一种用于一/多价离子选择性分离的电纳滤装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电渗析结构，具体地说是一种用于一 /多价离子选择性分离的基 于电渗析及纳滤技术的电纳滤装置。
【背景技术】
[0002] 在电场作用下，溶液中的带电的溶质粒子（如离子）通过离子交换膜而定向迀移 的现象称为电渗析。该技术主要用于提纯和分离物质，它是20世纪50年代发展起来的一 种新技术，最初用于海水淡化，现在广泛用于化工、轻工、冶金、造纸、医药工业，尤以制备纯 水和在环境保护中处理三废最受重视。
[0003] 随着电渗析技术的应用领域不断扩大，现实的需求对电渗析技术的处理效果提出 更高要求。特别是针对含有相同电荷不同价态离子的混合溶液的选择性分离，例如，在海 水浓缩制取食盐、氯碱工业卤水溶盐制碱、盐湖提锂、电镀及湿法冶金工业废酸回收等过程 中，均需将二（多）价态离子与一价离子进行选择性分离。而传统的电渗析技术虽然可实现 对这些溶液的脱盐处理，达到浓缩和淡化的目的，却很难实现一 /多价离子的选择性分离， 选择性比较差。
[0004] 为了实现对溶液中相同电荷不同价态离子的选择性分离，很多学者对电渗析过程 的离子交换膜进行了改性处理，使膜具有一 /多价离子选择性分离的功能，即单价离子选 择性分离膜。
[0005] 美国化学会期刊Langmuir (2004, 20, 4989-95.)报道了通过对磺酸型阳离子交换 膜磺酰氯化，胺化，季铵化的方法在阳离子交换膜的表面形成了一层荷正电层，并用于H+/ Zn 2+体系的分离。基于膜表面的正电荷与H+和Zn2+静电排斥力的不同，从而实现了 H+与 Zn2+的分离，表现出较好的选择性分离效果。然而这种改性方法不适合于大面积制备，设备 要求较高，成本高，而且改性层的厚度很难控制。
[0006] 美国电化学会期刊 Electrochemical and Solid-State Letters (2002, 5, E55-E58.)介绍了一种将苯胺在阳离子交换膜表面聚合，从而在膜的表面 形成一层荷正电的聚苯胺薄层的方法。改性后的膜用于H+/Zn 27Cu2+体系的选择性分离。同 样，基于荷正电层与一价阳离子以及二价阳离子静电排斥力的不同，二价阳离子被膜排斥 在溶液内，而H+却能得到很容易的传输。然而由于改性材料，价格高昂，环境不友好，且改 性层的厚度很难控制，因此此法也很难适合于工业生产。
[0007] 爱思唯尔期刊 Journal of Membrane Science (2014, 459, 217-222.)报道了一种 通过退火处理来提高聚乙烯醇基阳离子交换膜对一/多价阳离子选择性分离功能的方法。 经过退火处理的阳离子交换膜表现出较低的Zn 2+泄漏率及较高的选择透过性。虽然这种 改性的方法较为简单，且适宜于工业生产，但是其缺陷也显而易见。即随着膜的结晶度的提 高，其H+通量也会降低。显然，在保证膜具有较好的选择透过性的同时，如何保证膜具有较 高的H+通量也是急需解决的难题。
[0008] 爱思唯尔期刊 Journal of Membrane Science (2013, 431，113-120.)介绍了一种 通过层层自组装的方法对商业阴离子交换膜进行改性处理，虽然改性后膜的选择性有所提 高，但是这种仅通过静电作用吸附在膜表面的改性层在长期使用的过程中稳定性较差，以 至于选择性逐渐降低。
[0009] 综合相关资料可见，目前适用于电渗析过程中一 /多价离子选择性分离的单价离 子选择性分离膜本身很难达到兼具有低成本和长期稳定性的要求，同时存在选择透过性与 离子通量不可兼得的突出问题。
