基本信息
- 項目名稱：
- 物相轉(zhuǎn)化—酸溶法清除電鍍廢水塑料膜濾板硫酸鈣結(jié)晶垢研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 針對電鍍廢水塑料膜濾板硫酸鈣結(jié)晶垢清除難題，通過對硫酸鈣結(jié)晶垢的鑒定，根據(jù)化合物溶度積原理，選擇廉價的碳銨為原料，研制出了碳銨—鹽酸物相轉(zhuǎn)化再酸溶方法用于快速清除電鍍廢水塑料膜濾板硫酸鈣結(jié)晶垢。通過研究碳銨濃度、浸泡溫度和浸泡時間等因素對物相轉(zhuǎn)化—酸溶法溶解硫酸鈣結(jié)晶的影響，結(jié)合工業(yè)化生產(chǎn)實際情況，確定出最佳除垢工藝條件為：碳銨濃度為飽和濃度，浸泡溫度為環(huán)境溫度，浸泡時間為72 h。
- 詳細介紹：
- 在制鹽、海水淡化、石油開采、鹽湖資源綜合利用等工業(yè)化生產(chǎn)中常常遇到硫酸鈣垢的問題，垢層的不斷積累不僅影響傳熱效率，造成熱能損失，產(chǎn)量降低，而且增加生產(chǎn)成本的同時延長了生產(chǎn)周期。在廢水處理過程中也同樣遇到硫酸鈣結(jié)晶垢清除問題。因而針對不同工業(yè)化生產(chǎn)中的硫酸鈣垢，研制出一種有效合理的除垢方法，對工業(yè)化生產(chǎn)具有重大的意義。 硫酸鈣為強電解質(zhì),溶解后即完全電離為Ca2+和SO42-。在一般的天然水中，硫酸根離子含量不高。在通常加熱條件下，硫酸鈣不具備析出的條件，除非硫酸根離子含量很高。但當水的蒸發(fā)量大時，鈣離子和硫酸根離子高度濃縮，離子積大于其溶度積，則易析出堅硬的硫酸鈣，不易去除。硫酸鈣屬微溶鹽，在水中的溶解度比較小，但比碳酸鈣大得多。25℃時，硫酸鈣的溶解度為0.21g/100g水，而碳酸鈣僅為0.0014g/100g水。硫酸鈣溶解度隨溫度的升高呈特殊的先升高后降低狀況，如10℃時溶解度為0.1928 g/L，40℃為0.2097 g/L，100℃降至0.1619 g/L。40℃時其溶解度最大，當溫度超過40℃時，其溶解度隨溫度的升高而降低，屬于具有反常溶解度的鹽。[1] 對于硫酸鈣垢，一方面要在工業(yè)生產(chǎn)中預防和延阻硫酸鈣垢的生成[2,3]；另一方面對已生成的硫酸鈣垢要研制出有效合理的除垢方法。為了達到清除硫酸鈣垢的目的，研究者們研究了硫酸鈣在不同體系中的溶解性能[4-8]。目前國內(nèi)外報道的固體硫酸鈣的清除方法有物理除垢法和化學除垢法[2]。物理除垢法有機械除垢、高壓水清洗除垢、超聲波處理除垢和磁處理法?；瘜W除垢法有燒堿處理法、堿煮—酸洗法、加鰲合劑增溶法和物相轉(zhuǎn)化—酸溶法。比如最近殷捷等[9]針對輸鹵管垢的組成及性能，采用20%NaOH溶液，配以JFC、AEP配制出一種除垢劑，8-10份除垢劑可以清除1份硫酸鈣垢，常溫下，完全清除時間為6-8小時。李靜等[10]針對井礦鹽鹵水開采過程中產(chǎn)生的以硫酸鹽為主要成分的管垢,研制出了一種以有機螯合劑為主,與不含磷的有機阻垢劑、滲透劑、pH調(diào)節(jié)劑復配的除垢劑。宋永年[11]報道采用碳酸鈉-鹽酸物相轉(zhuǎn)化再酸溶的方法除去制鹽工業(yè)中蒸發(fā)器加熱管中硫酸鈣型結(jié)垢。向蘭等[12,13]采用可溶性碳酸鹽或草酸鹽-鹽酸物相轉(zhuǎn)化再酸溶的方法用于脫除工業(yè)氯化鉀中的硫酸鈣雜質(zhì)。上述方法各有利弊，共同缺點是成本過高，僅適合于特定工業(yè)化生產(chǎn)中硫酸鈣的清除。 