申请日2015.04.29
公开(公告)日2015.08.26
IPC分类号C02F9/10
摘要
本发明涉及一种微波净化处理含重金属离子废水的设备及应用方法，属于微波冶金技术领域。该设备包括进料装置、微波蒸发装置和蒸馏水回收装置。该方法通过真空泵将蒸发室和蒸汽冷凝器的压力控制为0.01~0.03Mpa;将含重金属离子废水净化，然后使含重金属离子废水形成粒径1~3mm的液滴进入蒸发室微波蒸发，获得水蒸气;水蒸气经冷凝得到蒸馏水，并获得浓缩含重金属溶液;回收得到的蒸馏水作为湿法冶炼各工段稀释用水或锅炉冲洗用水，浓缩后的含重金属溶液直接返回电解过程回收金属离子或经过二次微波蒸发结晶形成金属盐结晶回收。本发明不仅解决了有色金属废水处理难题，而且使重金属离子实现资源化。
权利要求书
1.一种微波净化处理含重金属离子废水的设备，其特征在于：包括原料罐(1)、净化器(2)、微波源(3)、除沫器(4)、热电偶、蒸汽出口(6)、高压喷头(7)、蒸发室(8)、多孔吸波蒸发床(9)、蒸汽冷凝器(10)、蒸馏水收集罐(11)、真空泵(12)、控制阀门、出料泵(15)、浓料液出口(16)、进料泵(19)、蒸发床固定台(20)和孔洞(21)，所述原料罐(1)依次通过进料泵(19)、控制阀门管道连接高压喷头(7)，原料罐(1)内部下部设有净化器(2)，高压喷头(7)穿过蒸发室(8)侧边到达蒸发室(8)内部，蒸发室(8)顶部和底部分别设有蒸汽出口(6)和浓料液出口(16)，浓料液出口(16)通过出料泵(15)分为两个管道，一个管道连接控制阀门，另一个管道通过控制阀门返回高压喷头(7)管道，蒸发室(8)内部高压喷头(7)下方通过蒸发床固定台(20)安装多孔吸波蒸发床(9)，多孔吸波蒸发床(9)表面设有孔洞(21)，蒸发室(8)上部设有除沫器(4)，蒸发室(8)四周根据实际情况设有热电偶和微波源(3)，蒸汽出口(6)依次与蒸汽冷凝器(10)、蒸馏水收集罐(11)和真空泵(12)连接。
2.根据权利要求1所述的微波净化处理含重金属离子废水的设备，其特征在于：所述高压喷头(7)采用PTFE改性强化塑料王加工而成。
3.根据权利要求1所述的微波净化处理含重金属离子废水的设备，其特征在于：所述蒸发室(8)与微波源(3)间设有保温层。
4.根据权利要求1所述的微波净化处理含重金属离子废水的设备，其特征在于：所述多孔吸波蒸发床(9)采用氧化物、氮化物或碳化物陶瓷材料为基体的吸波材料制成。
5.根据权利要求1所述的微波净化处理含重金属离子废水的设备，其特征在于：所述孔洞(21)孔径为1~4mm。
6.根据权利要求1至5任意所述的微波净化处理含重金属离子废水的设备应用方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1、压力调节：首先通过真空泵(12)将蒸发室(8)和蒸汽冷凝器(10)的压力控制为0.01~0.03Mpa;
步骤2、净化：将含重金属离子废水加入到原料罐(1)中，原料罐(1)中净化器(2)去除含重金属离子废水中大颗粒或团聚型杂质;
步骤3、造滴和制膜：然后去除杂质的含重金属离子废水通过进料泵(19)和高压喷头(7)中，使含重金属离子废水形成粒径1~3mm的液滴进入蒸发室(8)，在液滴下落过程中吸收微波浓缩，当液滴到达蒸发室(8)内的多孔吸波蒸发床(9)形成液膜和液滴;
步骤4、微波蒸发：在进行步骤3的同时，开启蒸发室(8)的微波源(3)，采用微波直接加热蒸发室(8)中的液滴和液膜，同时多孔吸波蒸发床(9)吸收微波能，间接加热液膜和整个蒸发室(8)获得水蒸气;
