電滲析設(shè)備是一種清潔生產(chǎn)的技術(shù),其核心部件是離子交換膜。離子交換膜分為陰離子交換膜、陽離子交換膜和雙極膜三種。由陰陽離子交換膜交替構(gòu)成的膜堆裝置是普通電滲析,其主要功能就是對電解質(zhì)溶液進行濃縮淡化。雙極膜電滲析是在普通電滲析的基礎(chǔ)上,將雙極膜裝配進膜堆而形成。雙極膜是由陰離子交換層、陽離子交換層和中間層組成的復(fù)合膜,在反向偏壓下能夠?qū)⑺?或者醇)*地解離為H+和OH-(或者醇根)而不會產(chǎn)生氣體。雙極膜電滲析可以用來將某種電解質(zhì)鹽轉(zhuǎn)換為其相應(yīng)的酸和堿,并且此過程中不需要添加其他任何的化學(xué)試劑,因此被譽為綠色、節(jié)能生產(chǎn)過程。由于電滲析裝置的操作靈活性,它可以和多種生產(chǎn)單元進行技術(shù)上的集成,從而實現(xiàn)對現(xiàn)有生產(chǎn)工藝效率的改善。電滲析設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護和生物制品生產(chǎn)等過程中已有很廣泛的應(yīng)用,在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)積累了一定的理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗。但是我們應(yīng)該繼續(xù)推廣電滲析設(shè)備的應(yīng)用層次以及對其應(yīng)用方式進行深入研究及改良。所以本研究在電滲析設(shè)備與其他生產(chǎn)操作單元進行原位集成等方面開展工作,為深入研究、推廣和應(yīng)用電滲析設(shè)備奠定基礎(chǔ)。本研究選擇了發(fā)酵生產(chǎn)乳酸和回收氮磷資源兩個應(yīng)用領(lǐng)域,重點開展電滲析設(shè)備與現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新性結(jié)合,發(fā)揮電滲析設(shè)備的優(yōu)勢,替換或者更新陳舊的生產(chǎn)工藝。在電滲析設(shè)備創(chuàng)新性應(yīng)用的同時,考察了其操作過程中的不同設(shè)置參數(shù)對應(yīng)用性能的影響。本論文共分為六章,內(nèi)容分別如下： *章首先是對現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)進行簡短概述并引出離子交換膜的應(yīng)用與研究。接著對離子交換膜自身以及由其構(gòu)成的電滲析膜堆進行詳細介紹。*后介紹了電滲析設(shè)備的應(yīng)用并展開本論文的主要研究內(nèi)容。 第二章對間歇操作模式下的雙極膜電滲析(EDBM)與發(fā)酵罐原位集成的可行性進行了考察。在本章中,基于EDBM產(chǎn)堿與發(fā)酵過程耗堿的這種供需關(guān)系,提出EDBM與發(fā)酵罐原位集成操作的概念。EDBM的產(chǎn)堿量能否保證發(fā)酵罐的正常運行是此集成操作成功與否的關(guān)鍵。為此,根據(jù)發(fā)酵罐的生產(chǎn)能力以及發(fā)酵周期的需堿量,我們計算出構(gòu)建膜堆所需膜面積及裝配單元數(shù),從而保證了EDBM與發(fā)酵罐兩者操作的匹配性、兼容性和一致性。實驗結(jié)果表明：這種原位集成操作確實能夠有效地將發(fā)酵液中的乳酸鹽(本研究中為乳酸鈉)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)乳酸和氫氧化鈉。在操作電流密度為60mA/cm2條件下,發(fā)酵液中乳酸鹽的回收率能夠高達86.1%。而在乳酸鹽轉(zhuǎn)化為乳酸的同時,雙極膜電滲析產(chǎn)生的堿液回用于發(fā)酵過程,保證了發(fā)酵液的pH穩(wěn)定。這種集成操作方式下,雙極膜電滲析的運行時間與單個發(fā)酵周期相等。這樣,兩者集成操作便于統(tǒng)一管理,縮短或者省略了一些中間步驟。 第三章是在上一章EDBM與發(fā)酵罐原位集成操作的基礎(chǔ)上,用連續(xù)操作模式替換了間歇操作模式,并考察了連續(xù)操作模式下EDBM與發(fā)酵罐原位集成的可行性。間歇操作主要包括的步驟有加料、反應(yīng)和出料(包含反應(yīng)器的清洗以及準備下一批反應(yīng)),然后就是周而復(fù)始的循環(huán)操作。間歇操作相對于連續(xù)操作的缺點主要有：勞動強度大、人力物力需求較大等。連續(xù)操作的優(yōu)點有：生產(chǎn)能力大、設(shè)備利用率較高,比較容易與其他的操作單元進行集成、自動化操作優(yōu)勢明顯等。