電鍍廢水處理過程中，通常加入生石灰以中和電鍍廢液中的硫酸，為了節(jié)省成本，很多企業(yè)用電石渣代替生石灰，但用了電石渣后，塑料膜濾板特別容易產(chǎn)生硫酸鈣結(jié)晶垢（見文后附圖1），難于除去。一些企業(yè)通常采用鹽酸浸泡后再通過人工機械敲脫的方法將結(jié)晶垢清除（見文后附圖2），不僅勞動強度大，而且使塑料膜濾板表面變粗糙，反而提供了結(jié)晶中心，更容易形成結(jié)晶垢，往往塑料膜濾板重復使用兩三次后就得報廢。因而尋找經(jīng)濟高效、簡易可行的清除電鍍廢水塑料膜濾板硫酸鈣結(jié)晶垢的化學清洗方法具有重要的意義。 本文針對電鍍廢水塑料膜濾板結(jié)晶垢的特點，根據(jù)化合物溶度積原理，選擇廉價的碳銨為物相轉(zhuǎn)化原料，研制出了碳銨-鹽酸物相轉(zhuǎn)化再酸溶的化學方法用于快速清除電鍍廢水塑料膜濾板硫酸鈣結(jié)晶垢。 2. 實驗部分 2.1 試劑與材料 試劑：碳銨；18%鹽酸（由36%濃鹽酸配制而成）；硫酸鈣結(jié)晶垢（取自某電鍍企業(yè)報廢的塑料膜濾板）；1%氯化鋇。 材料：報廢的布滿硫酸鈣結(jié)晶垢的電鍍廢水塑料膜濾板。 2.2 電鍍廢水塑料膜濾板結(jié)晶垢的鑒定 取5.0 g電鍍廢水塑料膜濾板結(jié)晶垢置于一燒杯中，加入18%鹽酸攪拌30 min，過濾，用水洗滌殘渣2次，將此殘渣放到1%氯化鋇水溶液攪拌30 min，觀察溶解情況。 2.3 實驗條件對硫酸鈣結(jié)晶垢溶解率的影響 2.3.1 碳銨濃度對硫酸鈣結(jié)晶垢溶解率的影響 取5個燒杯，各加入5.0 g的硫酸鈣結(jié)晶垢，然后各加入系列百分比濃度的碳銨溶液100 mL置于60℃水浴中恒溫浸泡10小時。過濾，水洗，再各加入18%鹽酸溶液直至反應完全，再次過濾，水洗，烘干，稱重，計算硫酸鈣溶解率。 2.3.2 浸泡時間對硫酸鈣結(jié)晶垢溶解率的影響 取5個燒杯，各加入5.0 g的硫酸鈣結(jié)晶垢，然后各加入飽和碳銨溶液100 mL，置于30℃恒溫水浴下浸泡，每隔24 h濾出一個燒杯里的晶體，洗滌，后各加入18%鹽酸溶液直至反應完全，再次過濾，水洗，烘干，稱重，計算硫酸鈣溶解率。 2.3.3 浸泡溫度對硫酸鈣結(jié)晶垢溶解率的影響 取5個燒杯，各加入5.0克硫酸鈣結(jié)晶垢，然后加入100 mL飽和碳銨溶液置于不同溫度水浴下浸泡10小時，過濾，水洗，加入18%鹽酸溶液直至反應完全，然后再次過濾，水洗，烘干，稱重，計算硫酸鈣溶解率。 2.4 碳銨-鹽酸物相轉(zhuǎn)化酸溶法清除電鍍廢水塑料膜濾板結(jié)晶垢 將報廢的電鍍廢水塑料膜濾板切割成小塊，浸泡于裝有10 L碳銨飽和溶液的塑料桶A中，室溫浸泡3 d，取出濾板，用自來水沖洗干凈，再浸入裝有10 L 18%鹽酸溶液的塑料桶B中，直至反應完全，取出濾板，沖洗干凈，觀察溶解效果。 3.結(jié)果及討論 3.1電鍍廢水塑料膜濾板結(jié)晶垢的鑒定 電鍍廢水塑料膜濾板結(jié)晶垢是黃白色堅硬密實的固體，在鹽酸中溶解不完全，所剩殘渣為黃白色。將此殘渣放到1%氯化鋇水溶液中，殘渣溶解而原來澄清的氯化鋇溶液變渾濁。根據(jù)文獻資料[2]，證明是硫酸鈣結(jié)晶垢。其反應式為：BaCl2 + CaSO4 = BaSO4↓+ CaCl2。 由于硫酸鈣結(jié)晶垢緊密附著在塑料膜濾板中，難于用物理除垢方法清除，必須研制出高效合理的化學清洗方法。 