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值等各因素對雙極膜電滲析法過程的影響程度，并使BMED實驗在優化條件下進行。根據實驗結果：當電流密度控制在700 A/m2，溶液WO3濃度在172.3 g/L，堿室NH4HCO3濃度為1.5 mol/L，并將滲析時間控制為600 min，溫度30 ℃左右時，BMED過程的電流效率平均達到72%，而耗電僅為0.88 kWh/kg WO3，同時WO3的直收率高達99.9%，整體過程容易操作并且能夠平穩運行。

關鍵詞：雙極膜電滲析 偏鎢酸銨 制備

中圖分類號：TQ028 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（a）-0037-02偏鎢酸銨（AMT）是制備鎢系石油加強催化劑的重要原料，其含有大分子量和極高的水溶性，讓AMT成為工業中常使用的制備原料。在工業中，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晶體中的NH4+含量，從而將ATP轉化為AMT[1]。雖然，經過長年的制備經驗積累，此方法操作較簡單而且技術也比較成熟，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，又出現了另一種制備方式，即利用鎢酸銨溶液為液相轉化原料，調整鎢酸銨溶液的pH值到合適范圍，得到的AMT溶液濃縮為晶體。這種液相轉化法卻也有著產品質量不高、廢棄物處理不合格等不足的問題。

因此，該實驗利用膜分離的技術，利用BMED將鎢酸銨溶液制取出AMT溶液，并證實了此方法具有收率高、降低原料成本、產品質量較好、產生的廢棄物較少等優點。同時，該研究著重考慮了電流密度、料液WO3濃度和pH值等各因素對雙極膜電滲析法過程的影響程度，確定了BMED過程中的最優條件，以期為今后進一步研究BMED方法制備AMT溶液提供一定參考。

1 實驗原理

將在BMED儀器加上所需電壓時，在膜堆內將形成一個定向電場，水分子在這種強大的電場作用下，解離呈H+和OH-，并定向遷移進入鹽室和堿室[2]。隨著電解過程的不斷加強，NH4+不斷地從鹽室中遷出，而H+將不斷的遷出，導致鹽室pH急劇下降，一般來說，當溶液中pH降至4或以下時，就會有偏鎢酸根的生成。而此時，堿室中的NH4+和OH-相互結合生成氨水，并在進一步的電解中形成偏鎢酸銨和氨水的混合物。

2 實驗方法

2.1 實驗材料

該實驗選用的鎢酸銨溶液是由鎢礦經過堿分解萃取工藝得到的工業料液，用去離子水將其稀釋到相應濃度即得到實驗原料液。在實驗過程中用到的其他試劑，均為分析純。

2.2 實驗儀器

BMED儀器是臺杏貿易公司生產的，型號為ACILYZER-02，儀器中主要用的裝置有膜堆、溶液儲槽、離心泵、陰膜、雙極膜和陽膜等，其中實驗中使用的膜有效面積為200 cm2。其余涉及到的實驗儀器有恒流蠕動泵、電子攪拌器、pH計、恒溫振蕩器和分光光度計等[3]。

2.3 實驗分析方法

實驗中NH4+的測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定H2O2；溶液中WO3的測定采用硫氰酸鹽比色法進行分析。

3 結果與討論

3.1 各因素對BMED過程的影響

首先是電流密度對其的影響。該實驗中，主要考察了電流密度在370～750 A/m2范圍中對BMED過程的影響，滲析時間為120～240 min，溫度在30 ℃左右。結果顯示，槽內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，在遷移中占主導因素的成為NH4+，因而電流的效率也會相應提高，但若超過電流密度的極限，電流效率的增加趨勢也不再明顯。因此，綜合考慮這樣的一個特性，實驗選擇電流密度為620～750 A/m2。

其次是料液中WO3濃度對其的影響。該實驗中控制料液中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，電解時間控制在100 min，pH值在3左右，溫度控制在30 ℃。結果表明，料液中的WO3濃度對于電滲析過程的影響很大，隨著其濃度的升高，帶動了鹽室中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，WO3的濃度又不易過高，否則會導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，實驗選擇料液WO3的濃度在150～200 g/L時為適宜。

最后是鹽室中pH值對其的影響。該實驗選擇調節鹽室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。實驗結果表明，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，應盡可能在保證產品質量的情況下，適當升高鹽室溶液中的pH值，以確保滲析過程可以以最佳狀態進行。此外，在陳化過程中，實驗將pH值控制在2.8～3時，得到的溶液最為清亮透明，表明在此范圍內的酸堿度中，得到的產品質量最高。

3.2 優化條件下的BMED實驗

根據以上影響因素的實驗結果，該研究在選定的最佳實驗條件下進行了一次綜合實驗。結果顯示，在最優條件下運行的實驗中，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的AMT起到了很大作用。

4 結論

（1）該實驗得到了利用BMED過程制備AMT的各種最優工藝條件，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）采用以上優化條件下的因素進行BMED實驗，最后結果顯示此過程的平均電流效率高達72%，直流電耗僅為0.88 kWH/kg WO3，而WO3的回收率卻高達99.9%，證明了此方法進行AMT產品的制備安全穩定且效率更高。

參考文獻

[1] 劉小菏.水——乙醇體系中雙極膜電滲析法生產水楊酸過程的研究[D].中國科學技術大學，2016.

[2] 李海宇，宋衛鋒.膜處理技術在廢酸回收中的應用[J].膜科學與技術，2016，36（3）：136-141.

[3] 關文娟，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]//全國膜分離技術在冶金工業中應用研討會. 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，2016（5）：17-22.