硼的分离和回收制造技术

一种从含硼、强解离阴离子和某些阳离子的水溶液中分离、浓缩和回收硼化合物的方法。所述的方法具体将电渗析与离子交换相结合，以便从含有宽浓度范围硼、强解离的阴离子例如氯离子、硝酸根和硫酸根以及类似锂的阳离子的水溶液中选择性分离硼。所述的方法适用于控制工业过程中的硼浓度，用于从水溶液中回收或纯化硼和类似锂的某些阳离子以及用于废水处理。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及从含硼、强离解阴离子和某些阳离子的水溶液中分离、浓缩和回收硼化合物的方法。更具体地说，本专利技术涉及从含有宽浓度范围的硼、强离子化的阴离子(例如氯离子、硝酸根和硫酸根)以及阳离子(例如锂离子)的水溶液中选择性分离硼的电渗析和离子交换的联合方法。所述的方法可用于控制工业过程中硼浓度、回收和纯化硼以及废水处理。
技术介绍
大多数天然水含有很低浓度的硼，例如饮用水中的硼浓度通常比5ppm低得多。但是，工业工艺水中的硼浓度可能十分不同。为了控制反应器的反应性，在核电厂的压水反应器(PWR)的主冷却剂中，硼的浓度范围可为2000ppm至几个ppm。此外，每年可从这类核电厂中产生大量稍带放射性的含硼(主要为硼酸)废水。这种废水需要处理。所以，为了控制该工业过程以及废水处理，用于硼分离的有效工艺或方法是必要的。象硼酸那样的硼化合物广泛用作工业原料，特别是在玻璃、陶瓷和搪瓷领域。硼酸还用作生产硼酸盐、磷酸硼、氟硼酸盐、硼酸酯和金属合金的原料化学品。对于这些工业来说，低成本分离或回收硼的方法是需要的。硼在常规的水溶液中大多以弱离解的阴离子存在。硼物质的分配取决于溶液的pH值和硼的浓度(CRC，2001)。在pH值约5的低浓度溶液中，大多数硼以硼酸H3BO3存在，它是未带电荷的物质。在pH值增加到最高10时，硼的阴离子形式H2BO3-是主要的。在高浓度溶液中，例如在加压水反应器(PWR)的主冷却剂中，硼可分布在6种物质中，例如硼酸、四羟基硼酸盐(B(OH)4-)、七羟基硼酸盐(B2(OH)7-)、十羟基三硼酸盐(B3(OH)10-)、十四羟基四硼酸盐(B4(OH)142-)和十八羟基五硼酸盐(B5(OH)183-)(Sperssard，1970)。这些物质之间的一般平衡式表示如下 在高浓度硼溶液(B＞1000ppm)中易发生硼酸的聚合。从水溶液中分离和回收硼存在严重挑战，因为硼在中性的或弱碱性溶液中大多数以未离解的硼酸存在。在反渗析系统中，在正常的操作条件下，硼的排除率是低的(40-60％)，虽然在pH值9.5或更高下可达到较高排除率(Prates等，2000)。未离解的硼不能用传统的离子交换技术除去，因为离子交换树脂只能交换已离子化的物质。电驱动膜分离技术例如电解或电渗析不适用于分离硼，因为未带电荷的物质不容易在电场中迁移(Melnik等，1999)。有一个用二元醇作为硼的配合剂的硼选择性树脂(螯合树脂)来除去硼的方法(Nadav，1999；Simonnot等，2000；Wilcox等，2000)。但是，它的费用高，还需要复杂的再生步骤。而且，硼的回收需要从水溶液中的其它阴离子例如氯离子、硝酸根和硫酸根中选择性分离硼。Kollsman等所谓的电去离化(EDI)技术是电渗析和离子交换的组合，它用于从水溶液中除去可离子化的物质(US 2689826和2815320)。改进EDI系统由Giuffrida等(US 4925541和4931160)、Ganizi等(US5308466和5316637)和Springthorpe等(US 5868915)公开和商业化，用于水纯化。大多数电去离子化系统和设备已用于水纯化和从水中除去相对低浓度的离子化杂质。虽然已报导EDI可除去某些象碳酸根那样的弱离解的阴离子，但从水溶液中除去微量硼酸和氧化硅仍然是对EDI的挑战。而且，EDI尚未用于分离、回收或纯化象硼酸那样的弱的可离子化的化合物。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是要提供用于有效离解弱可离解的硼酸的联合方法，用所述的方法可很容易通过离子交换和电迁移来分离硼酸。本专利技术的第二个目的是回收分离的硼和阳离子例如锂离子以便进一步再利用。所以，分离的硼和/或锂应是相对纯的和浓缩的。本专利技术的第三个目的是要从强离解的阴离子例如氯离子、硝酸根和硫酸根(如果水溶液含有这样的杂质阴离子的话)中选择性分离硼。