溶液中离子的交换和浓缩方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种溶液中离子的交换和浓缩方法及装置，是通过阴离子膜和阳离子膜的组合或阴、阳离子树脂的组合应用，提供离子转移的通道，实现溶液中物质的分离和离子的交换反应。在不同的驱动溶液的作用下，实现海水淡化、废水的资源化、无害化处理；该方法可以广泛地应用于污水处理，各种工业生产过程中的离子浓缩、脱酸、脱碱、脱盐、盐水淡化过程中，以及钾盐、钠盐、碱的生产，酸碱盐之间的互相转化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种溶液中离子的交换和浓缩方法及装置，尤其是涉及利用阴离子膜和阳离子膜、阴离子树脂、阳离子树脂的组合应用方法，属于离子分离

技术介绍
在水处理、包括海水淡化、化工生产、化工分离与化学反应、轻工与食品、原子能等工业领域，常涉及水中各种阴阳离子的交换或转换，或分离脱除或浓缩回收，以及有机物与水、酸、碱、盐等不同种类物质的分离、脱水、提纯和浓缩以及复分解反应问题。因为化学工业的发展，水污染以及淡水的匮乏已经影响到经济的可持续发展，水处理和净化是一个必须从技术上有新的突破的领域。
技术实现思路
本专利技术的溶液中离子的交换和浓缩方法及装置要解决的问题是：现有的扩散渗析及Donnan扩散渗析中没有额外驱动力的问题，以及随着扩散的进行，驱动力不断减小，阻力不断增加，有驱动力不足的问题。本专利技术的方法，用于从溶液中，尤其从废水中回收提取有价值的资源，或用无害离子替换有害离子，或完全脱除水中阴阳离子实现水的净化处理，或实现不同物质间离子的互换，产出所需要的物质。本专利技术特别地还提供了利用阴、阳离子交换膜的选择透过性，以及离子的浓差扩散效应，通过将溶液中的阳离子转换为铵根离子，将溶液中的阴离子转换为碳酸根或碳酸氢根离子，使溶液中原来阴阳离子所对应的化合物转化为容易挥发析出的氨、氢氧化铵、二氧化碳、碳酸、碳酸铵、和/或碳酸氢铵。特别地，解决了多原子组合的铵离子和碳酸氢离子由于自身水解离而对扩散渗析的不利影响。下述的溶液或待处理溶液和驱动溶液是为了描述的方便而建立的一种相对的概念，实际使用时，并没有实质的区别。本专利技术的一种溶液中离子的交换和浓缩方法及装置，其包括：步骤1、以铵根离子交换或替换溶液中的阳离子；除了钠、钾金属离子外，本步骤还可以通过在溶液中加入碳酸铵、碳酸氢铵，通过金属离子形成碳酸盐沉淀的方法，实现以铵离子替换其它金属离子的目的；步骤2、以碳酸氢根离子或碳酸根离子交换溶液中的阴离子；经上述2步骤，使溶液中的离子转化为可挥发析出的碳酸铵盐；上述步骤1和步骤2的顺序可以互换，最优地，2个步骤同时进行，其优点是，可动态持续地形成挥发性的碳酸氢铵或碳酸铵，不停地降低待处理溶液中的碳酸氢根或碳酸根离子、铵离子浓度；所述的铵根离子、碳酸氢根离子、或碳酸根离子来自于驱动溶液中，其中的离子浓度最好较高，或者是饱和溶液，以增加离子扩散驱动力。所述的铵根离子、碳酸氢根离子、或碳酸根离子来自于驱动溶液中；若溶液中的阳离子仅含有铵根离子或氢离子，则步骤1可以省略；若所述的溶液中的阴离子仅含有碳酸根离子或碳酸氢根离子或氢氧根离子，则步骤2可以省略不用。溶液中的阳离子及阴离子的交换分别通过阳离子膜及阴离子膜；或分别通过阳离子树脂及阴离子树脂；较优地，阳离子膜为弱酸性阳离子膜，阴离子膜为弱碱性阴离子膜；或较优地，阳离子膜为中性阳离子膜，阴离子膜为中性阴离子膜。在驱动溶液中铵离子浓度高于海水或废水中阳离子浓度情况下，可以推测，在铵离子通过阳离子膜扩散的路径上，若膜为强酸性膜，则与膜上带负电荷的基团形成偏酸性的铵盐，即在膜中迁移的铵离子附近氢离子浓度较高，发生淌度高的氢离子的反向迁移，不能达到使海水或污水中阳离子被铵离子交换的效果，实验中则发现海水或污水中的盐分只有少量降低，却产生大量的氨气析出以及驱动溶液中过饱和晶体物质的明显减少；虽然氢离子也具有驱动离子交换的效果，但至少其初期有效离子浓度低，无有效的离子交换驱动浓度。