纳滤膜脱除磷酸中金属离子的实验研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2023-0134

摘要/Abstract

摘要：

湿法磷酸中含有大量多价金属离子，需要通过低成本、低污染的途径去除。纳滤膜已经在水处理中得到广泛应用，但对于酸性体系尤其是磷酸体系中金属离子脱除的研究还很少。通过对5种纳滤膜在磷酸中的分离性能进行研究，结果表明：随着磷酸浓度和温度的升高，纳滤膜对金属离子的截留率有不同程度的下降；选择分离层材质对纳滤膜在磷酸中的分离性能有很大的影响；纳滤膜的分离效果受到空间位阻、介电排斥、Donnan排斥多重机制相互作用的影响。在研究的商业膜中，NF4的分离性能受磷酸浓度和温度变化影响最小，且具有良好的酸稳定性。在30 ℃条件下，NF4对P₂O₅质量分数为20%的磷酸溶液中的Fe³⁺、Al³⁺、Mg²⁺平均截留率均大于84.83%，对磷酸的截留率小于5%，在磷酸净化中有很好的应用前景。

关键词: 磷酸, 纳滤, 膜分离, 脱除, 金属离子

Abstract:

Conventional wet process phosphoric acid production of crude phosphoric acid contains many impurities.A cost-effective and environmentally friendly method for removing impurity ions is necessary.Although nanofiltration membranes have been widely used in water treatment，there are few studies on removing metal ions in acidic systems，especially phosphoric acid systems.The separation performance of five nanofiltration membranes in phosphoric acid was investigated.The results indicated that the rejections of nanofiltration membranes was decreased to varying degrees with increasing concentrations of phosphoric acid and temperature.The materials of the selective separation layer had a significant impact on the separation performance of nanofiltration membranes in phosphoric acid.The interaction of multiple mechanisms，including steric hindrance，dielectric repulsion，and Donnan repulsion，affected the separation efficiency of nanofiltration membranes.Among the investigated commercial membranes，NF4 exhibited the least susceptibility to variations in phosphoric acid concentration and temperature，while demonstrating excellent acid stability.At 30 ℃，the average rejections of Fe³⁺，Al³⁺ and Mg²⁺ in a phosphoric acid solution of 20% P₂O₅ by NF4 were more significant than 84.83%，but the rejection of P was less than 5%，which showed an excellent prospect for application in phosphoric acid purification.

Key words: phosphoric acid, nanofiltration, membrane separation, removing, meta ions

中图分类号:

TQ126.31

田壮壮, 陈建钧, 金央, 陈明, 李军, 刘代俊. 纳滤膜脱除磷酸中金属离子的实验研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(12): 133-139.

TIAN Zhuangzhuang, CHEN Jianjun, JIN Yang, CHEN Ming, LI Jun, LIU Daijun. Experimental study on removing metal ions from phosphoric acid by nanofiltration membrane[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2023, 55(12): 133-139.