本专利技术的另一个目的是要通过选择装在电化学电解池中的适当类型的离子交换树脂和离子交换床层的结构改进系统的效率。这些目的通过这样一种联合方法来达到，所述的方法包括-在装有离子交换树脂的电化学电解池的一个稀释分隔室中以电迁移的形式分离强离解的阴离子；-在上述相同的分隔室中以离子交换/电迁移的形式分离离解的阳离子例如7Li+；-在仅用阴离子交换材料或用阴离子交换材料和阳离子交换材料的混合物或在阴离子交换材料和阳离子交换材料之间分开的层装填的另一稀释分隔室中以电化学/化学离解、离子交换/吸附和电迁移形式分离硼；-将分离的阳离子回收到在电化学电解池的阴极电解液分隔室中；-将分离的硼回收到在电化学电解池的阳极电解液分隔室中；-使阳极电解液在阳极电解液分隔室中循环；-使阴极电解液在阴极电解液分隔室中循环；-如果需要，使稀释溶液在稀释分隔室中循环；在一个优选的实施方案中，所述的联合法包括-通常使用在稀释分隔室中装有离子交换树脂的5个分隔室电化学电解池的电渗析-离子交换系统，如附图说明图1所示；-通过布置树脂结构和控制用于硼酸电化学离解的DC电流从强离解的阴离子中分离硼酸； -通过将某种DC电流施加到电化学电解池使硼酸电化学离解；-通过装入电化学电解池的再生阴离子交换树脂使硼酸化学离解，在表面树脂颗粒上产生相对高的局部pH值；-离解的硼在阴离子树脂上吸附，以及离解的阳离子在阳离子树脂上吸附；-吸附的阴离子通过阴离子交换膜迁移，并在阳极分隔室中浓缩，吸附的阳离子通过阳离子交换膜迁移，并在阴极分隔室中浓缩。附图简介图1表示实施本专利技术方法的系统的典型结构。图2表示一个用于从含很低浓度的强离解阴离子的相对纯的溶液中分离硼的简化系统，其中未考虑从强离解的阴离子中分离硼。图3表示用于展示本方法的小规模试验流程图。本专利技术优选实施方案的详述用如图1所示的通常由具有5个分隔室的电化学电解池组成的电渗析-离子交换系统来实施本专利技术方法。分隔室1为用于阴极电解液循环和收集分离的阳离子的阴极分隔室。分隔室2为稀释分隔室之一，其中装有阳离子交换材料，可离子化的阴离子通过DC电势作用可直接通过阴离子膜AM迁移到阳极电解液分隔室(分隔室3)。同时，阳离子也可通过离子交换/迁移经阳离子膜CM进入阴极电解液分隔室(分隔室1)而被除去。上述分隔室3为用于阳极电解液循环和收集可离子化阴离子的阳极分隔室之一。分隔室4为用于阳极电解液循环和收集从分隔室5除去的硼的另一阳极分隔室。分隔室5为另一稀释分隔室，其中装有阴离子交换材料，并且硼酸通过电化学/化学离解来离子化，被阴离子交换材料吸收，然后通过DC电势经阴离子膜迁移到阳极电解液分隔室4中。离解的阳离子也可从分隔室5通过阳离子膜迁移到阴极电解液分隔室中。硼分离和回收的方法通常涉及几种机理。首先，硼酸应通过电化学/化学离解来离子化。可认为硼的电化学离解类似电解中盐分解的机理 应当指出，在传统电渗析系统中，硼酸分解不易进行，因为未离解的硼酸的电阻十分高，以致DC电流被限制在很低的水平，它不能使硼酸分解。但是，因为在稀释分隔室中装有离子交换树脂，电化学电解池的电阻明显下降，可施高的DC电流加用于硼酸分解。其次，硼酸的化学离解还可在树脂上发生。假设阴离子树脂以OH形式再生，硼酸的离解可在阴离子交换树脂球的表面上进行 然后，离解的硼酸根立即被阴离子交换树脂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从含硼的水溶液中分离和回收硼的方法，所述的方法包括－在装有阳离子交换材料的电化学电解池的一个稀释分隔室中以电迁移的形式分离强离解阴离子；－在上述相同的分隔室中以离子交换／电迁移的形式分离离解的阳离子例如［７］↑Ｌｉ↑［＋ ］；－在仅用阴离子交换材料或阴离子交换材料与阳离子交换材料的混合物或阴离子交换材料和阳离子交换材料之间分开的层装填的另一稀释分隔室中以电化学／化学离解、离子交换／吸附和电迁移形式分离硼；－将分离的阳离子回收到在电化学电解池的 阴极电解液分隔室中；－将分离的硼回收到在电化学电解池的阳极电解液分隔室中；－使阳极电解液在阳极电解液分隔室中循环；－使阴极电解液在阴极电解液分隔室中循环；－如果需要，使稀释溶液在稀释分隔室中循环。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：严晋婴，A韦林，B本特松，
申请(专利权)人：瓦藤福尔股份公司，
类型：发明
国别省市：SE[瑞典]