雙極膜電滲析法制備偏鎢酸銨溶液的研究

彭玉玲

摘 要：該研究主要是將鎢酸銨溶液作為試驗(yàn)原料，使用雙極膜電滲析法（BMED）制出偏鎢酸銨（AMT）溶液。在此次研究中，也充分考慮了電流密度、料液WO3濃度和pH值等各因素對(duì)雙極膜電滲析法過程的影響程度，并使BMED實(shí)驗(yàn)在優(yōu)化條件下進(jìn)行。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)電流密度控制在700 A/m2，溶液WO3濃度在172.3 g/L，堿室NH4HCO3濃度為1.5 mol/L，并將滲析時(shí)間控制為600 min，溫度30 ℃左右時(shí)，BMED過程的電流效率平均達(dá)到72%，而耗電僅為0.88 kWh/kg WO3，同時(shí)WO3的直收率高達(dá)99.9%，整體過程容易操作并且能夠平穩(wěn)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：雙極膜電滲析 偏鎢酸銨 制備

中圖分類號(hào)：TQ028 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）04（a）-0037-02偏鎢酸銨（AMT）是制備鎢系石油加強(qiáng)催化劑的重要原料，其含有大分子量和極高的水溶性，讓AMT成為工業(yè)中常使用的制備原料。在工業(yè)中，常使用熱分解法將仲鎢酸銨（APT）分解為AMT，基本原理為：APT加熱分解出NH3，控制溫度和壓力并控制結(jié)晶體中的NH4+含量，從而將ATP轉(zhuǎn)化為AMT[1]。雖然，經(jīng)過長(zhǎng)年的制備經(jīng)驗(yàn)積累，此方法操作較簡(jiǎn)單而且技術(shù)也比較成熟，但不可忽視的確定是此方法AMT的收率較低，一般都低于90%，造成了原料成本的提高，并帶來廢棄物處理不足的問題。

此外，為避免這種熱分解法的缺陷，又出現(xiàn)了另一種制備方式，即利用鎢酸銨溶液為液相轉(zhuǎn)化原料，調(diào)整鎢酸銨溶液的pH值到合適范圍，得到的AMT溶液濃縮為晶體。這種液相轉(zhuǎn)化法卻也有著產(chǎn)品質(zhì)量不高、廢棄物處理不合格等不足的問題。

因此，該實(shí)驗(yàn)利用膜分離的技術(shù)，利用BMED將鎢酸銨溶液制取出AMT溶液，并證實(shí)了此方法具有收率高、降低原料成本、產(chǎn)品質(zhì)量較好、產(chǎn)生的廢棄物較少等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，該研究著重考慮了電流密度、料液WO3濃度和pH值等各因素對(duì)雙極膜電滲析法過程的影響程度，確定了BMED過程中的最優(yōu)條件，以期為今后進(jìn)一步研究BMED方法制備AMT溶液提供一定參考。

1 實(shí)驗(yàn)原理

將在BMED儀器加上所需電壓時(shí)，在膜堆內(nèi)將形成一個(gè)定向電場(chǎng)，水分子在這種強(qiáng)大的電場(chǎng)作用下，解離呈H+和OH-，并定向遷移進(jìn)入鹽室和堿室[2]。隨著電解過程的不斷加強(qiáng)，NH4+不斷地從鹽室中遷出，而H+將不斷的遷出，導(dǎo)致鹽室pH急劇下降，一般來說，當(dāng)溶液中pH降至4或以下時(shí)，就會(huì)有偏鎢酸根的生成。而此時(shí)，堿室中的NH4+和OH-相互結(jié)合生成氨水，并在進(jìn)一步的電解中形成偏鎢酸銨和氨水的混合物。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

該實(shí)驗(yàn)選用的鎢酸銨溶液是由鎢礦經(jīng)過堿分解萃取工藝得到的工業(yè)料液，用去離子水將其稀釋到相應(yīng)濃度即得到實(shí)驗(yàn)原料液。在實(shí)驗(yàn)過程中用到的其他試劑，均為分析純。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

BMED儀器是臺(tái)杏貿(mào)易公司生產(chǎn)的，型號(hào)為ACILYZER-02，儀器中主要用的裝置有膜堆、溶液儲(chǔ)槽、離心泵、陰膜、雙極膜和陽膜等，其中實(shí)驗(yàn)中使用的膜有效面積為200 cm2。其余涉及到的實(shí)驗(yàn)儀器有恒流蠕動(dòng)泵、電子攪拌器、pH計(jì)、恒溫振蕩器和分光光度計(jì)等[3]。

