问题：特种电驱动膜分离器在甜菜碱料液脱盐中的应用
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特种电驱动膜分离器在甜菜碱料液脱盐中的应用
来源：浙江千秋环保水处理有限公司作者: 陈百俊,谭渊清,关晓雪,张耀武,胡磊,谭士宾
甜菜碱，有效成份三甲基甘氨酸，易吸潮的鳞状或棱状结晶，热至310℃左右分解，味甜。极易溶于水，易溶于甲醇，溶于乙醇，难溶于**。经浓氢氧化钾溶液的分解反应，能生成三甲胺，具有吸湿性，极易潮解，并释放出三甲胺。具有抗肿瘤，降血压，抗消化性溃疡及胃肠功能障碍，治疗肝脏疾病的作用。作为饲料添加剂具有提供甲基供体功能，可节省部分蛋氨酸。具有调节体内渗透压，缓和应激，促进脂肪代谢和蛋白质合成，提高瘦肉率的功能，并能增强抗球虫药的疗效。在水产动物饲料中用作诱食剂。可从天然植物的根、茎、叶及果实中提取或采用三甲胺和氯乙酸为原料化学合成。在其生产过程中的料液里含有极高的盐分，一般为氯化钠，料液中盐含量过高对产品质量影响很大。利用电渗析法对料液进行脱盐是目前业界公认较好的方法，但传统的普通电渗析器在做甜菜碱料液脱盐过程中，暴露出脱盐效率低、料损失率大等弊端。针对这一问题，我公司专门研发了适用于甜菜碱等化工料液脱盐的特种电驱动膜分离器，并且做了大量的实验。目前已有多个此类项目投入生产，运行状况良好。下面根据成功案例所积累的经验，介绍一下特种电驱动膜分离器在甜菜碱料液脱盐中的应用情况。

一、脱盐效率实验

1.实验设备

规格为200×600/1×2/50的一体化特种电驱动膜分离实验设备。（如未经说明，以下所有实验用的均为这一规格的设备，并简称设备，不再重复指出。）

2.实验用的料液情况

料液经过预处理后，去除杂质及悬浮颗粒。料液成分为甜菜碱、盐份水的三组分体系，其中甜菜碱料的含量为14%，盐分（所含盐为氯化钠）含量为7%，料液由客户提供。（以下所有实验用的料液的成分均如此，并简称料液，不再重复指出。）

做对比实验时所用的高盐水为用自来水和氯化钠配制的含盐量为7%的氯化钠水溶液。

3.实验目的

对比设备做料液脱盐与做氯化钠溶液脱盐的脱盐效率差别。

4.实验过程

在淡水箱中加入30L料液，浓水箱加入自来水，极水箱加入事先配置好的含盐量为1～2%的氯化钠水溶液（以下所有实验的极水均如此，不再重复）。然后开机运行，浓、淡水运行流量控制在0.6T/h，料液进口压力为0.022MPa，浓水进口压力为0.019MPa，极水流量控制在0.4T/h，进口压力为0.01MPa。工作电压与电流的控制分为高盐和低盐两个阶段，高盐段（电导率大于10ms）为非极化段，以控制电流为主，使工作电流不超过该设备的额定电流25A的0.8倍，即20A；低盐段（电导率小于10ms）为易极化段，以控制电压为主，按每对膜0.8V计，即工作电压为40V，经计算此时工作电流均不超过极限电流；该实验机采用的是浓、淡、极三路水均为全循环的运行方式，见图1-1。当淡化侧料液的含盐量降至20 ms或对比实验中氯化钠溶液的含盐量降至9ms左右时均需更换浓水，即补充新鲜自来水。因为实验机为循环运行模式，实验过程中每隔10分钟测一次料液及浓水电导率、流量、压力等参数，并检测料液在起始时刻和电导率降至50ms、20 ms、10 ms、5 ms、2 ms几个时刻中的甜菜碱的含量及体积、密度的变化，根据公式1-1计算出甜菜碱在这几个时刻的回收率。主要实验数据见表1-1，根据实验数据制得料的回收率与电导率关系图，见图1-2。连续做三次这样的处理料液的实验，然后再做三次同样条件下的处理氯化钠溶液的实验。主要实验数据见表1-2。为方便比较料液与氯化钠溶液的脱盐效率，根据以上两组对比实验的数据制得料液和氯化钠溶液的电导率随时间变化趋势图，图中氯化钠溶液简称盐水，见图1-3。

式中：η：料回收率；

V、V’：料液的原始体积和运行过程中的体积；

C、C’：料液中甜菜碱的原始浓度和运行过程中的浓度；

ρ、ρ’：料液的原始密度和运行过程中的密度。

表1-1料液的回收率与电导率关系表

表1-1料液的回收率与电导率关系表
图1-1 实验设备运行流程示意图

5.实验分析

由图1-3 可以看出设备在对料液和氯化钠溶液进行脱盐时，效率区别很小，这说明甜菜碱的存在对设备脱除氯化钠的速度基本没有影响。但是，从图1-2也可以看出在脱盐过程中，损失了约14%的甜菜碱，由此我们不难得出这样的结论，处理甜菜碱料液的难点不在于脱盐，而是如何提高甜菜碱的回收率。

根据设备自身特点及其工作原理分析，影响甜菜碱回收率的因素应该有如下几点：

1）料液与浓水两侧内部压力不平衡导致的压差扩散；

2）料液与浓水两侧甜菜碱浓度差很大导致的浓差扩散；

3）由于工作电流受整流器额定电流限制，不能充分调高，导致脱盐时间过长，即料液在设备中的停留时间长，从而使压差、浓差扩散的影响被放大；

4）由图1-2可见高盐阶段的料损失率高于低盐阶段，初步判断是由于高盐阶段膜面电流密度大，无机离子过于活跃，导致无机离子迁移过程中夹带走了甜菜碱分子。
针对以上四点原因，我们设想了如下几种解决方法：

