[发明专利]一种中空纤维扩散渗析酸回收膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化工生产技术领域，具体涉及一种中空纤维扩散渗析酸回收膜的制备方法。

背景技术

渗析的概念是Graham在1861年首次提出的，当Graham研究不同溶质通过半透膜（羊皮纸或棉胶等制成的薄膜）的特性时，发现一些溶质的分子或离子能通过半透膜的细孔，而较大的胶体粒子则不能通过，Graham称此现象为渗析。此分离过程的推动力主要是浓度差。相应地，将离子交换膜（也是一种半透膜）应用于渗析过程，这个过程被定义成扩散渗析。

扩散渗析是利用半透膜或选择透过性离子交换膜，使溶液中的溶质由高浓度一侧通过膜向低浓度一侧迁移的过程。这种过程是以浓度差为动力，所以也称为浓差渗析或自然渗析。它主要用于有机和无机电解质的分离和纯化。在环境工程方面，目前主要用于酸﹑碱废液的处理和回收。

19世纪50年代初，英国化学家T.格雷厄姆开始系统地研究溶液的扩散作用，随后又研究了不同溶质通过半透膜(羊皮纸或棉胶等制成的薄膜)的特性，发现一些溶质的分子或离子能通过半透膜的细孔、而较大的胶体粒子则不能通过的现象，格雷厄姆称此现象为渗析。根据这个原理制成的设备称为渗析器，常用于胶体溶液的浓缩以及核酸﹑蛋白质等高分子化合物的提纯。20世纪50年代，出现了以离子交换膜作为隔膜的扩散渗析器。

国内早在1964年就研制出了扩散渗析膜。但由于膜制备工艺的限制，所得到的膜类似均相离子膜的结构，如聚砜季铵阴膜S203、DF120及过氯乙烯型弱碱性离子交换膜皆为此类膜。

扩散渗析过程中，离子传输的推动力是膜两侧的浓度差，应用唐南（Donnan）平衡的同离子排斥和电中性维持相关理论，实现离子的选择性渗透从而达到分离的目的。该过程分为阳膜扩散渗析（如用于碱的回收）和阴膜扩散渗析（如用于酸的回收）。其中阴膜扩散渗析技术利用阴离子交换膜对氢离子与金属离子的选择透过性不同实现酸与盐的分离，例如将盐酸和氯化铝的混合溶液与水分别置于阴离子交换膜的两侧，由于溶液侧的酸和盐的浓度远高于水侧，酸和盐有向水侧渗透的趋势，但阴离子交换膜具有选择透过性，不会让每种离子以均等的机会通过；首先阴离子膜骨架本身带正电荷，在溶液中具有吸引带负电的水化离子而排斥带正电荷水化离子的特性，故在浓度差的作用下，溶液侧的氯离子被吸引而顺利地透过膜孔道进入水的一侧；同时根据电中性的要求，也会夹带带有正电荷的离子，但由于H+的水化半径比较小，电荷较少，而铝离子的水化离子半径较大，又带有高价电荷，因此氢离子会优先通过膜，这样溶液中的酸就会被分离出来进入水侧，此过程中氢离子的通过是扩散渗析的关键。所用离子交换膜需要具备一些合适的性能，比如在酸性溶液中的稳定性，高的氢离子通过率，对金属离子的高排斥率和低的水通过率等。用于碱回收的阳膜扩散渗析过程与其类似。

在工业生产和矿山开采、溶炼(如钢铁工业、钛白粉工业、湿法炼铜工业、钛材工业、电镀工业、稀土工业、木材糖化工业、黄金开采及有色金属冶炼工业等)过程中，常要使用到无机酸(如硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸等)来清洗金属表面或溶解矿石，于是就产生了大量含有各种金属离子的废酸溶液，如果不加以处理将其排放，不但浪费自然资源，更为严重的是会污染环境、土壤和水源。因此，采取措施将它们进行分离、提纯处理、回收利用，一直是人们关注的热点。

膜法回收废酸采用的是渗析原理，整个扩散渗析装置由扩散渗析膜、配液板、加强板、液流板框等组合而成。由一定数量的膜组成不同数量的结构单元；其中每个单元由一张阴离子交换膜隔开成渗析室A和扩散室B。在阴离子交换膜的两侧，分别通入废酸液及接受液(自来水)时，废酸液侧的硫酸及其盐的浓度远高于水的一侧，因此，由于浓度梯度的存在，废酸及其盐类有向B室渗透的趋势。但膜是有选择透过性的，它不会让每种离子以均等的机会通过，首先阴离子膜骨架本身带正电荷，在溶液中能够吸引带负电的水化离子，而排斥带正电荷的水化离子，故在浓度差的作用下，废酸侧的阴离子被吸引而顺利地透过膜孔道进入水的一侧。同时根据电中性要求，也会夹带带正电荷的离子，由于氢离子的水化半径比较小，电荷较少，而金属盐的水化离子半径较大，又是高价的，因此会优先通过膜，就使废液中的酸会被分离出来。由于采用逆流操作，在废液出口处，酸室中的酸虽因扩散而大大降低浓度，仍比进口水中酸的浓度高，加上实际做膜时，可以通过侧基取代控制膜的含水量和孔径，所以扩散渗析对酸的回收率一般均能达到80%以上。

扩散渗析技术的出现已经有50多年的历史了，但由于膜技术的限制，使得该技术的广泛应用受到了限制。近年来，膜技术飞速发展，各种各样的膜层出不穷，也推动了扩散渗析技术的发展。