電滲析處理茶氨酸可行性研究

文_陳希書 張耀武 沈達(dá) 林濤 浙江沐源環(huán)境工程有限公司

相較于反滲透和納濾等水透過而鹽分留下的技術(shù)，電滲析技術(shù)是逐漸脫除鹽類而得到濃度較低的溶液，具有連續(xù)操作、能量消耗低、藥劑耗量少、環(huán)境污染小和水利用率高等優(yōu)點，在環(huán)境、制鹽、食品和化學(xué)藥品等工業(yè)領(lǐng)域方面有廣泛應(yīng)用。

1 儀器與方法

1.1 實驗設(shè)備

實驗采用電滲析裝置由浙江沐源環(huán)境工程有限公司提供。裝置由三個循環(huán)系統(tǒng)組成，每個循環(huán)系統(tǒng)都包含有：水泵、水箱、流量計和壓力表。料液通過循環(huán)泵打到電滲析的隔離室內(nèi)，通過調(diào)節(jié)閥控制流量，確保料液室、濃縮室和極水室三室內(nèi)的壓力平衡。其中，電滲析膜堆為50 對膜，膜的尺寸為200mm×600mm，單片有效膜面積為0．832m2，總有效膜面積為4．16m2；PHSJ-3F 型pH 計，上海儀電科學(xué)儀器股份有效公司；DDS-307 電導(dǎo)率儀，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司。

1.2 電滲析設(shè)備操作過程

茶氨酸脫鹽使用的是電滲析試驗機(jī)設(shè)備，實驗過程中的主要操作步驟為：首先，向水箱中相應(yīng)的加入適量料液和去離子水；然后，微開料液、濃水的進(jìn)口閥門，全開出口閥門，依次開啟水泵，調(diào)節(jié)流量循環(huán)幾分鐘；接著，開啟整流開關(guān)，再開啟正相(或反相)，依據(jù)所貼標(biāo)簽相互對應(yīng)，調(diào)節(jié)電壓；穩(wěn)定后，定期取樣，測定電導(dǎo)率變化；結(jié)束時先關(guān)閉電壓調(diào)節(jié)閥至0，再關(guān)閉正相(反相)，接著關(guān)閉整流開關(guān)，最后關(guān)閉泵。

1.3 電滲析脫鹽率測定

在電滲析的脫鹽過程中，反映脫鹽效果好壞的指標(biāo)是脫鹽率的多少。脫鹽率指的是在采用離子交換法或化學(xué)法去除水中陰、陽離子過程中，去除的量占原量的百分?jǐn)?shù)。脫鹽率受溫度、離子種類、回收率、膜種類以及其他各種設(shè)計因素的影響。實驗采用DDS-307 電導(dǎo)率儀測定樣品不同時間內(nèi)的電導(dǎo)率，脫鹽率可以用式（1）表示。

其中R—脫鹽率，%（即：可溶性雜質(zhì)濃度的百分比）；Kf—溶液的初始電導(dǎo)率，mS/cm ；Kd—電滲析后的電導(dǎo)率，mS/cm。

1.4 電滲析脫鹽處理茶氨酸的可行性

為了總體上考慮電滲析技術(shù)對茶氨酸連續(xù)脫鹽的可行性，實驗首先采用了20L茶氨酸料液進(jìn)行拖延試驗，考察了不同初始電導(dǎo)（1330μS/cm、2320μS/cm、3360μS/cm、4370μS/cm）下茶氨酸的脫鹽效果，不同流速下（400L/h、500L/h）茶氨酸的脫鹽效果，以及分析了實驗過程中濃水補(bǔ)水與不補(bǔ)水兩者之間茶氨酸的脫鹽效果。

2 結(jié)果與討論

本實驗主要討論料液在不同初始電導(dǎo)、不同流速下脫鹽的可行性，以及對比濃水補(bǔ)水和不補(bǔ)水下的脫鹽效果。

2.1 茶氨酸不同初始電導(dǎo)下脫鹽效果

茶氨酸料液的成分比較復(fù)雜，除了目標(biāo)茶氨酸外，還有較多的雜質(zhì)和雜酸，為了研究其脫鹽效果的可行性，選取4 種初始電導(dǎo)不同的茶氨酸料液進(jìn)行電滲析脫鹽實驗。首先，向電滲析設(shè)備的料液箱中加入20L 茶氨酸料液；然后，向濃水水箱中加入20L 去離子水，使得兩水箱含量為1：1；接著，打開閥門，調(diào)節(jié)料液和濃水流量均為500L/h，壓力為0．01MPa，電壓為50V，依次對初始電導(dǎo)為1330μS/cm、2320μS/cm、3360μS/cm、4370μS/cm 的料液進(jìn)行脫鹽處理。不同初始電導(dǎo)下的脫鹽效果如圖1 所示。

