基于热力学相图的沉钒废水蒸发结晶的传递研究

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金属钒因为其优质的物理化学特性,各类钒产品在能源、工业、医疗等方面需求旺盛,同时也随之产生大量沉钒废水,沉钒废水离子浓度大、危害性高,现有处理技术存在处理效率低、能耗大等缺点;结晶法效率高,但处理过程得到的均是含有重金属的混盐,产品只能作为固体废弃物处理,造成资源浪费、环境二次污染等缺点。在上述背景下,本文对沉钒废水分质结晶过程进行了系统研究。首先,本文考察了沉钒废水中主要成分的溶解度数据并做出了相应相图,然后根据其成分、组成特点进行分质结晶研究,最后通过实验探究了分质结晶过程中操作条件对结晶产品的影响。结论如下:(1)使用等温溶解平衡法对Na2SO4-(NH4)2SO4-H2O三元水盐体系相平衡进行了研究并做出了相关相图,结果表明343.15K和353.15K条件下Na2SO4-(NH4)2SO4-H2O三元均为简单相平衡体系,343.15K体系的共饱点液相组成为(Na2SO4)=15.58%、((NH4)2SO4)=37.36%、(H2O)=47.06%;353.15K体系的共饱点液相组成为(Na2SO4)=14.73%、((NH4)2SO4)=38.17%、(H2O)=47.10%。(2)基于上述热力学相图,根据沉钒废水特点确定了分质结晶的基本路线,并通过实验对结晶盐的收率和纯度做了研究。沉钒废水分质结晶的路线分为3个阶段,(a):353.15K等温蒸发结晶分离Na2SO4单质盐;(b):288.15K冷却结晶分离复盐Na NH4SO4·2H2O;(c):333.15K等温蒸发结晶分离(NH4)2SO4单质盐。(a)阶段蒸发率为93.97%,液相中(NH4)2SO4与Na2SO4质量比W=2.39,所得Na2SO4的收率和纯度分别为83.17%、98.95%,蒸发率为50.25%,(c)阶段液相(NH4)2SO4与Na2SO4质量比W=2.15,(NH4)2SO4的收率和纯度分别为33.57%、99.30%。(3)以分质结晶过程中(a)、(c)的两个阶段的沉钒废水为研究对象,考察了结晶操作参数对结晶产品粒度和粒度分布的影响,得到了分离硫酸钠与硫酸铵过程中较优的结晶工艺条件。硫酸钠优化结晶条件为:40μm粒径的硫酸钠晶种加入量为1.17%,蒸发速率100m L/h、搅拌速率80rpm,养晶时间为60min,硫酸钠晶体的主粒度M.S.值为242.23μm;硫酸铵优化结晶条件为:80μm粒径的硫酸钠晶种加入量为0.68%,蒸发速率160m L/h、搅拌速率150rpm,养晶时间为30min,最终硫酸铵晶体的主粒度M.S.值为880μm。
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