3.2 物相轉(zhuǎn)化酸溶法實驗原理及物相轉(zhuǎn)化原料的選擇 3.2.1 實驗原理 根據(jù)化合物溶度積原理，溶度積大的化合物易于轉(zhuǎn)化生成溶度積更小的化合物沉淀。因此本文設(shè)計先通過碳銨將硫酸鈣(Ksp = 1.96×10-4)轉(zhuǎn)化為溶度積更小的碳酸鈣(Ksp = 8.7×10-9)，再通過鹽酸溶解碳酸鈣，達到清除硫酸鈣結(jié)晶垢目的。 NH4HCO3 = NH4+ + HCO3- (1) HCO3- = H+ + CO32- (2) CaSO4(s) + CO32- = CaCO3(s) + SO42- (3) CaCO3(s) + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2(g) (4) 3.2.2 物相轉(zhuǎn)化原料的選擇 根據(jù)3.2.1實驗原理分析，只要是易溶于水能生成CO32-離子的碳酸鹽或碳酸氫鹽均可以作為物相轉(zhuǎn)化原料。原料的選擇必須遵循原料易得、價格低廉的原則。對比一些市售相關(guān)的化工原料價格（見表1），本文選擇農(nóng)業(yè)肥料碳銨為物相轉(zhuǎn)化原料。 表1 一些相關(guān)化工產(chǎn)品價格一覽表 Table 1 Prices of some related chemical products. 化工產(chǎn)品名稱 EDTA 碳酸鈉/碳酸氫鈉 碳酸鉀 氫氧化鈉 碳銨 價格（元/噸） 14800~24000 1500~1600 6800~7500 1800~2800 450~700 3.3 實驗條件對硫酸鈣結(jié)晶垢溶解率的影響 由于無法粉碎電鍍廢水塑料膜濾板中的硫酸鈣結(jié)晶垢，因此研究實驗條件對硫酸鈣結(jié)晶垢的影響時，直接使用從塑料膜濾板敲下的塊狀硫酸鈣結(jié)晶垢。 3.3.1 碳銨濃度對硫酸鈣結(jié)晶垢溶解率的影響 研究了硫酸鈣結(jié)晶在相同溫度（60 oC）下，浸泡相同時間（10 h），不同濃度碳銨溶液對硫酸鈣結(jié)晶垢溶解率的影響，見圖1。 圖1碳銨的濃度對硫酸鈣結(jié)晶垢溶解率的影響 Figure 1 Effect on the solubility of calcium sulfate by ammonium bicarbonate with different concentration. 圖1表明本實驗條件下，硫酸鈣結(jié)晶垢溶解率隨碳銨濃度的增加而升高，當碳銨百分比濃度為20%，硫酸鈣結(jié)晶垢的溶解率已經(jīng)高于99%；濃度高于50%時，硫酸鈣結(jié)晶垢已完全溶解。因此，碳銨溶液濃度為飽和溶液為最佳溶解濃度條件。 3.3.2 浸泡時間對硫酸鈣結(jié)晶垢溶解率的影響 研究了硫酸鈣結(jié)晶垢在相同碳銨濃度（飽和濃度）下，浸泡溫度均為30 oC時，不同浸泡時間對硫酸鈣結(jié)晶垢溶解率的影響，見圖2。 圖2浸泡時間對硫酸鈣結(jié)晶垢溶解率的影響 Figure 2 Effect on the solubility of calcium sulfate by different soaking time. 圖2表明在本實驗條件下，硫酸鈣結(jié)晶垢溶解率隨浸泡時間的延長而升高，當浸泡時間為72 h時，溶解已經(jīng)趨向完全。因此，72 h為最佳浸泡時間。 