CN103100304A - 电解质与非电解质的分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电解质与非电解质的分离方法，将阴离子膜和阳离子膜紧密接触，形成一个具有朝向下方的缝隙开口的隔板，使混合溶液通过阴阳离子膜析出的水分、可解离成为离子的化合物物质，不断地沿着缝隙开口流出混合物溶液，实现低成本地使含有水、溶解于水中的无机物及有机物的混合物中的水以及在水中可解离成为阴阳离子的化合物，在阴阳离子膜的接触界面处透过离子膜后析出。该方法可以广泛地应用于污水处理，工业生产过程中的脱水、浓缩、脱酸、脱碱、脱盐、盐水淡化过程中。
Description
技术领域
本发明涉及一种电解质与非电解质的分离方法，尤其是涉及利用阴阳离子膜的组合应用，使在水中可解离成为阴阳离子的化合物(电解质)连同水本身，透过离子膜析出，实现水及在水中可解离成为阴阳离子的化合物(电解质)与原混合物中不能解离成为阴阳离子的化合物(非电解质)的相互分离。
背景技术
在各种生活污水、餐饮行业污水、各种工业污水(造纸制浆、石油化工、生化、农药、纺织、皮革、染料、涂料等)治理领域，均涉及油、或其它有机物与水、酸、碱、盐的分离或脱水浓缩问题。尤其是，在酸水解纤维素、半纤维素或酸水解生物质原料生产水解糖、糠醛等有机化工产品时；发酵工业生产酒精、饮料、药品或各种醇、酮、各种维生素等有机化工产品时；在化学合成、生化合成领域；果汁生产，牛奶制品的生产，天然香精、天然物质提取、菌体浓缩等领域，均涉及到不同种类物质的分离、脱水、脱盐、提纯和浓缩问题。常规的蒸馏或蒸发脱水工艺受高能耗的限制，常规的脱酸、碱、盐方法受混合物中的酸、碱、盐低含量的限制，都难以实现低成本运行，高昂的分离成本制约了上述工艺过程的广泛应用，或降低了上述工艺的工业应用的经济可行性。
发明内容
本发明的电解质与非电解质的分离方法，主要目的之一是低成本地通过阴阳离子膜的组合应用，使含有水、溶解于水中的无机物及有机物的混合物中的水以及在水中可解离成为阴阳离子的化合物(电解质)，在阴阳离子膜的接触界面处透过离子膜后析出和排出，实现水及在水中可解离成为阴阳离子的化合物(电解质)与原混合物中不能解离成为阴阳离子的化合物(非电解质)，主要是有机物的相互分离。本发明的另一个目的是使不能透过离子膜的大分子物质，不论其是否电离成为阴阳离子，被离子膜所截留，实现与混合物中的水、电解质的相互分离或部分分离。本发明的还一个目的是使不能透过离子膜的大分子有机酸盐水解转化为有机酸及游离碱，而游离碱及水分通过离子膜排出或部分排出，最终实现有机酸类物质的浓缩提取。本发明的目的还有，通过不同结构特征的离子膜的组合应用，实现盐水淡化处理；以及实现含盐水溶液制取含酸、含碱溶液。
所述的电解质与非电解质的分离方法，是将阴离子膜和阳离子膜紧密接触，形成一个具有朝向下方的缝隙开口的隔板，其周边与盛装水溶液的容器密封接触，其上方完全浸没在混合物的水溶液中，其下方伸出在容器外部，使通过阴阳离子膜析出的水分、可解离成为离子的化合物物质，不断地流出混合物溶液，而容器中的溶液的非电解质浓度则不断增加，实现电解质和非电解质两种不同物质的相互分离。或者，将所述隔板所隔开的两部分容器内的水溶液通过盐桥方式连接，以便始终保持两部分溶液中的离子可以自由流动，维持两部分溶液的电中性。对于含有大分子有机酸盐的混合物溶液，通过不断添加水分，促使所述大分子有机酸盐的水解，水解产物中的碱性物质与混合物溶液中的水分通过上述阴阳离子膜隔板的缝隙开口析出；最终可得到浓缩了的大分子的有机酸产品，如可以用于通过维生素钠盐生产维生素C，碱木质素脱碱等类似的工艺过程中。总之，上述方法可以应用于分离各种含有溶解于水溶液中的有机物和无机物的污水或混合物中的有机物与无机物的分离以及脱水浓缩提纯工艺过程中。
具体实施方式
实施例1：