步骤5、产物收集：经步骤4得到的水蒸气经除沫器(4)后，通过负压方式快速从蒸发室(8)中逸出，进入蒸汽冷凝器(10)冷凝，冷凝水经蒸馏水收集罐(11)回收得到蒸馏水，并获得浓缩含重金属溶液;
步骤6、产物循环利用：回收得到的蒸馏水作为湿法冶炼各工段稀释用水或锅炉冲洗用水，浓缩后的含重金属溶液直接返回电解过程回收金属离子或经过二次微波蒸发结晶形成金属盐结晶回收。
说明书
一种微波净化处理含重金属离子废水的设备及应用方法
技术领域
本发明涉及一种微波净化处理含重金属离子废水的设备及应用方法，属于微波冶金技术领域。
背景技术
随着我国工业的迅猛发展，重金属废水产出量越来越大。这些废水主要来自矿山排水、废石场淋滤水、选矿场尾矿排水、有色金属冶炼厂排水、有色金属加工厂酸洗废水、电镀厂镀件洗涤水、钢铁厂酸洗排水及电解、农药、医药、油漆和染料等各种工业废水。如何高效处理这些重金属废水，并使之资源化，已成为人们共同关注的问题。蒸发是处理含重金属离子废水的有效途径之一。作为重要的化工单元操作之一，蒸发是用加热的方法，使溶液在沸腾状态下将其中的水分或具有挥发性的溶剂部分汽化后在冷凝器内实现冷凝、浓缩的技术。因此，蒸发过程是一个热量传递过程，传热效率和速率是蒸发过程的控制环节。对于冶金、化工领域来说，蒸发也是能量消耗量最大的操作单元之一。例如，氧化铝工业种分母液的浓缩蒸发方面，蒸发能耗约占总生产能耗的20~25%，蒸发成本占总生产成本的10~12%。可见，蒸发工序效率的提高、能耗的降低对冶金、化工等领域的发展具有重要推动作用。
目前，蒸发设备的可分为单效、多效、二次蒸汽压缩式和多级闪发式、多效多级闪发式等。单效蒸发效率低，为了提高蒸发效率，蒸发设备逐渐向多效蒸发发展。多效蒸发系统较复杂，三效蒸发需要三台泵，三个蒸发罐，三套换热系统，而且这些设备都需要耐高温和耐压，生产制造成本较高。另由于后面几效溶液温度较高，会造成泵阀的腐蚀和损坏，从而进一步提高了运行成本。
无论是多效蒸发、闪蒸还是两种方式的结合，都还存在一些核心难题需要解决。首先，蒸发所需要的热量主要来源于热交换，通常采用的热源为蒸汽换热方式;不论采用那种换热装置，都存在较大的热损失量。其次，换热器需要承受热蒸汽的高温高压冲击和物料的腐蚀，对设备的稳定运行造成严重影响。第三，溶液中的杂质组分易在换热器壁面上产生结垢，使换热效率急剧下降，能耗水平急剧上升。第四，料液以液柱状流入闪蒸室和蒸发室，气液比表面积较小，液柱或大液滴内部的水分子由于周围分子的束缚作用，难以蒸发出来。第五，在闪蒸室和蒸发室的高真空条件下，液滴需要能量使得更多的水分子逸出为蒸汽，但此时对流传热和热传递都无法将能量传给液滴。
微波已经广泛应用于蒸发浓缩工艺中，如发明专利CN1579950A《微波发射进行海水淡化法》，该方法是利用微波照射蒸馏水池中的海水，使海水蒸发成水蒸汽，再把水蒸汽冷却成淡水的方法。再如实用新型专利CN2880206Y《微波加热浓缩装置》，通过在蒸发室底部安装超声波元件，使溶剂雾化，再通过是、蒸发室底部的微波元件来加热雾气，达到蒸发浓缩的目的。利用微波能加热溶剂水雾表面，不用煤，大大节约蒸发附属设备与蒸发管道阀门等设备。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种微波净化处理含重金属离子废水的设备及应用方法。本发明含重金属离子废水经液体造滴、液滴闪蒸、微波强化、高真空排汽等步骤后进行高效蒸发得到蒸馏水和浓缩含重金属离子废水，本发明通过以下技术方案实现。