3.3.3 浸泡溫度對硫酸鈣結(jié)晶垢溶解率的影響 研究了硫酸鈣結(jié)晶垢在相同碳銨濃度（飽和濃度）下均浸泡相同時間（10 h）情況下，不同浸泡溫度對硫酸鈣結(jié)晶垢溶解率的影響，見圖3。 圖3表明在本實驗條件下，硫酸鈣結(jié)晶垢溶解率隨浸泡溫度的升高而升高，當浸泡溫度達75 oC時，溶解已經(jīng)趨向完全。但研究發(fā)現(xiàn)，溫度過高，碳銨易分解產(chǎn)生大量泡沫，使碳銨成分遭受損失。而且由于升高溫度需要對溶液進行加熱，必然消耗能源，而塑料膜濾板可以分批使用，從節(jié)能方面考慮，因此浸泡溫度選擇環(huán)境溫度。 圖3浸泡溫度對硫酸鈣結(jié)晶垢溶解率的影響 Figure 3 Effect on the solubility of calcium sulfate by different soaking temperature. 3.4 碳銨-鹽酸物相轉(zhuǎn)化法清除電鍍廢水塑料膜濾板結(jié)晶垢 綜合上述討論，選擇廉價的碳銨為物相轉(zhuǎn)化原料，碳銨濃度為飽和溶液、浸泡時間為72 h和浸泡溫度為環(huán)境溫度這樣的工藝條件處理布滿硫酸鈣結(jié)晶垢的電鍍廢水塑料模濾板，然后用18%鹽酸溶液處理，獲得了很好的清洗效果，對一次不能清洗干凈的濾板，采用重復操作可以把硫酸鈣結(jié)晶垢完全清除，使濾板光亮如新（見文后附圖）。 4. 結(jié)論 本文研究表明，碳銨-鹽酸物相轉(zhuǎn)化再酸溶的方法是一種快速清除電鍍廢水塑料膜濾板硫酸鈣結(jié)晶垢的化學清洗方法。其最佳工藝條件為碳銨濃度為飽和溶液、浸泡溫度為環(huán)境溫度、浸泡時間為72 h。采用本法處理電鍍廢水塑料膜濾板硫酸鈣結(jié)晶垢，不僅可以減輕人工機械去垢的勞動強度，節(jié)省勞動力成本，提高除垢效率，特別是還可以延長塑料膜濾板的使用壽命，節(jié)省材料成本，從而降低電鍍廢水處理成本，因而具有很好的推廣應用價值。另外，本文方法也適用于其它類型的硫酸鈣垢的清除
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：針對電鍍等化工企業(yè)采用落后的人工機械去垢方法清除電鍍廢水塑料膜濾板硫酸鈣結(jié)晶垢的現(xiàn)狀，研制出一種能快速清除電鍍廢水塑料膜濾板結(jié)晶垢的方法，以期解決相關(guān)企業(yè)塑料膜濾板硫酸鈣結(jié)晶垢清除難題。 基本思路：根據(jù)溶度積原理將硫酸鈣結(jié)晶轉(zhuǎn)化為更難溶的碳酸鈣再用鹽酸溶解碳酸鈣達到除去硫酸鈣結(jié)晶垢的目的。
科學性、先進性及獨特之處
- 科學性：本作品是根據(jù)化合物溶度積原理，設(shè)計出物相轉(zhuǎn)化—酸溶法用于清除電鍍廢水塑料膜濾板硫酸鈣結(jié)晶垢。選擇廉價的碳銨，通過研究碳銨濃度、浸泡溫度、浸泡時間等因素對硫酸鈣結(jié)晶垢溶解率的影響，得出最佳的去垢工藝條件，最后將其應用到塑料膜濾板硫酸鈣結(jié)晶垢的清除。 獨特之處：選擇廉價的碳銨為原料，首次將物相轉(zhuǎn)化再酸溶的原理應用于電鍍廢水塑料膜濾板硫酸鈣結(jié)晶垢的清除，這在國內(nèi)外還未見有相關(guān)報道。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 本作品研制的物相轉(zhuǎn)化再酸溶的方法用于清除電鍍廢水塑料膜濾板硫酸鈣結(jié)晶垢，可以大大減輕企業(yè)人工機械去垢的勞動強度，減少勞動力成本，提高去垢效率，延長塑料膜濾板的使用壽命，從而節(jié)省電鍍廢水處理成本。因而具有明顯的推廣應用價值。