常温常压下，用北京廷润膜技术开发有限公司提供的阳离子膜及阴离子膜(尺寸40x80厘米)各一张，分别用400目市售薄厚度的尼龙滤网覆盖底部后托起形成可盛水溶液的容器状，再将两个容器紧密靠拢形成接触面，接触面的开口朝向下方，利用夹具使阴阳离子膜在接触面处尽量紧密靠拢，为了增加阴阳离子膜紧密接触的机会，尼龙网布上阴阳离子膜对应位置剪出大小不等的孔洞，以此阴阳离子膜形成一个隔板渗析装置，并将两部分容器内的水溶液相互隔开，为了始终保持两部分溶液中的离子可以自由流动，维持两部分溶液的电中性，两部分溶液通过细塑料皮管(内直径1厘米)内充满的溶液以“盐桥”方式连接。(注：工业化应用时可以预先将两种离子膜紧密接触组合在一起，形成一个具有缝隙开口的隔板，以平板膜的方式放入待分离的混合溶液内，其周边与盛装水溶液的容器密封接触，且使隔板开口在下方并在混合溶液的外部。
以溶解配制的含有白糖(质量含量10％)，食盐(质量含量10％)的模拟混合溶液为例，单独利用阴离子膜或阳离子膜弯曲拢成盛装的容器时，未见明显的水分可透过离子膜而流出；但当该混合溶液放入上述阴阳离子膜组合成的容器内时，在阴阳离子膜组合形成的缝隙开口处可见含盐味(味觉咸，但不含糖的甜味)的水分析出。说明了解离成为阴离子的氢氧根离子和氯离子以及解离成为阳离子的氢离子和钠离子分别通过阴离子膜和阳离子膜并在阴阳离子膜的接触面处相互吸引重新反应成为水和氯化钠而得以排出混合溶液，而不能解离成为离子的糖分(有机物)则被截留在原溶液中，实现了通过阴阳离子膜析出水分、可解离成为离子的化合物物质，以重力作用和水压作为驱动力提供分离所需的能量，不断地流出混合物溶液，使容器中的原混合溶液中的非电解质浓度不断增加，实现电解质和非电解质两种不同物质的相互分离或脱水浓缩。显然，增加混合溶液的压力，例如通过压缩空气提供静压力方式，将提供额外的驱动力加速水分及电解质的析出。同理，如以稀硫酸水解生物质所得到的混合溶液作为被处理的混合溶液，硫酸及水分将被析出，并可以回用于下一步的酸水解工序。为了减少对离子膜的损害，混合溶液最好先经过粗滤去除混合溶液中的固形物。
为便于所析出的水分及所含有的电解质物质流出两种离子膜组合形成的缝隙开口，阴阳离子膜之间最好置放具有毛细功能的薄层，薄层的厚度以不影响阴阳离子从各自的离子膜析出后的再化学结合为准。或者直接利用阴阳离子的双极膜作为隔板，代替上述由单个阴或阳离子膜组合形成的隔板，此时双极膜的中间成为水分、电解质析出的通道。
当上述混合溶液中含有不能透过离子膜的大分子时，离子膜的阻隔作用同时使大分子物质与难以解离的物质得到浓缩或与水分、电解质类物质得到分离。
实施例2：
以市售碱木质素粉末100克，配制溶液2000毫升，其pH值约为11。将此混合溶液放入实施例1中的渗析装置中，可见含碱的水分的析出。当水分析出约一半体积时，补充水份至原来体积，经数次渗析，碱木质素溶液中碱含量降低，pH值至9。由此例可知，对于含有大分子有机酸盐的混合物溶液，通过不断添加水分，促使所述大分子有机酸盐的水解，水解产物中的碱性物质与混合物溶液中的水分通过上述阴阳离子膜隔板形成的渗析装置析出，而有机大分子或有机大分子离子被离子膜截留，最终可得到浓缩了的大分子有机酸产品，如可以用于通过维生素c的钠盐生产维生素C，碱木质素脱碱等类似的工艺过程中。
实施例3：
将由阴阳离子膜形成的带有缝隙开口的隔板中的阴离子膜或阳离子膜，其中之一采用只能或主要选择透过氢氧根离子或选择透过氢离子的阴离子膜或阳离子膜，当使含盐的水溶液(如海水或含硫酸钠的水溶液)经所述的隔板渗析装置渗析时，分别只能或主要的析出含碱或含酸的溶液，而截留的溶液成为含酸性或含碱性的溶液。如阴阳离子膜均分别采用只能或主要透过氢氧根离子或氢离子选择透过的阴离子膜或阳离子膜，则析出的主要是淡化了的水分，和浓缩了的盐溶液。
当特别地处理含有高价阴离子酸根的盐溶液(如硫酸钠)时，上述阴离子膜采用只选择性透过一价阴离子(此时溶液中阴离子只有氢氧根离子可透过)的阴离子膜，而对应的阳离子膜如采用只选择透过氢离子的膜，则析出的几乎是水分，起到浓缩含盐溶液的作用；但如对应的阳离子膜采用可透过金属阳离子膜，则析出的主要是含碱的水溶液。
利用阴离子膜中氢离子具有高淌度和部分透过的特性，采用由两个具有不同氢离子淌度的阴离子膜(替代前述的阴阳离子膜组合)形成所述的隔板渗析装置，使含盐水溶液经这样结构的隔板渗析装置，其中，高氢离子淌度的阴离子膜起到阳离子膜的作用，而低氢离子透过，高阴离子(酸根离子)透过的阴离子膜对应起到阴离子膜的作用，形成一个拟阴阳离子膜结构的隔板渗析装置，从而析出含酸的溶液，对应地，截留的溶液为含碱性以及残留的盐分的溶液。但若所述阴离子膜只选择性透过氢氧根离子以及保持对氢离子的淌度，则使含盐水溶液析出淡化了的水分，及截留的盐浓缩液。