一种微波净化处理含重金属离子废水的设备，包括原料罐1、净化器2、微波源3、除沫器4、热电偶、蒸汽出口6、高压喷头7、蒸发室8、多孔吸波蒸发床9、蒸汽冷凝器10、蒸馏水收集罐11、真空泵12、控制阀门、出料泵15、浓料液出口16、进料泵19、蒸发床固定台20和孔洞21，所述原料罐1依次通过进料泵19、控制阀门管道连接高压喷头7，原料罐1内部下部设有净化器2，高压喷头7穿过蒸发室8侧边到达蒸发室8内部，蒸发室8顶部和底部分别设有蒸汽出口6和浓料液出口16，浓料液出口16通过出料泵15分为两个管道，一个管道连接控制阀门，另一个管道通过控制阀门返回高压喷头7管道，蒸发室8内部高压喷头7下方通过蒸发床固定台20安装多孔吸波蒸发床9，多孔吸波蒸发床9表面设有孔洞21，通过多孔微波蒸发床9，可以实现料液以液滴和液膜两种方式蒸发浓缩，同时蒸发床9和孔洞21可以将吸波陶瓷吸收的微波以热量方式立体全方位传递给液膜和液滴，蒸发室8上部设有除沫器4，蒸发室8四周根据实际情况设有热电偶和微波源3，蒸汽出口6依次与蒸汽冷凝器10、蒸馏水收集罐11和真空泵12连接。
所述高压喷头7采用PTFE改性强化塑料王加工而成，它有极好的耐温性(-200到+260℃)、抗腐蚀性、抗老化性、憎水不耐粘性和机加工性;同时，它是透波材料基本不吸收微波，从而保证多模辐射下蒸发室空间微波的均匀。
所述蒸发室8与微波源3间设有保温层，保温层材料主要为保温棉。
所述多孔吸波蒸发床9采用以氧化物、氮化物或碳化物陶瓷材料为基体的吸波材料制成，如碳化硅、氧化铝、氮化硅等。
所述孔洞21孔径为1~4mm。
一种上述的微波净化处理含重金属离子废水的设备应用方法，其具体步骤如下：
步骤1、压力调节：首先通过真空泵12将蒸发室8和蒸汽冷凝器10的压力控制为0.01~0.03Mpa;
步骤2、净化：将含重金属离子废水加入到原料罐1中，原料罐1中净化器2去除含重金属离子废水中大颗粒或团聚型杂质，如砂石、有机物凝絮等;
步骤3、造滴和制膜：然后去除杂质的含重金属离子废水通过进料泵19和高压喷头7中，使含重金属离子废水形成粒径1~3mm的液滴进入蒸发室8，在液滴下落过程中吸收微波浓缩，当液滴到达蒸发室8内的多孔吸波蒸发床9形成液膜和液滴;
步骤4、微波蒸发：在进行步骤3的同时，开启蒸发室8的微波源3，采用微波直接加热蒸发室8中的液滴和液膜，同时多孔吸波蒸发床9吸收微波能，间接加热液膜和整个蒸发室8获得水蒸气;
步骤5、产物收集：经步骤4得到的水蒸气经除沫器4后，通过负压方式快速从蒸发室8中逸出，进入蒸汽冷凝器10冷凝，冷凝水经蒸馏水收集罐11回收得到蒸馏水，并获得浓缩含重金属溶液;
步骤6、产物循环利用：回收得到的蒸馏水作为湿法冶炼各工段稀释用水或锅炉冲洗用水，浓缩后的含重金属溶液直接返回电解过程回收金属离子或经过二次微波蒸发结晶形成金属盐结晶回收。
本发明的有益效果是：
1、采用进料泵和高压喷头把含重金属离子废水以液滴形式喷入蒸发室，并采用微波加热器直接在蒸发室内加热滴状废水，利用微波对液滴加热迅速的优势，可达到高效、快速、选择性蒸发液滴中水分的效果。
2、在液滴落于多孔吸波蒸发床时，形成液膜，微波通过直接和间接两种方式加热液膜。
3、回收冷凝水作为湿法冶炼各工段稀释用水或锅炉冲洗用水;浓缩后的含重金属离子溶液，直接返回电解过程回收金属离子或经过二次微波蒸发结晶形成金属盐结晶回收。