一种用于特种阳离子精细化筛分的阳离子精馏系统及其应用技术方案

本发明专利技术公开了一种用于特种阳离子精细化筛分的阳离子精馏系统及其应用，该系统由一张或多张阴离子交换膜和特种阳离子选择性膜依照“同类同侧”原则依次叠压后加上流道隔网和密封垫片组成，不同于传统电渗析膜堆中功能薄膜的排列方式，该系统中不同类型功能薄膜不交替穿插排列。本发明专利技术的阳离子精馏系统采用对某种阳离子具有特异筛分能力的特种隔膜，通过层层叠加，实现阳离子的逐级筛分、杂质阳离子的逐级阻隔及特种阳离子选择性级数放大，极大提升特种阳离子的精细化筛分效率，打破了传统电渗析过程由单一阳离子特种筛分隔膜自身特性决定目标阳离子选择性的约束条件。决定目标阳离子选择性的约束条件。决定目标阳离子选择性的约束条件。

【技术实现步骤摘要】
一种用于特种阳离子精细化筛分的阳离子精馏系统及其应用


[0001]本专利技术属于电驱动膜分离领域，具体涉及一种用于特种阳离子精细化筛分的阳离子精馏技术及生产方法。

技术介绍

[0002]特种离子分离是一种重要的化工分离技术，在化工废水处理、海水淡化、盐湖提锂、生物医药等领域占据重要地位。传统上，适用于特种离子筛分的分离技术包括离子交换、溶剂萃取、离子筛吸附、膜分离、多步结晶、层析等技术工艺。这些过程可以很好实现目标离子的分离，但受制于工艺自身的技术壁垒，这些传统的特种离子分离技术仍然存在着多种多样的问题。
[0003]离子交换过程、溶剂萃取、离子筛吸附过程利用功能材料内部的功能交换基团或网格框架与目标离子间的特异性相互作用，通过物理吸附作用，选择性的由复杂物料中筛分出目标离子，并经过脱附过程将目标离子洗脱，从而实现目标离子的分离。目标离子的分离能力决定于功能材料自身的吸附特性，通过物料吸附单元间的多级集成耦合，可实现目标离子的高效分离。受制于物理吸附过程工作时的吸附与脱附特性，它们在实际物料处理过程中存在着潜在的高成本、环境污染、稳定性差等多种问题。以离子交换过程为例，其可以很好的选择性吸附物料中的目标离子，但离子的脱附过程需要消耗大量的纯水或者酸性溶液进行冲洗，从而再生离子交换树脂，离子交换树脂的吸附与脱附过程视为一个工作循环。单个的离子交换单元无法进行连续式操作，只能通过间歇式的加料与清洗进行目标离子分离，通过离子交换单元间的串联或并联式联通，可以实现物料处理的连续式操作，但同样也延长了过程工艺路线，各个单元间在运行时的耦合匹配也使得过程工艺操作变得极为复杂。另外，离子交换膜树脂的再生会排放大量酸性废水，这些废水中同时含有大量的重金属离子，而这些非传统废水的处理过程又无法采用生化、高级氧化、压力驱动膜分离等典型水处理工艺处理，其直接排放也会对环境造成巨大危害。
[0004]选择电渗析作为一种电驱动膜分离工艺，可以用于混合物料中特种离子的筛分。根据目标离子与其它混合离子间的电荷性质、水合能、离子水合半径等物化性质差异，通过采用特种的功能隔膜，如一多价离子选择膜、阻氢隔膜、电纳滤隔膜等，利用目标离子与功能隔膜间存在特异性的响应作用，目标离子与其它混合离子在功能隔膜中迁移时存在着一定的速率差异(通常目标离子迁移速率快于杂质离子)，以电场为驱动力，并采用特定的排列方式搭配使用功能隔膜，可实现目标离子的高效分离。选择电渗析被广泛应用于盐湖提锂、浓盐水资源化、化工绿色生产等过程。
[0005]与传统的特种离子分离工艺相似，选择电渗析器采用流通式进料与出料处理模式，物料在选择电渗析膜堆内部流通，其处理效率决定于物料在电渗析器中的停留时间及外部电场强度。流通式的进料模式允许单个选择电渗析操作单元在连续式、间歇式、半间歇式等工艺条件下运行。但受制于电渗析过程基本运行机制，选择电渗析通常采用阴离子特种分离隔膜与阳离子特种分离隔膜搭配使用，两种隔膜叠加形成一个膜单元，通过重复叠
加膜单元可以增大物料处理量。因此，在选择电渗析过程工艺中，特种离子的分离性能仍决定于功能隔膜自身的筛分特性，而功能隔膜不理想的筛分性能也限制了目标离子分离效率。
[0006]类似于传统的特种离子分离工艺，如离子交换、溶剂萃取、离子筛吸附等，工业上需通过多个选择电渗析单元的耦合集成才能实现特种离子的目标筛分，此时，选择电渗析自身的连续式操作特点不能得到有效体现。因此，从化工过程集约化、分离过程高效化及流程系统经济化的方面出发，本专利技术提出了一种用于特种阳离子精细化筛分的离子精馏技术及器件，打破传统的选择电渗析单元内部的功能隔膜排布方式，将多个外部耦合的选择电渗析单元内集成，基于特种离子在功能隔膜中的多级筛分机制及离子选择系数的级数放大效应，实现特种离子由复杂混合料液的精细化筛分。