學術(shù)論文摘要
- 電鍍廢水塑料膜濾板硫酸鈣結(jié)晶垢的清除問題至今仍是工業(yè)生產(chǎn)中一大難題，這個問題的核心技術(shù)就是硫酸鈣增溶問題。 本作品針對電鍍等化工企業(yè)廢水處理過程中塑料膜濾板產(chǎn)生難于清除的硫酸鈣結(jié)晶垢的問題，相關(guān)企業(yè)采用落后的人工機械去垢的現(xiàn)狀，根據(jù)化合物溶度積原理，研制了一種快速清除電鍍廢水塑料膜濾板硫酸鈣結(jié)晶垢的方法—物相轉(zhuǎn)化酸溶法，即先通過碳銨將硫酸鈣結(jié)晶垢中的硫酸鈣晶體(Ksp=1.96×10-4)轉(zhuǎn)化為溶度積更小的碳酸鈣(Ksp=8.7×10-9)物相,然后通過鹽酸溶解碳酸鈣，從而達到溶解清除硫酸鈣結(jié)晶垢的目的。 本作品通過研究碳銨濃度、浸泡溫度和浸泡時間等因素在物相轉(zhuǎn)化酸溶法中對硫酸鈣結(jié)晶垢溶解率的影響，確定出最佳去垢工藝條件為：碳銨為飽和溶液，浸泡溫度為環(huán)境溫度，浸泡時間為72h。 在上述工藝條件下，本文首次把碳銨—鹽酸物相轉(zhuǎn)化再酸溶方法應用于電鍍廢水塑料膜濾板結(jié)晶垢的清除，取得了很好的清除效果。實驗結(jié)果表明本實驗方法可以減輕人工機械去垢的勞動強度，減少人工成本，提高去垢效率，延長塑料膜濾板的使用壽命，節(jié)省電鍍廢水處理成本,具有很好的推廣應用前景。
獲獎情況
- 1、本作品于2010年6月在佛山科學技術(shù)學院第九屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術(shù)科技作品競賽中榮獲二等獎
鑒定結(jié)果
- 無
參考文獻
- [1] 赫春香, 張淑敏, 楊梅. 微型定量分析化學實驗[M]. 大連:大連海事大學出版社, 2000, 10 [2] 劉潔, 袁建軍. 硫酸鈣結(jié)垢及其防治技術(shù)應用進展[J]. 天津化工. 2010, 24(2):10-14 [3] 劉潔, 袁建軍. 海水濃縮過程中硫酸鈣在不同材料表面結(jié)垢現(xiàn)象的研究[J]. 鹽業(yè)與化工. 2010, 39(4):7-10 [4] Yang L C, Guan B H, Wu Z B, Ma X F. Solubility and Phase Transitions of Calcium Sulfate in KCl Solutions between 85 and 100 degrees C[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2009, 48(16): 7773-7779 [5] Yuan T C, Wang J F, Li Z B. Measurement and modelling of solubility for calcium sulfate dihydrate and calcium hydroxide in NaOH/KOH solutions[J]. Fluid Phase Equilibria. 2010, 297(1): 129-137 [6] 王麗紅,張瀾萃,李曉輝,袁充,劉嬌.難溶硫酸鈣在有機絡合劑中的溶解性研究[J].