图/表 10

表1

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参考文献 20

1	GONZÁLEZ M P， SAUCEDO I， NAVARRO R， et al. Effect of phosphoric and hydrofluoric acid on the structure and permeation of a nanofiltration membrane［J］. Journal of Membrane Science， 2006， 281（1/2）：177-185. doi: 10.1016/j.memsci.2006.03.038
2	GONZÁLEZ M P， NAVARRO R， SAUCEDO I， et al. Purification of phosphoric acid solutions by reverse osmosis and nanofiltrati- on［J］. Desalination， 2002， 147（1/2/3）：315-320. doi: 10.1016/S0011-9164(02)00558-1
3	LEE K P， ZHENG Jumeng， BARGEMAN G， et al. pH stable thin film composite polyamine nanofiltration membranes by interfacial polymerisation［J］. Journal of Membrane Science， 2015， 478：75- 84. doi: 10.1016/j.memsci.2014.12.045
4	SCHÜTTE T， NIEWERSCH C， WINTGENS T， et al. Phosphorus recovery from sewage sludge by nanofiltration in diafiltration mode［J］. Journal of Membrane Science， 2015， 480：74-82. doi: 10.1016/j.memsci.2015.01.013
5	GUASTALLI A R， LABANDA J， LLORENS J. Separation of phosphoric acid from an industrial rinsing water by means of nanofiltration［J］. Desalination， 2009， 243（1/2/3）：218-228. doi: 10.1016/j.desal.2008.04.024
6	XU Shanshan， HE Rongrong， DONG Chenjun， et al. Acid stable layer-by-layer nanofiltration membranes for phosphoric acid purification［J］. Journal of Membrane Science， 2022， 644：120090. doi: 10.1016/j.memsci.2021.120090
7	REMMEN K， MÜLLER B， KÖSER J， et al. Phosphorus recovery in an acidic environment using layer-by-layer modified membran-es［J］. Journal of Membrane Science， 2019， 582：254-263. doi: 10.1016/j.memsci.2019.03.023
8	REMMEN K， MÜLLER B， KÖSER J， et al. Assessment of layer-by-layer modified nanofiltration membrane stability in phosphoric acid［J］. Membranes， 2020， 10（4）. Doi：10.3390/membranes 10040061 .
9	冯超群，杨峰，陈天缘，等. 分光光度法测定聚乙二醇水溶液浓度［J］. 科技资讯， 2013， 11（5）：126-127.
	FENG Chaoqun， YANG Feng， CHEN Tianyuan， et al. Determination of polyethylene glycol content by spectrophotometric［J］. Science & Technology Information， 2013， 11（5）：126-127.
10	ZIMUDZI T J， FELDMAN K E， STURNFIELD J F， et al. Quantifying carboxylic acid concentration in model polyamide desalination membranes via fourier transform infrared spectroscopy［J］. Macromolecules， 2018， 51（17）：6623-6629. doi: 10.1021/acs.macromol.8b01194
11	ISMAIL N Q， AZMI N A， SHOPARWE N F， et al. Characterization effect of polysulfone membranes with different molecular weight of polyethylene glycol additives［J］. IOP Conference Series：Earth and Environmental Science， 2022， 1102（1）： 012085.
12	BAROÑA G N B， LIM J， JUNG B. High performance thin film composite polyamide reverse osmosis membrane prepared via m-phenylenediamine and 2，2′-benzidinedisulfonic acid［J］. Desalination， 2012， 291：69-77. doi: 10.1016/j.desal.2012.02.001
13	CAO D X， LEIFERT D， BRUS V V， et al. The importance of sulfonate to the self-doping mechanism of the water-soluble conjugated polyelectrolyte PCPDTBT-SO₃K［J］. Materials Chemistry Frontiers， 2020， 4（12）：3556-3566. doi: 10.1039/D0QM00073F
14	LIU Lifen， CAI Zhibin， SHEN Jiangnan， et al. Fabrication and characterization of a novel poly（amide-urethane@imide） TFC reverse osmosis membrane with chlorine-tolerant property［J］. Journal of Membrane Science， 2014， 469：397-409. doi: 10.1016/j.memsci.2014.06.029
15	LIU Lifen， GU Xingling， QI Saren， et al. Modification of polyamide-urethane（PAUt） thin film composite membrane for improving the reverse osmosis performance［J］. Polymers， 2018， 10（4）. Doi：10.3390/polym10040346 .
16	WANG Jingyu， REN Yuling， ZHANG Huiru， et al. Targeted modification of polyamide nanofiltration membrane for efficient sepa-ration of monosaccharides and monovalent salt［J］. Journal of Me-mbrane Science， 2021，628：119250.
17	GAO Jie， WANG K， CHUNG T. Design of nanofiltration（NF） hollow fiber membranes made from functionalized bore fluids containing polyethyleneimine（PEI） for heavy metal removal［J］. Journal of Membrane Science， 2020， 603：118022. doi: 10.1016/j.memsci.2020.118022
18	GU Kaifeng， PANG Sichen， YANG Binbin， et al. Polyethyleneimine/4，4′-Bis（chloromethyl）-1，1′-biphenyl nanofiltration membrane for metal ions removal in acid wastewater［J］. Journal of Membrane Science， 2020， 614：118497. doi: 10.1016/j.memsci.2020.118497
19	BARGEMAN G， WESTERINK J B， GUERRA MIGUEZ O， et al. The effect of NaCl and glucose concentration on retentions for nanofiltration membranes processing concentrated solutions［J］. Separation and Purification Technology， 2014， 134：46-57. doi: 10.1016/j.seppur.2014.07.025
20	ROY Y， WARSINGER D M， LIENHARD J H. Effect of temperature on ion transport in nanofiltration membranes：Diffusion，convection and electromigration［J］. Desalination， 2017， 420：241- 257. doi: 10.1016/j.desal.2017.07.020