[0010] 同时，纳滤作为一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程，亦广泛应用 于海水淡化、超纯水制造、食品工业、环境保护等诸多领域，成为膜分离技术中的一个重要 的分支。纳滤膜的孔径范围在几个纳米左右。与超滤或反渗透相比，纳滤过程对单价离子 和分子量低于200的有机物截留较差，而对二价或多价离子及分子量介于200?500之间 的有机物有较高脱除率，基于这一特性，纳滤技术可一定程度上实现一 /多价离子的选择 性分离。但是其过程能耗较高，浓差极化现象严重，尤其是不能对溶液进行浓缩。基于纳滤 技术可用于高价态离子的脱除，而对单价态离子截留率较低的特性，本申请首次将纳滤膜 与电渗析技术相结合，提出一种新的用于一 /多价离子选择性分离的电纳滤装置。该技术 可同时兼具电渗析技术及纳滤技术的优点，并可同时克服这两种技术的缺陷，即电纳滤过 程能耗较低，可实现一 /多价离子的选择性分离，同时可实现对溶液的浓缩与淡化。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的在于结合电渗析及纳滤膜的特点，提供一种用于一 /多价离子选择 性分离的电纳滤装置，以降低电渗析膜堆成本，提高膜的稳定性，同时解决传统的单价离子 选择性分离膜的选择透过性与离子通量不可兼顾的缺点。
[0012] 本发明解决技术问题，采用如下技术方案：
[0013] 本发明用于一 /多价离子选择性分离的电纳滤装置，其特点在于：所述电纳滤装 置由阳极室、阴极室及夹在阳极室和阴极室之间的一组或多组功能隔室单元；所述功能隔 室单元由淡化室和浓缩室构成；阳极室内固定有阳极，阴极室内固定有阴极；阳极室、阴极 室与功能隔室单元之间通过离子交换膜间隔，同一组功能隔室单元的淡化室和浓缩室之间 通过纳滤膜间隔，前一组功能隔室单元的浓缩室与后一组功能隔室单元的淡化室之间通过 离子交换膜间隔。
[0014] 阳极室进口、阳极室出口、阴极室进口和阴极室出口分别通过乳胶管连接于电解 液储罐内部，且电解液储罐内置有与阳极室进口乳胶管及阴极室进口乳胶管相连的电极室 懦动泵，所述电极室懦动泵用于控制阳极室和阴极室内溶液流速；
[0015] 淡化室进口和淡化室出口分别通过乳胶管连接于淡化室罐内部，且淡化室罐内置 有与淡化室进口乳胶管相连的淡化室蠕动泵，所述淡化室蠕动泵用于控制淡化室内溶液流 速；
[0016] 浓缩室进口和浓缩室出口分别通过乳胶管连接于浓缩室罐内部，且浓缩室罐内置 有与浓缩室进口乳胶管相连的浓缩室蠕动泵，所述浓缩室蠕动泵用于控制浓缩室内溶液流 速。
[0017] 所述阳极和所述阴极分别通过导线与外接电源导通，阳极和阴极皆采用钛涂钌电 极。
[0018] 本发明的电纳滤装置，其特点还在于：
[0019] 当电纳滤装置用于一 /多价阳离子选择性分离时，所述离子交换膜为阴离子交换 膜，最后一组功能隔室单元的浓缩室与阴极室相邻，第一组功能隔室单元的淡化室与阳极 室相邻，其工作原理是（以H2SOjP ZnSO 4体系为例说明）：将H #04和ZnSO 4混合溶液加入 淡化室，H2S04溶液加入浓缩室，Na 2S04溶液加入阳极室和阴极室，接通电源后，淡化室中H + 和Zn2+向阴极方向移动，80丨_向阳极方向移动。由于孔径筛分的作用，当H+和Zn2+穿过纳 滤膜时，Zn2+被阻隔在淡化室，而H+可顺利穿过纳滤膜进入浓缩室。同时由于纳滤膜具有多 孔的支撑层结构，H+在纳滤膜中进行迀移时，传输阻力非常小，将大大提高H +的传输通量。 而对于与浓缩室相连的下一组淡化室中的SO〗_将通过阴离子交换膜进入到浓缩室中，从而 实现淡化室中H+和Zn 2+的选择性分离以及H+和SO〗_在浓缩室中的浓缩回收。
[0020] 当电纳滤装置用于一 /多价阴离子选择性分离时，所述离子交换膜为阳离子交换 膜，最后一组功能隔室单元的浓缩室与阳极室相邻，第一组功能隔室单元的淡化室与阴极 室相邻，其工作原理是（以Na2S〇JP NaCl体系为例说明）：将Na2S〇dP NaCl混合溶液加 入淡化室，NaCl溶液加入浓缩室，Na2S04溶液加入阳极室和阴极室，接通电源后，淡化室中 Cl-和S〇l向阳极方向移动，Na+向阴极方向移动。由于孔径筛分的作用，当C1-和SO】_穿 过纳滤膜时，8〇〗_被阻隔在淡化室，而cr可顺利穿过纳滤膜进入浓缩室。同时由于纳滤膜 具有多孔的支撑层结构，cr在纳滤膜中进行迀移时，传输阻力非常小，将大大提高C11勺传 输通量。而对于与浓缩室相连的下一组淡化室中的Na+将通过阳离子交换膜进入到浓缩室 中，从而实现淡化室中cr和so〗_的选择性分离以及cr和Na +在浓缩室中的浓缩回收。
[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0022] 1、本发明首次将纳滤膜用于电渗析过程中一