技术实现思路

[0007]本专利技术是为避免上述现有特种离子分离技术所存在的不足之处，提供一种用于特种阳离子精细化筛分的阳离子精馏系统，打破传统的选择电渗析单元内部的功能隔膜排布方式，将多个外部耦合集成的选择电渗析单元内集成，基于特种离子在功能隔膜中的多级筛分机制及离子选择系数的级数放大效应，实现特种离子由复杂混合料液的精细化筛分。
[0008]受制于电渗析过程基本运行机制，选择电渗析通常采用阴离子特种分离隔膜与阳离子特种分离隔膜搭配使用，两种隔膜叠加形成一个膜单元，通过重复叠加膜单元可以增大物料处理量。本专利技术打破传统电渗析过程的基本运行机制，依照“同类同侧”原则布置特种阳离子选择性功能隔膜及配对使用阴离子隔膜，通过依次叠加使用n张“同类”特种阳离子选择性功能隔膜，目标阳离子在功能隔膜中被多张阳离子选择性功能隔膜选择性筛分，同时杂质阳离子被多张阳离子选择性功能隔膜选择性阻隔，最终经过n级的选择性分离，目标阳离子与杂质离子间的选择性系数得到级数放大，从而在单个的电渗析膜组件内实现目标阳离子的高效化分离，达到迄今已报道的单个膜分离单元最高的目标离子分离系数。
[0009]本专利技术为解决技术问题，采用如下技术方案：
[0010]一种用于特种阳离子精细化筛分的阳离子精馏系统，其特点在于：采用具有特种阳离子筛分性能的离子交换膜，并配对使用阴离子交换膜，依照“同类同侧”原则依次排列配置于阳极板与阴极板之间，构成具有阳离子精细化筛分性能的阳离子精馏系统，并以电流为驱动力，协同实现特种阳离子的高效分离及浓缩。
[0011]所述阳离子精馏系统由阳离子精馏器件、溶液辅助循环系统及电流供电系统组成。所述阳离子精馏器件是由封装于阳极板与阴极板之间的至少一组阳离子精馏单元构成；所述阳离子精馏单元是由一张或多张阴离子交换膜和一张或多张特种阳离子选择性膜依照“同类同侧”原则依次叠压后加上流道隔网和密封垫片组成的膜单元。“同类”指的是对同种类型的离子具有选择性的功能薄膜，如对于阴离子具有选择性的阴离子交换膜，对阳离子具有选择性的阳离子交换膜；“同侧”指的是同种类型的特种隔膜应置于相同的一侧，如阳极侧或阴极侧，并且不同类型的功能隔膜不穿插排列。所述“同类同侧”原则是指同种类型的膜置于相同的一侧，即在所述阳离子精馏单元中，首先叠压阴离子交换膜，然后叠压特种阳离子选择性膜，并使阴离子交换膜靠近阳极板、特种阳离子选择性膜靠近阴极板；相邻阴离子交换膜之间形成1个或多个阴离子保留室；相邻特种阳离子选择性膜之间形成1个
或多个阳离子精馏室；阴离子交换膜与特种阳离子选择性膜之间形成料液室。按照“同类同侧”原则组装而成的膜单元为一个阳离子精馏单元，根据实际操作需求不同，可在阳极板与阴极板间设置一组阳离子精馏单元，也可以重复排列若干阳离子精馏单元。根据阳离子的筛分目标，在一个阳离子精馏单元中可以自由叠加或减少所使用的功能隔膜数量，“同类”功能薄膜间使用数量可自由搭配，不仅限于“数量等同”原则搭配。