纳滤膜型号	选择分离层	截留率/ %	水通量/ （L·m^-3·h^-1）	pH范围
NF1	聚酰胺	≥99.0	43	1~12
NF2	聚酰胺	≥97.0	55	1~12
NF3	聚酰胺	92.0~95.0	50	1~12
NF4	聚酰胺	85.0~95.0	60	1~12
NF5	聚酰胺	60.0~85.0	65	1~12

磷酸质量分数（以P₂O₅计）/%	w （H₃PO₄）/ %	w （H₂PO₄^-）/ %	H₂PO₄^-浓度/ （10^-3 mol·L^-1）	计算 pH	离子浓度/ （10^-3mol·L^-1）
5	90.6	9.4	68.4	1.16	68.4
10	93.4	6.6	100.3	1.00	100.3
15	94.7	5.3	125.1	0.90	125.1
20	95.5	4.5	147.2	0.83	147.2

纳滤膜型号	MWCO （酸浸前/ 酸浸后）	孔半径/nm （酸浸前/ 酸浸后）	平均有效孔半径μ_p/nm （酸浸前/酸浸后）	几何标准差σ_p（酸浸前/ 酸浸后）
NF2	327/557	0.42/0.57	0.307/0.371	1.272/1.393
NF3	385/1 095	0.46/0.82	0.311/0.471	1.356/1.576
NF4	1 131/665	0.84/0.62	0.388/0.414	1.895/1.366
NF5	600/2 194	0.59/1.21	0.385/0.749	1.402/1.481

[1]	袁景华, 吴俊虎, 杨秀山, 许德华, 张志业. 硝磷酸氨法净化生产磷酸二氢铵工艺研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(9): 50-56.
[2]	李超, 王丽萍, 戴崟, 高桂梅, 张云峰, 洪雨, 许立军, 崔永杰. 高硅渣碱熔水热合成13X分子筛及吸附铅铜锌离子研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(9): 88-93.
[3]	付煜, 邓觅, 黄冬根, 万金保. 盐湖卤水提锂技术研究进展[J]. 无机盐工业, 2023, 55(9): 9-16.
[4]	于红超, 张梦萌, 金天翔. 磷酸银光催化材料的微观形貌及晶面效应研究进展[J]. 无机盐工业, 2023, 55(8): 13-20.
[5]	王紫涵, 李军, 陈明, 周青禺. 硝酸铁和磷酸共沉淀法制备电池级磷酸铁工艺研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(7): 51-57.
[6]	潘晓晓, 庄树新, 孙雨晴, 孙高星, 任艳, 蒋声育. 动力型磷酸铁锂正极材料改性的研究进展[J]. 无机盐工业, 2023, 55(6): 18-26.
[7]	李加强, 李军, 金央, 陈明. 磷酸-乙酸体系中乙酸含量的气相色谱分析方法[J]. 无机盐工业, 2023, 55(5): 115-120.
[8]	张谌虎, 马毅, 朱山, 陈鹏, 王成勇, 李子文. 煤矸石螯合改性后对选矿废水中重金属离子吸附研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(4): 97-103.
[9]	陈昱珏, 张梁军, 旷焕, 蒋漫文, 肖利. 磷酸铁锂废粉硫酸氢钠焙烧回收工艺研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(3): 113-117.
[10]	周清烈, 王宝琦, 张志业, 张应虎, 王坚, 杨林. 萃取法脱除湿法磷酸金属阳离子新工艺开发[J]. 无机盐工业, 2023, 55(3): 84-91.
[11]	徐瑞琳, 曾涛, 刘欢, 刘兴伟, 王浩, 徐晓明, 赵李鹏. 磷酸铁锂电池循环初期衰减快原因分析及性能改善[J]. 无机盐工业, 2023, 55(3): 92-97.
[12]	屈恋, 李越珠, 李铭雅, 王昭沛, 陈燕玉, 李意能. 磷化铁对磷酸铁锂电化学性能的影响探究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(12): 88-94.
[13]	周小平, 冯好收, 张国辉, 侯时磊, 张帅鹏, 刘利霞. 六氟磷酸锂副产含氟盐酸连续脱氟技术的开发与实践[J]. 无机盐工业, 2023, 55(11): 93-99.
[14]	何福多, 原一帆, 周小厚, 徐露, 孙崇庆, 王辛龙, 许德华. 湿法磷酸原位酸解废弃羽毛制备含氨基酸磷酸一铵[J]. 无机盐工业, 2023, 55(10): 100-105.
[15]	邓文清,朱静,樊小娟,陈艳,李天祥. 313.15 K下三元体系KH₂PO₄-（NH₂）₂CO-H₂O相平衡研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(1): 100-105.

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