因此，强酸性膜实际效果是促进了水解，在进入海水或废水溶液时，铵离子与氢氧根离子结合维持电中性，而氢离子反向迁移进入驱动溶液中维持溶液的电中性。而在驱动溶液中铵离子浓度低于膜另一侧的待处理液中阳离子浓度的情况下，则所述的阳离子可以扩散进入驱动溶液中，但铵离子应该是释放氢离子转化为氨而析出，生成的氢离子交换进入待处理液中。此一现象，可以应用于包括含氨气即含氢氧化铵水中铵离子或铵盐的部分分解反应，以便脱除溶液中的铵离子，比如，本专利技术中淡化后的海水中的氨，尤其是利用各种酸中的氢离子通过强酸性阳离子膜作为阳离子催化促使水中铵离子分解析出，即铵离子释放氢离子后，表现为该氢离子与酸中或中性溶液中的氢离子发生了交换。因此，为了充分利用驱动溶液中的铵离子，较优地，阳离子膜选用弱酸性阳离子膜，以避免高淌度的氢离子的影响，或者，阳离子膜选用中性阳离子膜，避免水解离的发生及对膜两侧离子互相交换的影响。另外，通过在驱动溶液中的铵盐溶液中加入氨水、或碳酸铵、或碳酸氢铵，或使用碱性的碳酸铵、碳酸氢铵作为驱动溶液，或在接近中性的待处理液中加入碳酸铵、碳酸氢铵，调节pH值大于7，则起到抑制强酸性阳离子膜上基团的水解提供氢离子的作用。同理，强碱性阴离子膜提供了氢氧根与碳酸氢根离子的无效交换，或与碳酸根离子的部分无效交换，即碳酸氢离子水解结合一个氢离子，释放出一个氢氧根离子，返回驱动液中，以维持其电中性，因此，较优地，阴离子膜选用弱碱性或中性阴离子膜。所述溶液经步骤1处理后，再经步骤2进行处理；最优地，溶液分为两部分，各自同时地分别经步骤1和步骤2进行处理，处理后的两部分进入共用的混合容器中，混合后的溶液再循环进行步骤1和步骤2的处理，实现步骤1和2的同时进行。为了降低溶液中的离子浓度，实现水的淡化处理，增加有效扩散驱动力，增加步骤3、析出步骤1及/或步骤2中或在待处理液容器中生成的碳酸铵、碳酸氢铵、二氧化碳、或氨；步骤4、循环步骤1、2、3中所述的溶液，直至所述待处理溶液中离子的含量降低至设计要求。为了获得从溶液中浓缩的提取物，增加步骤5、析出所述驱动溶液中来自所述待处理溶液中的阳离子和阴离子分别与驱动溶液中的阴离子和阳离子生成的盐；可选的但不限于所述的析出方法有冷却结晶、浓缩结晶；及步骤6、循环经步骤5处理后的驱动溶液，分别作为步骤1、步骤2中的驱动溶液；随着扩散渗析的进行，驱动溶液中用于交换溶液中离子的铵根离子、碳酸根离子或碳酸氢根离子浓度不断降低，为了保持适当的高浓度，增加步骤7、补充驱动用的铵盐、和碳酸盐、碳酸根盐，保持驱动溶液中相应离子的浓度；若所得淡化水仍然含铵离子，则可增加步骤8、将步骤3或4处理后的溶液经强酸性阳离子膜或强碱性阴离子交换膜进行扩散渗析处理，对应的交换溶液为水，或对应的含酸、含碱溶液；或者经强酸性阳离子交换树脂，或强碱性阴离子交换树脂进行催化分解，促进氨、碳酸铵或碳酸氢铵的交换、分解析出；及时减少溶液中铵离子有利于步骤1中离子交换的进行；步骤9、若待处理溶液中含有可形成碳酸盐沉淀的金属离子，较佳地，先加入可溶性碳酸盐，最好是碳酸铵及/或碳酸氢铵进行预处理，以沉淀析出碳酸盐沉淀，并达到除了钠、钾金属离子外，以铵离子替换其它金属离子的目的；其中，步骤6、7、8、9是可选和可同步进行的步骤。上述的铵根离子来源于氨水、铵盐或氨水与铵盐的混合物；所述的铵盐为氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、硝酸铵、硫酸铵、磷酸铵、亚硝酸胺、亚硫酸铵、硫氰酸铵，最优地，选用碳酸铵、碳酸铵与氨水的混合物、硝酸铵、或硫酸铵；碳酸根或碳酸氢根离子来源于碳酸盐或碳酸氢盐；所述的碳酸盐为碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸铵与氨水的混合溶液、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸钠、碳酸氢钠，最优地，选用碳酸钾。