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《中南大学》 2002年
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减压膜蒸馏应用于稀土冶金资源综合回收的研究

唐建军  
【摘要】:稀土冶炼过程中,一方面大量使用硫酸、盐酸及氨(或碳铵)等化工原料,另一方面,在生产过程的某些中间环节或排放的废水当中,又含有大量的硫酸、盐酸或氨氮化合物需要处理。目前,对这部分酸(硫酸、盐酸)传统的处理方法是通过加碱中和以达到工艺要求,酸碱浪费极大,而对于生产过程所排的高浓度氨氮,由于尚未有经济可行的处理方法,一般是未加任何处理就直接排放,对稀土冶炼厂周边环境的影响不容忽视。因此综合回收这部分硫酸、盐酸及氨氮化合物并回用于生产过程,无疑可以降低生产过程的原材料消耗,从而降低生产成本,提高经济效益,而且可以大大减少无机盐甚至废水的排放量,其社会效应也是不言而喻的。本文正是基于这一考虑,首次提出了应用现代新型膜分离技术—减压膜蒸馏及扩散渗析,于稀土冶炼过程的设想,目的是为了实现生产过程资源的综合回收,改善稀土冶炼厂环境状况,并对三种典型溶液体系—含盐酸的稀土氯化物溶液(HCl-RECl_3-H_2O)、含硫酸的稀土硫酸盐溶液(H_2SO_4-RE_2(SO_4)_3-H_2O)及含高浓度氨氮的水溶液(NH_4Cl或(NH_4)_2SO_4-H_2O)的膜法回收进行了系统的研究。 对于稀土氯化物溶液,首次研究了减压膜蒸馏法回收其中盐酸,该法可实现回收其中高浓度盐酸的同时,浓缩低浓度的稀土。 通过对HCl-RECl_3-H_2O溶液体系H_2O活度及HCl离子平均活度系数的计算,对稀土氯化物复杂溶液体系的汽液平衡关系进行了热力学分析,结果表明RECl_3的盐析效应对减压膜蒸馏法回收稀土氯化物溶液中盐酸非常有利;在此基础上,以AlCl_3模拟氯化稀土盐,考察了温度、溶液中AlCl_3浓度及减压侧压力等因素对分离共沸物溶液体系中HCl的影响,实验结果与热力学分析结果一致;模拟某稀土冶炼厂实际中重稀土反萃液典型成分的实验结果表明,只要将其中的稀土浓度浓缩约3倍,盐酸回收率可达80%甚至以上,而且由于过程对稀土的截留率达98%甚至以上,在减压侧能回收得到较纯的盐酸。 到目前为止,膜蒸馏连续式操作以实现共沸物体系的分离还未见文献报道,作者首次对减压膜蒸馏连续浓缩稀土氯化物溶液进行了研究。实验结果表明,只要控制循环液RECl_3浓度不变,尽管料液的RECl_3及盐酸浓度变化,稳态下,实验发现循环液的盐酸浓度保持不变,料液稀土浓度越大,设备单位膜面积处理能力相应越大,而盐酸浓度较小范围内的变化对设备单位膜面积处理能力无明显影响;此外,料液成分相同时,循环液RECl_3浓度越大,即稀土浓缩倍数越大,设备单位膜面积处理能力越小,但循环液盐酸浓度也随之明显减小,因此盐酸回收率越大。对连续 中南大学博上学位论文 摘要 式浓缩过程的物料平衡进行了计算,并结合实验结果对过程作了数学模拟,通过数 学模型,对于一定成分的料液,只要控制一定的REC13浓缩倍数,可以确定设备单 位膜面积的处理能力、浓缩液盐酸浓度、盐酸回收率及回收液盐酸浓度等。 对于低浓度的硫酸稀土溶液,研究了减压膜蒸馏一扩散渗析联合膜法回收其中 硫酸,即首先减压膜蒸馏浓缩低浓度的硫酸稀土溶液,再扩散渗析法处理浓缩液实 现硫酸的回收。该法巧妙地解决了单独扩散渗析法回收存在的问题。 系统考察了减压膜蒸馏过程中减压侧压力与减压侧温度之间的关系,首次提出 了通过降低减压侧温度以强化过程传质;对减压膜蒸馏浓缩硫酸稀土溶液进行了研 究,考察了料液成分、温度、减压侧压力及流速等因素对水通量的影响;再对扩散 渗析法回收硫酸稀土溶液中硫酸进行了研究。循环式结果表明,渗析过程中,料液 中硫酸浓度不断减小,而渗析液硫酸浓度不断增大,而且由于对稀土具有较高的截 留率,扩散渗析法能达到硫酸与稀土有效分离的目的。一次通过式结果表明,回收 率越大,设备单位时间处理量急剧减小,控制回收率为70一80%是合适的,水料流量 比越大,回收率越大,但渗析液硫酸浓度的稀释也是非常明显的,控制水料流量比 在1左右是合适的;先减压膜蒸馏法浓缩低浓度的硫酸稀土溶液,再扩散渗析法回 收的实验结果表明,由于减压膜蒸馏浓缩,扩散渗析处理量大大减少,而渗析液硫 酸浓度显著增大,而浓缩倍数越大,效果越明显。 到目前为止,能反映回收率与操作参数定量关系的扩散渗析传质数学模型还很 少见文献报道,作者推导了扩散渗析传质数学模型。利用循环式的实验结果,回归 出硫酸扩散传质系数与一定范围内温度的定量关系;对一次通过式的实验结果与计 算结果进行了比较;并利用推导的数学模型,模拟分析了操作参数对扩散渗析过程 的影响。结果表明,数学模型计算结果与实验结果较为吻合,数学模型能对实际操 作提供指导。 进行了减压膜蒸馏法处理含高浓度氨氮的稀土冶金所排废水的基础研究,该法 可达到脱除废水中高浓度氨氮及回收氨回用于生产过程的目的。 对氨氮水溶液体系形态分布进行了热力学分析,结果表明,只要保持溶液体系 pH值达H或以上,体系中氨氮基本上是以游离氨形式存在;然后对减压膜蒸馏法 脱除水溶液中氨进行了研究,考察了氨起始浓度、温度、料液流速及减压侧压力等 因素对脱氨及平均水通量等的影响;推导了脱氨过程传质系数
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TF845

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