或者利用或制造一种对氢氧根阴离子具有一定淌度的阳离子膜拟作为拟“阴离子膜”，以此拟阴离子膜与另外一个对氢氧根阴离子不透过或更低淌度且对氢离子选择性透过的阳离子膜组合成为前述的隔板渗析装置，使含盐的水溶液经此渗析装置渗析处理，则渗析出的主要是淡化了的水，以及对应截留的浓缩了的盐溶液。但若采用的阳离子膜非选择性透过氢离子，则使含盐水溶液析出碱溶液，以及对应截留的含酸溶液。为了增加氢氧根离子在拟阴离子膜(阳离子膜)中的淌度，可以将前述两个离子膜接触面之间的毛细隔层作为电极的阳极，而混合溶液作为阴极，但所施加的电位不高于氢离子或金属阳离子仍然可透过起到阳离子膜作用的膜的水平。
总之，不言而喻，上述方法可以应用于分离各种含有溶解于水溶液中的有机物和无机物的污水，或混合物中的难以解离的非电解质的有机物与无机物的相互分离，以及工业上各种含有机物混合溶液的脱水浓缩提纯工艺过程中。例如，在餐饮行业，可将污水处理提取浓缩营养物质，在生活污水处理过程中，提取浓缩肥料。
Claims (12)
1.一种电解质与非电解质的分离方法，其特征在于，将阴离子膜和阳离子膜紧密接触，形成一个具有朝向下方的缝隙开口的隔板，其周边与盛装水溶液的容器密封接触，其上方完全浸没在混合物溶液中，其下方伸出在容器外部，使通过阴阳离子膜析出的水分、可解离成为离子的化合物，不断地流出混合物溶液。
2.如权利要求1所述的电解质与非电解质的分离方法，其特征在于，以双极膜作为所述的隔板。
3.如权利要求1所述的电解质与非电解质的分离方法，其特征在于，对于含有大分子有机酸盐的混合物溶液，通过不断添加水分，促使所述大分子有机酸盐水解，水解产物中的碱性物质与溶液中的水分通过所述隔板的缝隙开口析出。
4.如权利要求1所述的电解质与非电解质的分离方法，其特征在于，所述的可解离成为离子的化合物物质为酸、碱、盐类物质。
5.一种电解质与非电解质的分离方法，其特征在于，将所述隔板中的阴离子膜或阳离子膜，其中之一采用只能或主要透过氢氧根离子或氢离子的阴离子膜或阳离子膜，使含盐水溶液经所述的隔板渗析装置析出含碱或含酸的溶液，以及对应地截留的含酸性或含碱性的溶液。
6.如权利要求5所述的电解质与非电解质的分离方法，其特征在于，所述的阴离子膜和阳离子膜分别采用只能或主要透过氢氧根离子或氢离子的阴离子膜或阳离子膜，使含盐的水溶液经所述的隔板渗析装置析出淡化了的水分以及截留的浓缩了的含盐溶液。
7.一种电解质与非电解质的分离方法，其特征在于，由两个具有不同氢离子淌度的阴离子膜形成所述隔板装置，使含盐水溶液析出含酸溶液及截留的含碱溶液。
8.如权利要求7的电解质与非电解质的分离方法，其特征在于，所述阴离子膜选择性透过氢氧根离子，使含盐水溶液析出淡化了的水分，及截留的盐浓缩液。
9.一种电解质与非电解质的分离方法，其特征在于，利用一种对氢氧根阴离子具有一定淌度的阳离子膜，以此阳离子膜与另外一个对氢氧根阴离子不透过或更低淌度且只选择性透过氢离子的阳离子膜组合成所述的隔板渗析装置，使含盐的水溶液析出主要是淡化了的水，以及对应截留的浓缩了的盐溶液。
10.如权利要求9的电解质与非电解质的分离方法，其特征在于，所述的阳离子膜非选择性透过氢离子，使含盐水溶液析出碱溶液，及对应截留的含酸溶液。
11.一种电解质与非电解质的分离方法，其特征在于，当特别地处理含有高价阴离子酸根的盐溶液时，上述阴离子膜采用只选择性透过一价阴离子的膜，而对应的阳离子膜采用只可选择透过氢离子的膜，则析出淡化了的水分，以及对应截留的浓缩了的盐溶液。
12.如权利要求11的电解质与非电解质的分离方法；其特征在于，上述阴离子膜采用只选择性透过一价阴离子的膜，对应的阳离子膜采用可透过金属阳离子的膜，则析出的主要是含碱的水溶液，以及对应截留的含酸溶液。
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