的组合应用，提供离子转移的通道，实现溶液中物质的分离和离子的交换反应。在不同的置换溶液的作用下，实现海水淡化、废水的资源化、无害化处理；该方法可以广泛地应用于污水处理，工业生产过程中的离子浓缩、脱酸、脱碱、脱盐、盐水淡化过程中，以及钾盐、钠盐、碱的生产，酸碱盐之间的互相转化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种溶液中离子的交换和浓缩方法，尤其是涉及一种利用阴离子膜和阳离子膜、阴离子树脂、阳离子树脂的组合应用方法，属于离子分离

技术介绍
在水处理、包括海水淡化、化工生产、化工分离与化学反应、轻工与食品、原子能等工业领域，常涉及水中各种阴阳离子的交换或转换，或分离脱除或浓缩回收，以及有机物与水、酸、碱、盐等不同种类物质的分离、脱水、提纯和浓缩以及复分解反应问题。因为化学工业的发展，水污染以及淡水的匮乏已经影响到经济的可持续发展，水处理和净化是一个必须从技术上有新的突破的领域。
技术实现思路
本专利技术的溶液中离子的交换和浓缩方法要解决的问题是：现有的扩散渗析及Donnan扩散渗析中没有额外驱动力的问题，以及随着扩散的进行，驱动力不断减小，阻力不断增加，有驱动力不足的问题。本专利技术的方法，用于从溶液中，尤其是从废水中提炼有价值的资源，或用无害离子替换有害离子使之无害化，或完全脱除水中阴阳离子实现水的净化处理，或实现不同物质间离子的互换，产出所需要的物质。本专利技术特别地还提供了利用阴、阳离子交换膜的选择透过性，以及离子的浓差扩散效应，通过将溶液中的阳离子转换为铵根离子，将溶液中的阴离子转换为碳酸根或碳酸氢根离子，使溶液中原来阴阳离子所对应的化合物转化为容易挥发析出的碳酸铵、碳酸氢铵。下述的溶液和置换溶液是为了描述的方便而建立的一种相对的概念，实际使用时，并没有实质的区别。本专利技术的一种溶液中离子的交换和浓缩方法，其包括：步骤1、以铵根离子置换溶液中的阳离子；步骤2、以碳酸氢根离子或碳酸根离子置换溶液中的阴离子；上述步骤1和步骤2的顺序可以互换；所述的铵根离子、碳酸氢根离子、或碳酸根离子来自于置换溶液中；且置换溶液中的离子浓度最好较高，或者是饱和溶液，以增加离子扩散驱动力。溶液中的阳离子及阴离子的交换分别通过阳离子膜及阴离子膜；或分别通过阳离子树脂及阴离子树脂；较优地，阳离子膜为弱酸性阳离子膜，阴离子膜为弱碱性阴离子膜；或较优地，阳离子膜为中性阳离子膜，阴离子膜为中性阴离子膜。因为，在置换溶液中铵离子浓度高于海水或废水中阳离子浓度的情况下，可以推测，在铵离子通过阳离子膜扩散的路径上，若膜为强酸性膜，则与膜上带负电荷的基团形成偏酸性的铵盐，即在膜中迁移的铵离子附近质子浓度较高，发生淌度高的质子反向迁移，不能达到使海水或污水中阳离子被铵离子交换的效果，实验中则发现海水或污水中的盐分只有少量降低，却产生大量的氨气析出。因此，强酸性膜的实际效果是促进了水解，在进入海水或废水溶液时，铵离子与氢氧根离子结合维持电中性，而氢离子反向迁移进入置换溶液中也维持了溶液的电中性。而在置换溶液中铵离子浓度低于膜另一侧溶液中阳离子浓度的情况下，则所述的阳离子可以扩散进入置换溶液中，但铵离子应该是被去质子化后转化为氨而析出，生成的质子交换进入被置换的溶液中。此一现象，可以应用于包括含氨气即含氢氧化铵水中铵离子或铵盐的部分分解反应，以便脱除溶液中的铵离子，比如，本专利技术中淡化后的海水中的氨，尤其是利用各种酸中的氢离子通过强酸性阳离子膜作为阳离子催化促使水中铵离子去质子化的应用。因此，为了充分利用置换溶液中的铵离子交换溶液中的阳离子，较优地，阳离子膜选用弱酸性阳离子膜，以避免高淌度的质子的影响，或者，阳离子膜选用中性阳离子膜，避免水解离的发生及对膜两侧离子互相交换的影响。