最优的选择是考虑后续低成本低提取渗析产物。上述具体化合物的选择应该本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种溶液中离子的交换和浓缩方法，其特征在于，其包括：步骤1、以铵根离子交换或替换溶液中的阳离子；步骤2、以碳酸氢根离子或碳酸根离子交换溶液中的阴离子；上述步骤1和步骤2的顺序可以互换，最优地，2个步骤同时进行；所述的铵根离子、碳酸氢根离子、或碳酸根离子来自于驱动溶液中；若溶液中的阳离子仅含有铵根离子或氢离子，则步骤1可以省略；若所述的溶液中的阴离子仅含有碳酸根离子或碳酸氢根离子或氢氧根离子，则步骤2可以省略不用。

【技术特征摘要】
1.一种溶液中离子的交换和浓缩方法，其特征在于，其包括：步骤1、以铵根离子交换或替换溶液中的阳离子；步骤2、以碳酸氢根离子或碳酸根离子交换溶液中的阴离子；上述步骤1和步骤2的顺序可以互换，最优地，2个步骤同时进行；所述的铵根离子、碳酸氢根离子、或碳酸根离子来自于驱动溶液中；若溶液中的阳离子仅含有铵根离子或氢离子，则步骤1可以省略；若所述的溶液中的阴离子仅含有碳酸根离子或碳酸氢根离子或氢氧根离子，则步骤2可以省略不用。2.如权利要求1所述的溶液中离子的交换和浓缩方法，其特征在于，其包括：阳离子及阴离子的交换分别通过阳离子膜及阴离子膜；或分别通过阳离子树脂及阴离子树脂；较优地，阳离子膜为弱酸性阳离子膜，阴离子膜为弱碱性阴离子膜；或较优地，阳离子膜为中性阳离子膜，阴离子膜为中性阴离子膜。3.如权利要求1所述的溶液中离子的交换和浓缩方法，其特征在于，其包括：步骤3、析出步骤1及/或步骤2中或在待处理液容器中生成的碳酸铵、碳酸氢铵、二氧化碳、或氨；步骤4、循环步骤1、2、3中所述的溶液，直至所述待处理溶液中离子的含量降低至设计要求。4.如权利要求1所述的溶液中离子的交换和浓缩方法，其特征在于，其包括：步骤5、析出所述驱动溶液中来自所述待处理溶液中的阳离子和阴离子分别与驱动溶液中的阴离子和阳离子生成的盐；可选的但不限于所述的析出方法有冷却结晶、浓缩结晶；步骤6、循环经步骤5处理后的驱动溶液，分别作为步骤1、步骤2中的驱动溶液；步骤7、补充驱动用的铵盐、和碳酸盐、碳酸根盐，保持驱动溶液中相应离子的浓度；步骤8、将步骤3或4处理后的溶液经强酸性阳离子膜或强碱性阴离子交换膜进行扩散渗析处理，对应的交换溶液为水，或对应的含酸、含碱溶液；或者经强酸性阳离子交换树脂，或强碱性阴离子交换树脂进行催化分解，促进氨、碳酸铵或碳酸氢铵的交换、分解析出；步骤9、若待处理溶液中含有可形成碳酸盐沉淀的金属离子，较佳地，先加入可溶性碳酸盐，最好加入碳酸铵及/或碳酸氢铵进行预处理，以沉淀析出碳酸盐沉淀，并达到除了钠、钾金属离子外，以铵离子替换其它金属离子的目的；其中，步骤6、7、8、9是可选和可同步进行的步骤。5.如权利要求1所述的溶液中离子的交换和浓缩方法，其特征在于，所述的铵根离子来源于氨水、铵盐或氨水与铵盐的混合物；所述的铵盐为氯化铵、碳酸铵、碳酸氢铵、硝酸铵、硫酸铵、磷酸铵、亚硝酸胺、亚硫酸铵、硫氰酸铵，最优地，选用碳酸铵或硝酸铵或硫酸铵；所述的碳酸根或碳酸氢根离子来源于碳酸盐或碳酸氢盐；所述的碳酸盐为碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸铵与氨水的混合溶液、碳酸钾、碳酸氢钾、碳酸钠、碳酸氢钠，
\t最优地，选用碳酸钾。6.一种溶液中离子的交换和浓缩方法，其特征在于，所述步骤1中驱动溶液中的阳离子为铵离子，所述步骤2中驱动溶液中的阴离子为氢氧根离子，所述氢氧根离子来源于氨水或碱；或者，所述步骤1中驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦才东，
申请(专利权)人：秦才东，
类型：发明
国别省市：安徽;34