申请日2019.11.22
公开(公告)日2020.01.14
IPC分类号C02F9/06
摘要
本发明为一种电渗析与反渗透集成转化法硫酸钠型废水处理的方法。该方法将转化法电渗析技术应用到废水处理，利用转换法电渗析与反渗透相结合，通过设置带有溢流的循环水箱并与膜堆各隔室相连，并配套流程，实现了整体工艺过程的连续操作，产品参数稳定，符合工业化生产要求;同时通过与反渗透集成，将电渗析过程产出的淡盐水进行浓缩重复利用，提高了原料的利用率。本发明可将低浓度低经济价值的硫酸钠废水转化并浓缩为高浓度高经济价值的硫酸钾溶液，在浓缩、分离的同时实现废水处理过程产品高值转化，极大的提升硫酸钠型工业废水处理的经济性。
权利要求书
1.一种电渗析与反渗透集成转化法硫酸钠型废水处理的方法，其特征为该方法包括以下步骤：
(1)在各水箱中加入对应的溶液;
其中，第一浓室水箱C1中为硫酸钾溶液，硫酸钾浓度为0.2-0.4mol/L;第二浓室水箱C2中为氯化钠溶液，氯化钠浓度为0.5-1mol/L;第一淡室水箱D1中为硫酸钠型工业废水，Na2SO4废水的浓度为10-100g/L;第二淡室水箱D2中为氯化钾溶液，KCl溶液的浓度为10-100g/L;极室水箱中的极液为NaCl溶液、Na2SO4溶液中的一种，质量浓度为1%-3%;
(2)打开各个水箱的磁力循环泵，调节各个水箱流入膜堆中膜面流速为1-10cm/s，且各循环流量一致;同时向第一淡室水箱D1和第二淡室水箱D2匀速补加与该水箱初始浓度成分相同的溶液，保持液面不变;
(3)打开直流电源，调节好电压，调节电压的范围按照前面提到的：直流电压=膜堆膜片对数×(0.1-1)V;
运转期间第二浓室水箱C2不断溢流出氯化钠溶液，溢流产品NaCl的浓度在60~150 g/L，第一浓室水箱C1不断溢流出硫酸钾溶液，溢流产品K2SO4溶液的浓度为80~100 g/L，分别作为两种产品液收集;第一淡室水箱D1溢流出的Na2SO4低浓水的浓度为5~30g/L，进入第一反渗透装置;第二淡室水箱D2溢流出的低浓水氯化钾溶液的浓度为5~30g/L进入第二反渗透装置;
所述的五组进料通道的流量(膜间流速)相同。
2.如权利要求1所述的电渗析与反渗透集成转化法硫酸钠型废水处理的方法，其特征为所述的隔板表面流速为1-10cm/s。
3.如权利要求1所述的电渗析与反渗透集成转化法硫酸钠型废水处理装置，其特征为该装置的组成包括膜堆、极室水箱、第一浓室水箱C1、第二浓室水箱C2、第一淡室水箱D1和第二淡室水箱D2;
其中，极室水箱与膜堆的阳极室入口相连，极室水箱中极液由膜堆的阳极室入口进入阳极室，由阳极室出口流出，再由阴极室入口流入阴极室，由阴极室出口流出回极室水箱;第一淡室水箱D1与膜堆的硫酸钠入口相连，第一淡室水箱D1中的Na2SO4废水从硫酸钠入口进入，由硫酸钠出口流出回第一淡室水箱D1;第二淡室水箱D2与膜堆的氯化钾入口相连，淡室水箱D2中中的KCl溶液从氯化钾入口进入，由氯化钾出口流出回第二淡室水箱D2;第一浓室水箱C1与膜堆的硫酸钾入口相连，第一浓室水箱C1中的K2SO4溶液从硫酸钾入口进入，由硫酸钾出口流出回浓室水箱C1;第二浓室水箱C2与膜堆的氯化钠入口相连，第二浓室水箱C2中的NaCl溶液从氯化钠入口进入，由氯化钠出口流出回第二浓室水箱C2;
所述的第一淡室水箱D1的溢流孔通过管路和第一反渗透装置的原水口相连，第一反渗透装置的浓水出口与第一淡室水箱D1相连;所述的第二淡室水箱D2得溢流孔通过管路和第二反渗透装置的原水口相连，第二反渗透装置的浓水出口与第二淡室水箱D2相连。
4.如权利要求3所述的电渗析与反渗透集成转化法硫酸钠型废水处理装置，其特征为所述的第一淡室水箱D1的溢流孔和第一反渗透装置的原水口之间，还设置有预处理装置;所述的预处理装置为过滤装置。
说明书
一种电渗析与反渗透集成转化法硫酸钠型废水处理的方法
技术领域
本发明涉及一种硫酸钠型工业废水的处理方法，更为具体的讲是一种采用置换法电渗析与反渗透集成转化法处理硫酸钠型工业废水的方法，属于废水处理技术领域。
背景技术