另外，通过在置换溶液中的铵盐溶液中加入氨水的方法，调节pH值大于7，则起到抑制强酸性阳离子膜上基团的水解提供质子的作用，因此置换溶液中的铵盐溶液最好加入氨水。同理，强碱性阴离子膜提供了氢氧根与碳酸氢根离子的无效交换，或与碳酸根离子的部分无效交换，但类似地，可以利用此现象用于废水中碳酸氢根或碳酸根离子的脱除；也因此，较优地，阴离子膜选用弱碱性或中性阴离子膜，以避免离子膜两侧阴离子的无效交换。所述溶液经步骤1处理后，再经步骤2进行处理；最优地，溶液分为两部分，各自同时地分别经步骤1和步骤2进行处理，处理后的两部分进入混合容器中，混合后的溶液再循环进行步骤1和步骤2的处理。为了降低溶液中的离子浓度，增加有效扩散驱动力，增加步骤3、析出步骤1及/或步骤2中或在混合容器中生成的碳酸铵、碳酸氢铵、二氧化碳、或氨；步骤4、循环步骤1、2、3中所述的溶液，直至所述溶液中离子的含量降低至设计要求。为了获得从溶液中浓缩的提取物，增加步骤5、析出所述置换溶液中来自所述溶液中的阳离子和阴离子分别与置换溶液中的阴离子和阳离子生成的盐；可选的但不限于所述的析出方法有冷却结晶、浓缩结晶；及步骤6、循环经步骤5处理后的溶液，分别作为步骤1、步骤2中的置换溶液；随着扩散渗析的进行，置换溶液中用于置换溶液中离子的铵根离子、碳酸根离子或碳酸氢根离子浓度不断降低，为了保持适当的高浓度，增加步骤7、补充置换用的铵盐、和碳酸盐、碳酸根盐，保持置换溶液中相应离子的浓度；其中，步骤6、7是可选的步骤。上述的铵根离子来源于氨水、铵盐或氨水与铵盐的混合物；所述的铵盐为氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、硝酸铵、硫酸铵、磷酸铵、亚硝酸胺、亚硫酸铵、硫氰酸铵；碳酸根或碳酸氢根离子来源于碳酸盐或碳酸氢盐；所述的碳酸盐为碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸铵与氨水的混合溶液、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸钠、碳酸氢钠。上述具体化合物的选择应该以经济成本为主要考量，以及目标产物的设定，兼顾工业化操作的方便性。当阳离子及阴离子的交换分别通过阳离子膜及阴离子膜时，特别地，所述的步骤2中置换溶液中的阴离子还可以是氢氧根离子；所述氢氧根离子来源于氨水或碱。上述的溶液中离子的交换和浓缩方法可用于海水、制浆污水、电镀污水、纺织皮革污水、湿法冶金污水、生物质酸水解溶液、含电解质离子的工农业生产过程中产生的各种含酸、碱、盐的污水。在应用于海水淡化时，优选的步骤1的置换溶液为饱和的或高浓度的氯化铵，最优地，在氯化铵溶液中加入氨水，使置换溶液偏碱性，步骤2的置换溶液碳酸氢铵、碳酸铵或碳酸铵与氨水的混合溶液。使海水中的阳离子如钠、钾、钙、镁、锶等转化为氯化物，浓缩提取后作为产品；使海水中的阴离子如氯离子、硫酸根离子、碳酸根离子、硝酸根离子、溴离子、氟离子等转化为铵盐并浓缩；该铵盐可以循环回用作为置换溶液中铵根离子的供体物质。在应用于含碱性污水处理时，利用所生成的氢氧化铵分解析出氨气的特点，通过鼓气泡挥发析出，或减压挥发析出氨气，直接利用前述的步骤1而无须利用步骤2即可达到脱除碱性的目的，优选的步骤1的置换溶液为饱和的或高浓度的氯化铵，以便利用大多数氯离子的盐溶于水的特点，避免在膜中或膜表面形成沉淀；或者根据产品需要选用硫酸铵、硝酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵或碳酸铵与氨水的混合溶液。