圖1 不同初始電導(dǎo)下脫鹽效果

從圖1 可以看出，隨著時間的增加脫鹽率也呈逐漸增加的趨勢，當(dāng)脫鹽率達(dá)到70%～80%時，脫鹽率的變化趨于平緩，這主要是隨時間的加長，料液室內(nèi)含鹽量不斷減少，脫鹽率增速也逐漸地變慢。另外，在不同初始電導(dǎo)率下，隨初始電導(dǎo)率的增加，脫鹽率所用時間也逐漸增加。不同初始電導(dǎo)率的料液隨時間變化脫鹽效果不同，當(dāng)初始電導(dǎo)為1330μS/cm 時，經(jīng)過50min 后，電導(dǎo)為193．2μS/cm，脫鹽率達(dá)到85．5%；當(dāng)初始電導(dǎo)為2320μS/cm 時，經(jīng)過80min 后，電導(dǎo)為282μS/cm，脫鹽率達(dá)到87．8%；當(dāng)初始電導(dǎo)為3360μS/cm 時，經(jīng)過140min后，電導(dǎo)為349μS/cm，脫鹽率達(dá)到89．6%；當(dāng)初始電導(dǎo)為4370 μS/cm 時，經(jīng)過270min 后，電導(dǎo)為560μS/cm，脫鹽率達(dá)到87．2%。由此結(jié)論可知，該實驗在不同的初始電導(dǎo)率情況下，脫鹽率都能達(dá)到85%左右，脫鹽效果比較明顯，具有可行性。

2.2 茶氨酸在不同流量下的脫鹽效果

為了從整體上研究茶氨酸脫鹽的可行性，在電滲析設(shè)備的壓力為0．01MPa，電壓為50V 的條件下，討論不同流量（400L/h、500L/h）下茶氨酸的脫鹽效果。茶氨酸不同流量下的脫鹽效果如圖2 所示。

圖2 不同流量時的脫鹽效果

從圖2 可以看出，隨著時間的增加脫鹽率也逐漸增加，且在30min 后，其脫鹽率逐漸趨于緩慢增加。另外，流量不同其脫鹽率也不同，大流量下茶氨酸的脫鹽率稍高于小流量下的脫鹽率，且在兩者達(dá)到相同脫鹽率時，流量高的比流量低時所用的脫鹽時間短。當(dāng)流量為400L/h 時，脫鹽150min 后，電導(dǎo)率由2870μS/cm 降至493μS/cm，脫鹽率達(dá)到82．8%；當(dāng)流量為500L/h 時，脫鹽120min 后，電導(dǎo)率由3470μS/cm 降至360μS/cm，脫鹽率達(dá)到89．6%。因此可知，在流量不同的情況下，脫鹽率也能達(dá)到實驗要求，且脫鹽效果比較明顯，該實驗具有一定的可行性。

2.3 濃水補(bǔ)水與不補(bǔ)水過程脫鹽效果

在電滲析脫鹽的實驗過程中，料液箱中的離子不斷地進(jìn)入到濃水箱中，使得濃水箱中離子含量不斷增加，若濃水箱中的離子濃度較高時，會向料液室反向遷移，降低脫鹽效果。因此，本實驗討論實驗過程中濃水補(bǔ)水與不補(bǔ)水時的脫鹽效果。首先，向電滲析設(shè)備的料液箱中加入20L 茶氨酸料液；然后，向濃水水箱中分別加入20L 或10L 去離子水，使得兩水箱含量的比為1：1 或2：1（90min 時，向濃水箱中補(bǔ)充去離子水，使料液和濃水水箱含量為1：1）；接著，打開閥門調(diào)節(jié)料液和濃水流量均為500L/h，壓力為0．01MPa，電壓為50V，進(jìn)行脫鹽處理。脫鹽效果如圖3 所示。

圖3 濃水補(bǔ)水時的脫鹽效果

從圖3 看出，隨時間的增加脫鹽率也逐漸增加。相較于不補(bǔ)水的實驗過程，濃水補(bǔ)水過程中的脫鹽率相對較高。當(dāng)料液箱與濃水箱含量都為20L（中途不補(bǔ)水），脫鹽250min 后，電導(dǎo)率由4290μS/cm 降至536μS/cm，脫鹽率達(dá)到87．5%；當(dāng)料液箱為20L，濃水箱含量都為10L（90min 時，向濃水箱中補(bǔ)充10L 去離子水，使料液和濃水水箱含量為1：1）時，脫鹽180min 后，電導(dǎo)率由4330μS/cm 降至578μS/cm，脫鹽率達(dá)到86．7%。當(dāng)脫鹽率相差不大，且脫鹽效果較好時，濃水補(bǔ)水所用的時間較短。出現(xiàn)這種實驗結(jié)果的原因是，用去離子水對濃水進(jìn)行補(bǔ)充，使得濃水水箱中遷移過來的離子濃度降低，促使料液箱的離子正向遷移，提高脫鹽率。因此，為了節(jié)省時間和節(jié)約能耗，實驗過程中一般選擇濃水補(bǔ)水手段進(jìn)行實驗。

3 結(jié)論

本實驗證明采用電滲析技術(shù)對茶氨酸料液進(jìn)行脫鹽處理，具有較好的脫鹽效果。集中不同初始電導(dǎo)率情況下脫鹽時，脫鹽率都能達(dá)到85%左右，脫鹽效果比較明顯；在流量不同的情況下，脫鹽率也能達(dá)到實驗要求，且脫鹽效果比較明顯，均具有一定的可行性。另外，濃水補(bǔ)水與不補(bǔ)水相比較，當(dāng)脫鹽率相差不大時，濃水補(bǔ)水所用的時間較短。因此，茶氨酸的電滲析脫鹽過程整體是可行的。但是在實際應(yīng)用的過程中，由于不確定因素較多，需要根據(jù)實際條件，來控制和調(diào)節(jié)各項參數(shù)。