随着工业的发展，工业废水的排放量日益增加。硫酸钠是自然水体和某些工业生产中重要的组成物质，因此排放的工业废水中存在大量硫酸钠。与其他类型的含盐废水类似，若处理不当会引起严重的环境污染。
传统的废水零排放处理方法是将上述废水进行浓缩结晶，获得淡水与结晶盐，如专利CN 109205866 A公开了一种无需加药软化预处理的高含盐工业废水电渗析浓缩系统及方法，其中就包括通过电渗析处理过滤后的废水，获得浓缩液，再将浓缩液结晶成盐。而对硫酸钠，其经济价值较低，对其销售和处置带来困难。如果能够将低价值的硫酸钠转化为具有更高价值的硫酸钾，处理废水的同时副产更高价值的产品，优势更明显。
目前合成硫酸钾的主要途径有：(1)曼海姆法：是将氯化钾和浓硫酸按一定比例放入反应炉，先在低温下进行放热反应，268℃后进行第二步反应，约600℃时反应完全，反应过程中产生副产物盐酸。如专利CN 108926965 A公开了一种曼海姆法生产硫酸钾的尾气分离的方法，利用浓硫酸将曼海姆炉中排出的尾气进行分离，这种方法工艺可靠，产物纯度高，但是由于反应过程中会用到强酸导致设备腐蚀，能耗也较大。(2)芒硝转化法：是将芒硝和氯化钾反应制取硫酸钾。先在25℃下反应生成钾芒硝，然后在60～100℃下，继续与氯化钾反应生成硫酸钾。如专利CN 107857282 A公开了一种芒硝制备硫酸钾的方法，这种方法工艺简单，耗能少，无污染。但由于钾离子和钠离子的分离不彻底，产物纯度低。(3)石膏转化法：这种方法是用硫酸钙和氯化钾进行反应，利用硫酸钾在氨的乙醇溶液中溶解度小而结晶析出的特点，低温反应生成产物，同时生成副产物氯化钙。如专利CN 104046380 A公开了一种石膏制备硫酸钾的方法，这种方法主要优点是原料易得，工艺简单易操作。但需要控制低温操作条件，并且副产物难处理。(4)硫酸铵转化法：这种方法主要原理是用硫酸铵和氯化钾进行反应，利用产物溶解度的不同，通过控制温度、溶液浓度和反应时间等条件，将硫酸钾和氯化铵分离。如专利CN 106629781 A就是采用的这种方法，这种方法比较节能环保，以一些化工产品的副产物硫酸铵为原料。但由于钾离子回收率低，造成产物纯度较低。专利一种制备硫酸钾的装置及方法CN105177619B中，该装置的主要组成为膜堆、第一电解液进样装置、第二电解液进样装置、第一盐溶液进样装置、第二盐溶液进样装置、第三盐溶液生成装置、第四盐溶液生成装置，是通过氯化钾和硫酸铵采用转化法电渗析技术来实现制备硫酸钾和氯化铵的;但该发明的工艺是间歇性的操作无法连续进行，无法达到更高的转化效果，产品更加稳定;其次，该发明中并没有解决转化完成之后低浓度原料如何处理，实际上在工业中是不可行的。
发明内容
本发明的目的为针对当前技术中存在的问题，提出了一种电渗析与反渗透集成转化法硫酸钠型废水处理的方法。该方法将转化法电渗析技术应用到废水处理，相较于传统水处理过程中单纯的物质浓缩过程，利用转换法电渗析与反渗透相结合，可将低浓度低经济价值的硫酸钠废水转化并浓缩为高浓度高经济价值的硫酸钾溶液，在浓缩、分离的同时实现废水处理过程产品高值转化，极大的提升硫酸钠型工业废水处理的经济性。相较于其他过程转换法电渗析过程的间歇操作，本过程通过设置带有溢流的循环水箱并与膜堆各隔室相连，并配套流程，实现了整体工艺过程的连续操作，产品参数稳定，符合工业化生产要求;同时通过与反渗透集成，将电渗析过程产出的淡盐水进行浓缩重复利用，提高了原料的利用率。
本发明所采用的技术方案如下：
一种电渗析与反渗透集成转化法硫酸钠型废水处理的方法，该方法包括以下步骤：
(1)在各水箱中加入对应的溶液;
其中，第一浓室水箱C1中为硫酸钾溶液，硫酸钾浓度为0.2-0.4mol/L;第二浓室水箱C2中为氯化钠溶液，氯化钠浓度为0.5-1mol/L;第一淡室水箱D1中为硫酸钠型工业废水，Na2SO4废水的浓度为10-100g/L;第二淡室水箱D2中为氯化钾溶液，KCl溶液的浓度为10-100g/L;极室水箱中的极液为NaCl溶液、Na2SO4溶液中的一种，质量浓度为1%-3%;