遼寧化工.2008,37(3):159-162 [7] 何偉,吳曉琴,劉芳.硫酸鈣在Ca-Mg-K-Cl-H2O體系轉(zhuǎn)化過程中溶解度研究[J].環(huán)境科學與技術(shù).2010,33(5):35-38 [8] 殷捷, 劉永剛, 陳洲鵬, 葉軍, 郝勇. 輸鹵管硫酸鈣垢清除藥劑的研究[J]. 清洗世界. 2010, 26(8):28-31 [9] 李靜, 劉平凡, 王玉華. 井礦鹽鹵水開采中硫酸鹽垢除垢劑室內(nèi)研究[J]. 中國井礦鹽. 2008, 39(5):13-15 [10] 宋永年.淺談蒸發(fā)器加熱管中硫酸鈣型結(jié)垢的處理方法[J].中國井礦鹽.1998,29(2):25-26 [
同類課題研究水平概述
- 在制鹽、海水淡化、石油開采、鹽湖資源綜合利用等工業(yè)化生產(chǎn)中常常遇到硫酸鈣垢的問題，垢層的不斷積累不僅影響傳熱效率，造成熱能損失，產(chǎn)量降低，而且增加生產(chǎn)成本的同時延長了生產(chǎn)周期。在廢水處理過程中也同樣遇到硫酸鈣結(jié)晶垢清除問題。因而針對不同工業(yè)化生產(chǎn)中的硫酸鈣垢，研制出一種有效合理的除垢方法，對工業(yè)化生產(chǎn)具有重大的意義。 對于硫酸鈣垢，一方面要在工業(yè)生產(chǎn)中預防和延阻硫酸鈣垢的生成；另一方面對已生成的硫酸鈣垢要研制出有效合理的除垢方法。為了達到清除硫酸鈣垢的目的，研究者們研究了硫酸鈣在不同體系中的溶解性能。目前國內(nèi)外報道的固體硫酸鈣的清除方法有物理除垢法和化學除垢法?；瘜W除垢法有燒堿處理法、堿煮—酸洗法、加鰲合劑增溶法和物相轉(zhuǎn)化—酸溶法。比如最近殷捷等針對輸鹵管垢的組成及性能，采用20%NaOH溶液，配以JFC、AEP配制出一種除垢劑，8-10份除垢劑可以清除1份硫酸鈣垢，常溫下，完全清除時間為6-8小時。宋永年報道采用碳酸鈉-鹽酸物相轉(zhuǎn)化再酸溶的方法除去制鹽工業(yè)中蒸發(fā)器加熱管中硫酸鈣型結(jié)垢。上述方法各有利弊，共同缺點是成本過高，僅適合于特定工業(yè)化生產(chǎn)中硫酸鈣的清除。 電鍍廢水處理過程中，通常加入生石灰以中和電鍍廢液中的硫酸，為了節(jié)省成本，很多企業(yè)用電石渣代替生石灰，但用了電石渣后，塑料膜濾板特別容易產(chǎn)生硫酸鈣結(jié)晶垢，難于除去。目前還未見國內(nèi)外有關(guān)于清除電鍍廢水塑料膜濾板硫酸鈣的報道，電鍍企業(yè)普遍采用鹽酸浸泡后再通過人工機械敲脫的方法將結(jié)晶垢清除，不僅勞動強度大，而且使塑料膜濾板表面變粗糙，反而提供了結(jié)晶中心，更容易形成結(jié)晶垢，往往塑料膜濾板重復使用兩三次后就得報廢。因而尋找經(jīng)濟高效、簡易可行的清除電鍍廢水塑料膜濾板硫酸鈣結(jié)晶垢的方法具有重要的意義。 本作品針對電鍍廢水塑料膜濾板結(jié)晶垢的特點，根據(jù)化合物溶度積原理，選用廉價的碳銨為物相轉(zhuǎn)化原料，通過研究碳銨濃度、浸泡溫度和浸泡時間對物相轉(zhuǎn)化酸溶法中硫酸鈣結(jié)晶溶解率的影響，得出最佳去垢工藝條件。在該工藝條件下，首次把碳銨—鹽酸物相轉(zhuǎn)化酸溶法應用于電鍍廢水塑料膜濾板結(jié)晶垢的清除，取得了很好的清除效果。實驗結(jié)果表明本實驗方法可以減輕人工機械去垢的勞動強度，減少人工成本，提高去垢效率，延長塑料膜濾板的使用壽命，節(jié)省電鍍廢水處理成本,具有很好的推廣應用前景。