[0012]同时，为了避免电极腔室对于离子精馏过程影响，可在阳极板、阴极板与阳离子精馏单元之间置加封端隔膜。所述阳极板与所述封端隔膜之间形成阳极室、所述阴极板与所述封端隔膜之间形成阴本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于特种阳离子精细化筛分的阳离子精馏系统，其特征在于：包括阳离子精馏器件；所述阳离子精馏器件是由封装于阳极板与阴极板之间的至少一组阳离子精馏单元构成；所述阳离子精馏单元是由一张或多张阴离子交换膜和一张或多张特种阳离子选择性膜依照“同类同侧”原则依次叠压后加上流道隔网和密封垫片组成的膜单元。2.根据权利要求1所述的阳离子精馏系统，其特征在于：所述“同类同侧”原则是指同种类型的膜置于相同的一侧，即在所述阳离子精馏单元中，首先叠压阴离子交换膜，然后叠压特种阳离子选择性膜，并使阴离子交换膜靠近阳极板、特种阳离子选择性膜靠近阴极板；相邻阴离子交换膜之间形成1个或多个阴离子保留室；相邻特种阳离子选择性膜之间形成1个或多个阳离子精馏室；阴离子交换膜与特种阳离子选择性膜之间形成料液室。3.根据权利要求1或2所述的阳离子精馏系统，其特征在于：在所述阳极板、阴极板与阳离子精馏单元之间设置有封端隔膜；所述阳极板与所述封端隔膜之间形成阳极室、所述阴极板与所述封端隔膜之间形成阴极室；靠近阳极板的封端隔膜与相邻阴离子交换膜之间形成阴离子保留室，靠近阴极板的封端隔膜与相邻特种阳离子选择性膜之间形成阳离子精馏室。4.根据权利要求3所述的阳离子精馏系统，其特征在于：当所述阳离子精馏单元采用n张阴离子交换膜和n张特种阳离子选择性膜时，可实现n级精馏，n≥1；由阳极板侧至阴极板侧依次排列的功能隔膜分别定义为“1
st
阴离子交换膜”、“2
nd
阴离子交换膜”、“3
rd
阴离子交换膜”、“4
th
阴离子交换膜”、
……
、“n
th
阴离子交换膜”、“1
st
特种阳离子选择性膜”、“2
nd
特种阳离子选择性膜”、“3
rd
特种阳离子选择性膜”、“4
th
特种阳离子选择性膜”、
……
、“n
th
特种阳离子选择性膜”；阳极板与相邻封端隔膜之间形成阳极室；1
st
阴离子交换膜与相邻封端隔膜之间形成n
th
阴离子保留室，1
st
阴离子交换膜与2
nd
阴离子交换膜之间形成n
‑1th
阴离子保留室，
…
...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐铜文，蒋晨啸，陈秉伦，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：