(2)打开各个水箱的磁力循环泵，调节各个水箱流入膜堆中膜面流速为1-10cm/s，且各循环流量一致;同时向第一淡室水箱D1和第二淡室水箱D2匀速补加该水箱初始浓度(即步骤(1)中的设定浓度)成分相同的溶液，保持液面不变;
(3)打开直流电源，调节好电压，调节电压的范围按照前面提到的：直流电压=膜堆膜片对数×(0.1-1)V;
运转期间第二浓室水箱C2不断溢流出氯化钠溶液，溢流产品NaCl的浓度在60～150g/L，第一浓室水箱C1不断溢流出硫酸钾溶液，溢流产品K2SO4溶液的浓度为80～100g/L，分别作为两种产品液收集;第一淡室水箱D1溢流出的Na2SO4低浓水的浓度为5～30g/L，进入第一反渗透装置;第二淡室水箱D2溢流出的低浓水氯化钾溶液的浓度为5～30g/L进入第二反渗透装置。
所述的五组进料通道的流量(膜间流速)相同。隔板表面流速为1-10cm/s。
所述的电渗析与反渗透集成转化法硫酸钠型废水处理装置，该装置的组成包括膜堆、极室水箱、第一浓室水箱C1、第二浓室水箱C2、第一淡室水箱D1和第二淡室水箱D2;
其中，极室水箱与膜堆的阳极室入口相连，极室水箱中极液由膜堆的阳极室入口进入阳极室，由阳极室出口流出，再由阴极室入口流入阴极室，由阴极室出口流出回极室水箱;第一淡室水箱D1与膜堆的硫酸钠入口相连，第一淡室水箱D1中的Na2SO4废水从硫酸钠入口进入，由硫酸钠出口流出回第一淡室水箱D1;第二淡室水箱D2与膜堆的氯化钾入口相连，淡室水箱D2中中的KCl溶液从氯化钾入口进入，由氯化钾出口流出回第二淡室水箱D2;第一浓室水箱C1与膜堆的硫酸钾入口相连，第一浓室水箱C1中的K2SO4溶液从硫酸钾入口进入，由硫酸钾出口流出回浓室水箱C1;第二浓室水箱C2与膜堆的氯化钠入口相连，第二浓室水箱C2中的NaCl溶液从氯化钠入口进入，由氯化钠出口流出回第二浓室水箱C2;
所述的第一淡室水箱D1的溢流孔通过管路和第一反渗透装置的原水口相连，第一反渗透装置的浓水出口与第一淡室水箱D1相连;所述的第二淡室水箱D2得溢流孔通过管路和第二反渗透装置的原水口相连，第二反渗透装置的浓水出口与第二淡室水箱D2相连。
所述的第一淡室水箱D1的溢流孔和第一反渗透装置的原水口之间，还设置有预处理装置。
所述的预处理装置为过滤装置。
本发明的实质性特点为：
当前技术的“一种制备硫酸钾的装置及方法CN105177619B”中，该装置的主要组成为膜堆、第一电解液进样装置、第二电解液进样装置、第一盐溶液进样装置、第二盐溶液进样装置、第三盐溶液生成装置、第四盐溶液生成装置，但该发明的工艺是间歇性的操作,也就是将水槽内溶液转化完成后即停止运行，若继续生产，需要排掉溶液再重新开始，而本发明与之有两个很大的不同，首先操作原料可以源源不断的进入到水槽中，经处理之后溢流产出，没有任何的停机换水，是完全连续式的，这样本发明可以更快达到更高的转化效果，产品更加稳定;其次，CN105177619B中并没有提及转化完成之后低浓度原料如何处理，若不加处理则是极大的浪费，而本发明通过转化法电渗析与反渗透相结合,将转化法电渗析用后的低浓度原料进入反渗透,获得可工业应用的淡水之后，还可以提高浓度使得原料重复再利用,提高了转化率,理论上能达到100%。本发明与CN105177619B相比，不仅仅是相差构件数量的问题，而是工艺上有根本的不同和改变。
本发明的有益效果为：
1.借助阴阳离子交换膜能够选择性分离阴阳离子的特点，通过隔室与阴阳离子交换膜的排列组合，实现反应、分离、浓缩在一个设备内的集成，过程简单、参数易控。
2.转化法电渗析系统采用连续化操作，相比间歇工艺，易于控制和工业应用。
3.将转化法电渗析和反渗透系统相集成，将转化法电渗析处理后的低浓度溶液经反渗透浓缩再循环回电渗析装置，提高Na2SO4和KCl的利用率，同时可获得高品质的淡水进行回用。
4.将转化法电渗析是应用到处理硫酸钠型工业废水，利用率能够达到近似100%，能将溶液中的水分离出去，将剩下的浓水返回作为原料，基本上没有硫酸钠型废水和氯化钾的排放，都全部返回到原料重新作为补料了。
5.在处理硫酸盐型废水的同时将硫酸钠转化为更高价值的硫酸钾,经济效益更高。（发明人刘杰;徐帆;袁俊生;纪志永;赵颖颖;王士钊;郭小甫;李非）