一种用于特种混合离子精细化筛分的离子协同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混合离子精细化筛分的离子协同精馏系统及其应用，该系统由一张或多张特种阳离子选择性膜和特种阴离子选择性膜依照“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，该系统中不同功能薄膜不交替穿插排列。本发明专利技术的离子协同精馏系统采用对特种阴离子和特种阳离子具有特异筛分能力的特种隔膜，通过层层叠加，实现特种离子的逐级筛分、杂质离子的逐级阻隔及特种离子选择性级数放大，极大提升特种阳离子和阴离子的精细化筛分效率，打破了传统电渗析过程由特种筛分隔膜自身特性决定目标阴离子与目标阳离子选择性的约束条件。子选择性的约束条件。子选择性的约束条件。

【技术实现步骤摘要】
一种用于特种混合离子精细化筛分的离子协同精馏系统及其应用


[0001]本专利技术属于电驱动膜分离领域，特别涉及的是一种用于特种混合离子精细化筛分的离子协同精馏系统及其应用。

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阳离子特
指的是同种类型的特种隔膜应置于相同的一侧，如阴极侧或阳极侧，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，即在所述离子协同精馏单元中，通过叠压特种阴离子选择性膜、叠压特种阳离子选择性膜，使特种阴离子选择性膜靠近阳极板、特种阳离子选择性膜靠近阴极板；相邻特种阴离子选择性膜之间形成1个或多个阴离子精馏室；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；特种阴离子选择性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离子协同精馏单元，根据实际操作需求不同，可在阴极板与阳极板间设置一组离子协同精馏单元，也可以重复排列多组离子协同精馏单元。根据阴、阳离子的筛分目标，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协同精馏过程影响，可在阴极板、阳极板与离子协同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极室；靠近阳极板的封端隔膜与相邻特种阴离子选择性膜之间形成阴离子精馏室，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。
[0013]所述溶液辅助循环系统包括驱动溶液循环的机械泵、贮存溶液的容器及用于连通离子协同精馏器件与容器间的泵管组成。所述电流供电系统包括稳流/稳压电源、数据控制软件及电流/电压监控器件。阴极板和阳极板分别与电源(稳流/稳压电源)的正极和负极相连；阴极室连通于阴极液贮存罐，阳极室连通于阳极液贮存罐，料液室连通于料液贮存罐，阴离子精馏室连通于阴离子精馏液贮存罐，阳离子精馏室连通于阳离子精馏液贮存罐。
[0014]阴极室、阳极室、料液室、精馏室内溶液分别通过驱动泵驱动，并在离子协同精馏器件与相应贮存罐之间形成循环流动。具体的：阴极室和阴极液贮存罐之间通过阴极液驱动泵形成电极液的循环回路；阳极室和阳极液贮存罐之间通过阳极液驱动泵形成电极液的循环回路；料液室和料液贮存罐之间通过料液驱动泵形成料液的循环回路；阴离子精馏室与阴离子精馏液贮存罐之间通过阴离子精馏液驱动泵形成阴离子精馏液的循环回路；阳离子精馏室与阳离子精馏液贮存罐之间通过阳离子精馏液驱动泵形成阳离子精馏液的循环回路。驱动泵可以为隔膜泵、蠕动泵、离心泵、潜水泵、活塞泵等任意形式。
[0015]其中：所述特种阴离子选择性膜为具有特种阴离子筛分性能的离子交换膜，包括但不限于普通阴离子交换膜、一多价阴离子交换膜、阻碱隔膜、阻氢隔膜、荷电多孔膜或非荷电多孔膜；所述特种阳离子选择性膜为具有特种阳离子筛分性能的离子交换膜，包括但不限于普通阳离子交换膜、一多价阳离子交换膜、阻碱隔膜、阻氢隔膜、荷电多孔膜或非荷电多孔膜；所述封端隔膜为普通阴离子交换膜、普通阳离子交换膜、一多价阳离子交换膜、阻氢隔膜、一多价阴离子交换膜、阻碱隔膜、多孔隔膜或双极膜(两性膜)。
[0016]所述离子协同精馏系统级数由所使用的特种阳离子选择性膜与特种阴离子选择性膜的数量协同决定，实际操作中可根据目标离子协同分离要求自由搭配使用特种阳离子选择性膜与特种阴离子选择性膜，离子协同精馏系统级数由所使用“同类”功能隔膜数较多者决定。不同的“同类”功能隔膜间的搭配使用数量可以相同，也可根据实际操作需要变换搭配使用数量。
[0017]当离子协同精馏系统采用n级协同精馏单个重复单元操作时，离子协同精馏单元
采用n张特种阳离子选择性膜、n张特种阴离子选择性膜、2张封端隔膜，可实现n级协同精馏，n≥1。具体的，膜的排列顺序为：阳极板、封端隔膜、垫片格网、特种阴离子选择性膜、垫片格网、
……
、特种阴离子选择性膜、垫片格网、特种阴离子选择性膜、垫片格网、特种阳离子选择性膜、垫片格网、特种阳离子选择性膜、垫片格网、
……
、特种阳离子选择性膜、垫片格网、封端隔膜、阴极板排列，并由端板紧固密封。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
特种阴离子选择性膜”、“2...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于特种混合离子精细化筛分的离子协同精馏系统，其特征在于：包括离子协同精馏器件；所述离子协同精馏器件是由封装于阳极板与阴极板之间的至少一组离子协同精馏单元构成；所述离子协同精馏单元是由一张或多张特种阳离子选择性膜和一张或多张特种阴离子选择性膜依照“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所述的离子协同精馏系统，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，即在所述离子协同精馏单元中，首先叠压特种阴离子选择性膜，然后叠压特种阳离子选择性膜，并使特种阴离子选择性膜靠近阳极板、特种阳离子选择性膜靠近阴极板；相邻特种阴离子选择性膜之间形成1个或多个阴离子精馏室；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；特种阴离子选择性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所述的离子协同精馏系统，其特征在于：在所述阳极板、阴极板与离子协同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特种阴离子选择性膜之间形成阴离子精馏室，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所述的离子协同精馏系统，其特征在于：当所述离子协同精馏单元采用n张特种阳离子选择性膜和n张特种阴离子选择性膜时，可实现n级协同精馏，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
特种阴离子选择性膜”、“2
nd
特种阴离子选择性膜”、“3
rd
特种阴离子选择性膜”、“4
th
特种阴离子选择性膜”、
……
、“n
th
特种阴离子选择性膜”、“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
特种阴离子选择性膜与相邻封端隔膜之间形成n
th
阴离子精馏室，1
st
特种阴离子选择性膜与2
nd
特种阴离子选择性膜之间形成n
‑1th
阴离子精馏室，
…
.，n
‑2th
...

【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：