2.3 實(shí)驗(yàn)分析方法

實(shí)驗(yàn)中NH4+的測(cè)定方法采用酸堿中和滴定，并以甲基橙為指示劑；使用高錳酸鉀以滴定的方式測(cè)定H2O2；溶液中WO3的測(cè)定采用硫氰酸鹽比色法進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 各因素對(duì)BMED過程的影響

首先是電流密度對(duì)其的影響。該實(shí)驗(yàn)中，主要考察了電流密度在370～750 A/m2范圍中對(duì)BMED過程的影響，滲析時(shí)間為120～240 min，溫度在30 ℃左右。結(jié)果顯示，槽內(nèi)的電壓隨著電流的增加而增加，同樣電流效率與電流密度也成正比。電流密度升高后，在遷移中占主導(dǎo)因素的成為NH4+，因而電流的效率也會(huì)相應(yīng)提高，但若超過電流密度的極限，電流效率的增加趨勢(shì)也不再明顯。因此，綜合考慮這樣的一個(gè)特性，實(shí)驗(yàn)選擇電流密度為620～750 A/m2。

其次是料液中WO3濃度對(duì)其的影響。該實(shí)驗(yàn)中控制料液中WO3的濃度在57～200 g/L，堿室NH4HCO3的濃度為1 mol/L，電流密度為500 A/m2，電解時(shí)間控制在100 min，pH值在3左右，溫度控制在30 ℃。結(jié)果表明，料液中的WO3濃度對(duì)于電滲析過程的影響很大，隨著其濃度的升高，帶動(dòng)了鹽室中NH4+的濃度上升，從而帶來電阻降低，電壓下降，因而造成電流效率的升高和直流電耗程度的降低。但同時(shí)，WO3的濃度又不易過高，否則會(huì)導(dǎo)致鹽室和堿室溶液密度差距過大，使兩室的壓力難以平衡而造成電滲析過程的操作困難。因此，實(shí)驗(yàn)選擇料液WO3的濃度在150～200 g/L時(shí)為適宜。

最后是鹽室中pH值對(duì)其的影響。該實(shí)驗(yàn)選擇調(diào)節(jié)鹽室pH值在2.5～4之間，加入的WO3濃度約為175 g/L，其余條件控制與之前相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鹽室中pH的變化并沒有使槽電壓有太大改變，電流效率與pH值成正比，直流電耗與其成反比[4]。因此，應(yīng)盡可能在保證產(chǎn)品質(zhì)量的情況下，適當(dāng)升高鹽室溶液中的pH值，以確保滲析過程可以以最佳狀態(tài)進(jìn)行。此外，在陳化過程中，實(shí)驗(yàn)將pH值控制在2.8～3時(shí)，得到的溶液最為清亮透明，表明在此范圍內(nèi)的酸堿度中，得到的產(chǎn)品質(zhì)量最高。

3.2 優(yōu)化條件下的BMED實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上影響因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該研究在選定的最佳實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行了一次綜合實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，在最優(yōu)條件下運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)中，鎢在雙極膜電滲析過程中損失的量基本可以忽略，并且大部分的WO3都成功回收，回收率高達(dá)99.9%。并且，鎢酸銨溶液中的Na離子大部分都遷移到了堿室，這為能夠制備出高品質(zhì)的AMT起到了很大作用。

4 結(jié)論

（1）該實(shí)驗(yàn)得到了利用BMED過程制備AMT的各種最優(yōu)工藝條件，即電流密度在620～750 A/m2、料液中WO3濃度在150～200 g/L以及滲析過程中鹽室pH值最好要控制在2.8～3之間。

（2）采用以上優(yōu)化條件下的因素進(jìn)行BMED實(shí)驗(yàn)，最后結(jié)果顯示此過程的平均電流效率高達(dá)72%，直流電耗僅為0.88 kWH/kg WO3，而WO3的回收率卻高達(dá)99.9%，證明了此方法進(jìn)行AMT產(chǎn)品的制備安全穩(wěn)定且效率更高。

參考文獻(xiàn)

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[2] 李海宇，宋衛(wèi)鋒.膜處理技術(shù)在廢酸回收中的應(yīng)用[J].膜科學(xué)與技術(shù)，2016，36（3）：136-141.

[3] 關(guān)文娟，張貴清，曾成威，等.雙極膜電滲析法制備偏鎢酸銨溶液的研究[C]//全國(guó)膜分離技術(shù)在冶金工業(yè)中應(yīng)用研討會(huì). 2014.

[4] 楊建鑫，王建友，張振輝，等.雙極膜電滲析處理精制濃海水制備酸堿[J].水處理技術(shù)，2016（5）：17-22.