1）操作中使浓水侧的工作压力略大于料液侧压力。这样既可以避免压差扩散造成“跑料”，又可以一定程度上抑制甜菜碱的浓差扩散，不过这样会减低脱盐效率，拖长脱盐时间，所以具体效果还要通过下面的实验检验；

2）要减少脱盐时长有两种方法，一是始终保持料液侧的电导率比浓水侧的高，这就需要频繁更换浓水；二是提高工作电流，但这显然与上述第4条相违背，具体选择怎样的工作电流合适还需要通过下面对实验来确定。

二、工作压力对料回收率的影响实验

实验设备和所用料液情况同上。

1、实验目的

确定进行甜菜碱料液脱盐时最合适的浓、淡水工作压力。

2、实验过程

除了浓水和料液的运行压力不同外，其他运行参数都与上面的实验相同。分别在料液侧运行压力与浓水侧运行压力相等，以及后者比前者高出0.002MPa、0.004MPa、0.006MPa、0.008MPa、0.01MPa六种情况下进行实验，分别命名为2-1号实验、2-2号实验、2-3号实验、2-4号实验、2-5号实验、2-6号实验，主要实验数据见表2-1，根据实验数据制得图2-1。

表2-1 压差与脱盐时间和回收率关系表

图2-1 压差与脱盐时间和回收率关系图

3、实验分析

由图2-1可见，浓水侧工作压力比料液侧工作压力高出0.004MPa时回收率最高，且脱盐时长也没有明显增加，这说明适当调整浓水侧工作压力比料液侧工作压力略高既不会过分降低设备的脱盐效率又可以提高料液的回收率。但高出过多则不但降低了设备的脱盐效率，还由于脱盐时间过长导致回收率比较压差为0.004MPa时没有多少提高。从而确定合适的浓水侧工作压力比料液侧工作压力多差值为0.004MPa左右。

三、浓水更换频率对料的回收率的影响实验

实验设备和所用料液情况同上。

1. 实验目的

确定料液脱盐过程中浓水更换的合适次数。

2. 实验过程

本部分实验的运行参数与上一个实验相同，控制浓水运行压力比料液运行压力高出0.004MPa左右。进行了两次实验进行对比，第一次实验选择两个浓水更换点，这两个点的选择是根据浓水和料液的盐分差对设备脱盐效率的影响选择的，第一个点选择在料液电导率降至20ms左右时，第二个点选择在料液电导率降至8ms左右时；第二次实验更换浓水的原则是每当浓水电导率与料液接近时便更换浓水。主要实验数据见表3-1。根据实验结果制得图5。

表3-1 浓水更换次数与脱盐时间和回收率关系表

3.实验分析

由图3-1可见频繁更换浓水虽然可以提高脱盐速度，但料的回收率却并未提高，且大大增加了自来水的用量。而只换两次浓水虽然脱盐时间相对略长，但自来水的用量则节省了二分之一左右。这样结果的原因可能在于，频繁排放浓水虽然缩短了脱盐时间，但浓水侧料的含量始终处于很低的状态，导致料的浓差扩散趋势变大，两个因素互相抵消而造成的。不难看出，根据浓水和料液的盐分差对设备脱盐效率的影响选择两个更换浓水点才是合适的。

四、结论

通过以上一系列实验可以得出如下结论：利用特种电驱动膜分离器对甜菜碱料液进行脱盐效果较好。在脱盐过程中必须合理、有效的调节并控制料液侧与浓水侧的工作压力、浓水的更换频率、高盐段和低盐段的工作电压与电流几方面参数，才能在顺利脱盐的同时保持较高的料回收率。

五、工程应用及市场前景

由我公司自主研发设计的特种电驱动膜分离器在甜菜碱料液脱盐的应用先后在山东、江苏等地的多家化工企业有了成功应用案例，运行时间迄今为止最长的已达三年，脱盐情况良好。料的回收率在运行初期可以达到95%以上，长期运行的平均回收率约在85%～90%之间。

由于甜菜碱的营养价值以及药理作用，目前市场需求越来越大。利用特种电驱动膜分离器对其进行脱盐不仅能提高脱盐率和回收率，而且节约能源、减少污染，降低劳动强度。但目前的技术水平还有一定的提升空间，相信如果不遗余力的对其性能及构造进行研究与改进，特种电驱动膜分离器在甜菜碱料液脱盐领域的应用前景将是不可估量的。
浙江千秋环保水处理有限公司通过15年学习、吸收引进国际上先进的电驱动膜分离工程技术，自主创新并研制了近20个电驱动膜分离工程技术产品。在化工、钢铁、冶金、造纸、印染、制药、电力电子、海水淡化、饮用水处理等领域到广泛的应用，并且其技术基本达到国际先进水平，而价格大大低于国际市场，得到国际有关部门、市场与客户的一致认可和好评。特别是在氨氮、氯化钠、氨基酸、高浓度与高硬度的苦咸水脱盐，有机相与无机相的分离方面效果尤佳。

为了推动电驱动膜技术的发展和开拓新的应用领域这一系统工程，浙江千秋环保水处理有限公司正在从新型电驱动膜的研制、新型电驱动膜分离（反应）器的开发和针对不同分离体系进行工艺流程的试验、研究与设计这三方面进行不懈的工作，为节能减排、环保清洁生产和废水资源化贡献力量。

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