若脱除碱性后的溶液中还含有其它盐离子，则再采用前述的步骤1和步骤2联合进行处理，达到彻底处理污水的目的。典型的含碱性污水有制浆造纸黑液、纺织皮革污水、氰化物提取贵重金属后的废水。在碱性制浆污水处理时，最优地，利用碳酸氢铵作为置换溶液，获得碳酸氢钠溶液，再将碳酸氢钠碳化转化为烧碱，回用于制浆工段。制浆造纸黑液脱除碱性后，黑液含有大量的有机质，可以直接作为灌溉施肥用水。纺织皮革污水、氰化物提取贵重金属后的废水则在脱除碱性后，废水中仍然含有有害的离子，如铬酸根离子、含砷酸根离子、其它重金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种溶液中离子的交换和浓缩方法，其特征在于，其包括：步骤1、以铵根离子置换溶液中的阳离子；步骤2、以碳酸氢根离子或碳酸根离子置换溶液中的阴离子；上述步骤1和步骤2的顺序可以互换；所述的铵根离子、碳酸氢根离子、或碳酸根离子来自于置换溶液中。

【技术特征摘要】
1.一种溶液中离子的交换和浓缩方法，其特征在于，其包括：步骤1、以铵根离子置换溶液中的阳离子；步骤2、以碳酸氢根离子或碳酸根离子置换溶液中的阴离子；上述步骤1和步骤2的顺序可以互换；所述的铵根离子、碳酸氢根离子、或碳酸根离子来自于置换溶液中。2.如权利要求1所述的溶液中离子的交换和浓缩方法，其特征在于，其包括：阳离子及阴离子的交换分别通过阳离子膜及阴离子膜；或分别通过阳离子树脂及阴离子树脂；较优地，阳离子膜为弱酸性阳离子膜，阴离子膜为弱碱性阴离子膜；或较优地，阳离子膜为中性阳离子膜，阴离子膜为中性阴离子膜。3.如权利要求1所述的溶液中离子的交换和浓缩方法，其特征在于，其包括：所述溶液经步骤1处理后，再经步骤2进行处理；最优地，溶液分为两部分，各自同时地分别经步骤1和步骤2进行处理，处理后的两部分进入混合容器中，混合后的溶液再循环进行步骤1和步骤2的处理。4.如权利要求1所述的溶液中离子的交换和浓缩方法，其特征在于，其包括：步骤3、析出步骤1及/或步骤2中或在混合容器中生成的碳酸铵、碳酸氢铵、二氧化碳、或氨；步骤4、循环步骤1、2、3中所述的溶液，直至所述溶液中离子的含量降低至设计要求。5.如权利要求1所述的溶液中离子的交换和浓缩方法，其特征在于，其包括：步骤5、析出所述置换溶液中来自所述溶液中的阳离子和阴离子分别与置换溶液中的阴离子和阳离子生成的盐；可选的但不限于所述的析出方法有冷却结晶、浓缩结晶；步骤6、循环经步骤5处理后的溶液，分别作为步骤1、步骤2中的置换溶液；步骤7、补充置换用的铵盐、和碳酸盐、碳酸根盐，保持置换溶液中相应离子的浓度；其中，步骤6、7是可选的步骤。6.如权利要求1所述的溶液中离子的交换和浓缩方法，其特征在于，所述的铵根离子来源于氨水、铵盐或氨水与铵盐的混合物；所述的铵盐为氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、硝酸铵、硫酸铵、磷酸铵、亚硝酸胺、亚硫酸铵、硫氰酸铵；所述的碳酸根或碳酸氢根离子来源于碳酸盐或碳酸氢盐；所述的碳酸盐为碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸铵与氨水的混合溶液、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸钠、碳酸氢钠；。7.如权利要求1和2所述的溶液中离子的交换...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦才东，
申请(专利权)人：秦才东，
类型：发明
国别省市：安徽;34