Academic Report

《Recovery of Hydrochloric Acid from Simulated Chemosynthesis Aluminum Foil Wastewater: An Integration of Diffusion Dialysis and Conventional Electrodialysis》是由U. Zhang, Chuanrun Li, Xiaolin Wang, Yaoming Wang和Tongwen Xu共同完成的一项研究论文，作者单位为University of Science and Technology of China（中国科学技术大学化学与材料科学学院功能膜实验室）。该研究发表在国际期刊《Journal of Membrane Science》的卷号409–410（2012年），文章上线日期为2012年4月3日。

研究背景

学术领域及研究动机
该研究属于膜分离技术领域，聚焦在如何有效回收废水中的无机酸这一课题。随着工业化的深入发展，大量含有酸性污染物的工业废水被不断排放，包括化学合成铝箔行业产生的高浓度盐酸废水。这些废水不仅对环境造成严重威胁，而且由于水资源的紧缺，对水的高效利用变得尤为重要。

扩散透析（Diffusion Dialysis, DD）作为一种受浓度梯度驱动的膜分离技术，由于其操作成本低、能耗小、简单易行、经济高效等优点，已广泛应用于回收各种酸性废液。然而，DD存在水消耗量大和回收酸浓度低两大问题。为了提高回收酸浓度并减少水资源的浪费，研究者提出了将传统电驱动技术（Conventional Electrodialysis, CED）与DD相结合的创新方法。

研究目的
本研究旨在探讨DD和CED集成工艺在模拟化学合成铝箔废水中回收盐酸并减少资源浪费方面的可行性和有效性。具体目标包括： 1. 优化关键工艺参数如流速、预运行时间和电流对工艺性能的影响； 2. 比较单独DD工艺与集成工艺的性能差异； 3. 评估该工艺的经济与环境价值。

研究流程

实验装置与材料
1. 实验装置：
研究中采用了自制的螺旋卷式扩散透析膜模块（SWDD）和包含阳离子/阴离子交换膜的CED膜模块。两模块分别用于酸的扩散分离和进一步的酸浓缩。 - SWDD模块有效膜面积为1 m²，由镍钛涂铱电极连接到直流电源。 - CED模块包含2个电极室、7个浓缩室和6个稀释室。 - 实验还使用了自循环水箱和蠕动泵调节流速。

1. 材料：
   扩散透析使用的是山东天维研发的阴离子交换膜DF120，电渗析使用的是北京廷润研发的阳离子交换膜和阴离子交换膜。模拟废水的初始成分为1.35 mol/L的盐酸和0.15 mol/L的氯化铝。

实验流程
1. 实验步骤： - 扩散透析模块首先预运行一段时间，目的是降低CED膜堆的电阻； - 调节扩散液流速（从0.24到0.72 L/(m² h)）以评估对扩散性能的影响； - 调节CED模块中的电流（从0 A到2.5 A）以衡量能量消耗和酸浓缩效果； - 将SWDD和CED模块在线集成运行3小时，循环收集数据，其中缓冲液箱中的溶液作为两个模块的连接桥梁。

1. 数据采集与分析：
   • 每个实验运行中，定期记录CED膜堆的电压降、溶液酸及铝离子浓度，并计算平均酸回收率和平均铝泄漏率。
   • 通过EDTA滴定法测定 Al³⁺ 浓度，Na₂CO₃滴定法测定 H⁺ 浓度，解析能量消耗通过电流与电压积分得出。

实验结果

关键研究数据
1. 扩散透析预运行时间：
- 适当的预运行时间（t1）可以在一定程度上降低CED膜堆的电阻和能量消耗（例如从0.81 kWh减少至0.58 kWh），但对酸回收率（71%到64.5%）和铝泄漏率（13.8%到10.6%）影响较小。

1. 扩散液流速：

   • 流速增加能显著影响酸和铝的回收率。当流速从0.24 L/(m² h)增加到0.60 L/(m² h)，平均酸回收率从58.4%升至74.9%，能量消耗却从1.52 kWh降至0.41 kWh。然而，流速过高（例如0.72 L/(m² h））时，回收率却有所降低。

2. CED电流：

   • CED电流增加（从0 A到2.5 A），增强了酸和铝离子的浓缩能力，平均酸回收率从59.7%升至最高71.1%，但同时铝泄漏率从31%降低至13.8%，再略微回升到15.3%。高电流下能量消耗显著增加。

3. 水资源消耗对比：

   • 与传统单一DD工艺相比，集成工艺在高流速条件下显著减少了水资源消耗。例如，在流速为0.60 L/(m² h)时，集成工艺耗水量为0.80 L，而单一DD工艺需消耗1.90 L。

4. 浓酸生产能力：

   • 集成工艺中，CED可进一步浓缩酸，使最终产物的酸浓度接近或达到原进料酸浓度（例如1.35 mol/L）；而传统DD工艺的回收酸浓度始终低于原始浓度，需额外添加酸，才能直接用于生产流程。

研究结论

1. 扩散透析与传统电渗析的联合应用是一种具备经济和环保潜力的高效方法，可有效回收铝箔废水中的无机酸并大幅降低水资源消耗。
2. 优化参数（例如流速、预运行时间、电流）可提高工艺性能，从而实现集成运行的兼容性与操作稳定性。
3. 与单独的扩散透析工艺相比，该集成工艺不仅展现了更高的酸回收率和浓酸生产能力，还能节水，同时减少新鲜酸的补充需求。

研究亮点及意义

1. 工艺创新：研究首次报告了在线集成扩散透析与传统电渗析用于无机酸回收的可行性，开发了一种资源友好型解决方案。
2. 数据详实：实验细致量化了多个工艺参数的影响并提供了全面的数据支持。
3. 环保价值：通过显著减少新鲜水与新鲜酸的消耗，该工艺为工业废水处理领域提供了可持续发展的新路径。