论文部分内容阅读
我国水资源污染严重,根据《中国环境状况公报》等相关环境部门报告显示,我国七大水系、湖泊、河流、海洋等都存在着不同程度的污染。污染的来源主要是制造业、冶金、化工工业以及采矿业等排放的低浓度有毒有害废水,现有技术处理废水中的低浓度有害离子较为困难。电控离子选择渗透膜分离（ESIP）技术是一种新兴分离技术,其专门针对处理低浓度离子。它优于传统方法（例如电渗析、离子交换法或反渗透）,因为其用于痕量离子的分离回收只需要消耗很少的能量并具有极高的选择性,可以实现复杂体系下无机盐的分离、回收和资源再利用,更为重要的是该过程中不会产生二次污染,对防止水资源的破坏、污染和浪费意义重大。ESIP作为一种清洁、高效、可持续的绿色清洁技术,在环境保护和资源再利用的过程中具有广泛的应用前景。然而,ESIP技术在大规模应用中仍存在很多难点,如电控离子选择渗透膜（ESIPM）性能的提高、ESIPM的放大、ESIP工艺的操作参数优化和运行能耗评估。对ESIP过程定量的数学分析有助于从传递本质上了解电控离子选择渗透分离过程,是ESIP膜分离器设计和放大的第一步。本论文以Nernst–Planck方程为基础,建立了模拟ESIP体系中离子传递的二维稳态理想化的数学模型,它只需要通过小规模的实验数据就可以准确预测更大操作范围的运行结果。该模型可用于评估和分析入口浓度、体积流量、槽电压、脉冲电位、反应器尺寸对离子分离通量的影响,此外,在对整个过程深入理解的基础上,建立了针对ESIP体系的电流效率模型,可实现对不同操作电压下的能耗计算,基于此模型能够优化操作电压,有效降低运行成本。对实验室条件下的多壁碳纳米管/聚四氟乙烯（MWCNT/PTFE）膜选择性分离铅离子(Pb2+)过程进行了模拟计算,主要研究结果如下:（1）将模拟结果与实验值进行了比较,证明了ESIP数学模型的准确性,可准确的反映ESIP过程中离子在电场驱动作用下的传递规律。（2）通过分别分析进料浓度、体积流量、槽电压对离子传递通量的影响,发现了这三个因素对离子传递通量的影响可以归纳于对通道电流密度的影响。（3）通过模型计算了整个离子分离过程中的总电流效率时,当膜电极电位分别与工作电极、对电极相等时,在原料通道和回收通道内交替形成“等势体”,可以有效提高离子分离的电流效率。（4）结果表明,离子传递通量随着进口浓度的增加而增加,但随着体积流量的增大,传递通量先增大后逐渐减小。在当前实验室的操作条件下预测当前膜分离器的最优操作参数,当进口浓度为25 mg/L和体积流率为16mL/min,理论上（不考虑极限电流密度的存在）可以达到的最大离子通量为8.5×10-4 g·h-1·cm-2。铅锌选矿废水处理工艺中,运用ESIP工序代替传统的方法分离Pb2+、Zn2+、Cu2+,获得粗PbSO4、ZnCO4、CuSO4产品,其理论模型为基于Nernst–Planck方程的二维稳态模型。本论文使用AspenPlus V8.4模拟软件,对废水预处理工段（过滤、化学沉淀分离等）和ESIP膜分离工序进行了建模,其中ESIP分离工序模型采用软件内置Excel自定义模块,基于上一章的研究成果对其进行初步的开发与研究。本文以选矿废水为研究对象,运用系统集成与优化的理念对生产过程进行分析:（1）利用Aspen内置的模块及自定义的Excel用户模型实现了选矿废水预处理工序、电控离子分离工序的模拟,完成了基于ESIP技术的铅锌选矿废水处理系统模拟流程,得到各流股的模拟结果。（2）对沉淀工序进行灵敏度分析,得到沉淀剂碳酸钠的最佳投放用量。（3）对整个工艺流程的能耗和成本进行了初步核算,结果表明,以电控离子选择渗透分离装置为核心的选矿废水回用工程的运行费用为3.14￥/m3,投资成本为1.12￥/m3。