我們首先考察了發(fā)酵罐在連續(xù)操作條件下的穩(wěn)定性,確定了*大操作流速。然后考察了單獨連續(xù)操作EDBM的運行情況以及EDBM與發(fā)酵罐兩者均在連續(xù)操作下的集成操作。實驗結(jié)果證明了此連續(xù)操作的集成工藝確實能夠完成乳酸鹽向乳酸和氫氧化鈉的有效轉(zhuǎn)化。主要結(jié)果有：(1)針對本研究所采用的發(fā)酵罐的工作參數(shù),*終確定了連續(xù)操作模式下能夠選取的*大流速是0.24L/h;(2)雙極膜電滲析在轉(zhuǎn)化乳酸鹽生成產(chǎn)物乳酸的同時,還能提供足夠量的堿液給發(fā)酵過程用以調(diào)節(jié)pH；(3)產(chǎn)物乳酸的濃度可以達到1.32mol/L;(4)與間歇操作工藝相比,這種連續(xù)操作的生產(chǎn)模式確實能夠減輕工作量,提高生產(chǎn)效率。但是,連續(xù)生產(chǎn)工藝也有其不足之處,就是料液中的乳酸鹽的利用率(即回收效率)要相對低一些。比如在連續(xù)EDBM處理發(fā)酵液時,在操作電流密度為30和40mA/cm2條件下的回收率分別為59.0%和69.5%。 第四章研究了利用電滲析設(shè)備(包括普通電滲析(CED)和雙極膜電滲析(EDBM))對剩余污泥中的磷進行資源化。當(dāng)今,由于水體中的營養(yǎng)物質(zhì)(如植物生長所需的磷)含量過多導(dǎo)致的水體富營養(yǎng)化一直以來都是環(huán)境領(lǐng)域的棘手問題?；钚晕勰喾ㄊ钱?dāng)今水處理的主流工藝,尤其是針對廢水中含有過高的磷酸鹽,其中強化生物除磷工藝(EBPR)能夠有效地脫除水體中的磷。單個周期內(nèi)從水體中脫除的磷都會積累至排放的剩余污泥(微生物的生存聚集體)中。而現(xiàn)存的磷礦資源日益減少,所以應(yīng)該考慮對磷資源的回收利用。本研究中,我們對EBPR工藝提出了概念性改進方案,其核心就是引入了電滲析設(shè)備。本研究的主要結(jié)果有：(Ⅰ)在單獨CED間歇操作模式下,廢水中的磷酸鹽基本上能被完全脫除掉；(Ⅱ)在單獨CED連續(xù)操作模式下,只有在較低的進出料流速下的磷酸鹽脫除率比較好；比如在10mL/min條件下,廢水中的磷酸鹽能夠達到95.8%；(Ⅲ)對于磷酸鹽的回收,單獨CED操作和CEDEDBM耦合集成操作都是技術(shù)性可行的。采用EDBM將磷酸鹽轉(zhuǎn)化生產(chǎn)磷酸的過程中,電流效率能達到80.3%,而能耗只有5.3kWh/kg左右。根據(jù)實驗結(jié)果我們可以確定采用電滲析設(shè)備作為磷酸鹽的回收方式是可行的,因此進而可以說明在本章研究的開始所提出的EBPR工藝路線改進方案是可行的。 第五章考察了電滲析設(shè)備(主要指CED)對剩余污泥中的氮磷同時進行資源化。在第四章中所采用的“厭氧釋磷”的原理并不能將微生物體內(nèi)的磷完全釋放到外界水體,而且微生物體內(nèi)同時含有氮資源,所以應(yīng)該尋找其他方式對污泥中的氮磷資源同時獲取進行回收。厭氧消解工藝能夠成功實現(xiàn)將微生物體內(nèi)的氮磷進行*大化釋放,因此,厭氧消解反應(yīng)器的上清液非常適合用來回收氮磷資源。在本研究中,我們采取電滲析設(shè)備與鳥糞石反應(yīng)器進行集成,以鳥糞石的形式來回收氮磷鹽。另外還考察了氣提氨操作對過剩的銨鹽進行單獨回收。本研究的主要結(jié)果有：(Ⅰ)在單獨連續(xù)操作CED處理廢水時,其中的氮磷鹽基本上能被完全脫除掉,兩者的回收率都在90～*,濃縮室中溶液增濃10倍以上；(Ⅱ)在單獨連續(xù)操作CED與鳥糞石反應(yīng)器集成后,濃縮室中氮磷鹽確實有很大的降低,約60～70%；(Ⅲ)對于CED、鳥糞石反應(yīng)器和氣提氨三者集成操作,氮磷資源除了進行鳥糞石沉淀反應(yīng)外,多余的氮資源以氨氣進行回收。濃縮液中的氮含量相比操作條件(Ⅱ)又降低了約50%。這就說明連續(xù)操作CED與鳥糞石反應(yīng)器和氣提氨操作的聯(lián)合操作確實能很有效地將廢水中的氮磷鹽進行濃縮、回收。 第六章主要是對本論文進行全文總結(jié),并對電滲析設(shè)備的應(yīng)用做出展望。 本研究結(jié)果證明了電滲析設(shè)備在有機酸生物生產(chǎn),剩余污泥中所含的氮磷資源進行資源化過程中的應(yīng)用的可行性。然而這些研究都是實驗室內(nèi)初步研究,要想實現(xiàn)工業(yè)級別實際生產(chǎn),還需要進一步的研究。希望此研究能夠為電滲析設(shè)備的深入應(yīng)用,以及向現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的推進能夠提供幫助。