電滲析技術PPT課件

.,1,第三節(jié)電滲析法海水淡化技術,.本節(jié)主要內容：一、概述二、電滲析過程原理三、基本理論四、電滲析過程中的傳遞現象五、濃差極化現象六、電滲析海水淡化的操作技術,.,2,一、概述1.發(fā)展概況,萌芽于20世紀初，直到1940年才出現了具有實用價值的多隔室電滲析器。1950年wJuda試制出具有高選擇透過性能的陰離子交換膜和陽離子交換膜，從而奠定了電滲析技術的實用基礎。1952年2月，美國首次將電滲析咸水淡化器的樣機公開展出。同年，美圍、英國均研制出實用的離子交換膜并于1954年正式用于淡化苦咸水制取飲用水和工業(yè)用水的生產實踐。1959年蘇聯開始研究和推廣應用電滲析技術。日本引進電滲析技術后，首先并且主要用于海水濃縮制鹽。,.,3,2.主要用途,主要是咸水淡化，可將含鹽量為6000mgL的咸水淡化成含鹽量為500mg/L的飲用水和工業(yè)用水。電滲析海水淡化站并不普遍，主要原因是海水的含鹽量過高，消耗的電能大。1974年日本旭化成公司在山口縣野島建成一座電滲析海水淡化站，淡水產量為120m3/d。1977年美國高溫電滲析開始在現場進行海水淡化試驗，淡水產量為379m3/d。,.,4,發(fā)展前景,電滲析有如下五個方面的特點：(1)耗電低，經濟效益顯著。實踐證明將20005000mg/L的苦咸水淡化成500mg/L的淡水最經濟；(2)系統(tǒng)應用靈活，操作維修方便。根據不同條件要求，可以靈活地采用不同形式的系統(tǒng)設計，并聯可增加產水量，串聯可提高脫鹽率，循環(huán)或部分循環(huán)可縮短工藝流程。在運行過程中，控制電壓、電流、濃度、流量、壓力與溫度幾個主要參數，可保證穩(wěn)定運行；(3)不污染環(huán)境；(4)使用壽命長。膜一般可用35年，電極可用78年，隔板可用15年左右；(5)原水回收率高；海水、高濃度苦咸水原水回收率可達60以上。一般苦咸水回收率可達6580。,.,5,3.電滲析技術的發(fā)展特點,采用電滲析法進行海水深度除鹽，制取含鹽量約為500mg/L的初級純水。電滲析法和離子交換法聯合應用，制取高純度水。電滲析談化水站向自動化、電子計算機控制的無人操作方向發(fā)展。為了降低海水淡化的能量消耗，研究高溫電滲析和中溫電滲析。研究利用太陽能加熱海水和太陽能發(fā)電。此外，也利用風力發(fā)電機取得廉價電能。離子交換膜可稱為電滲析器的心臟。研制各種性能的離子交換膜就可以擴展電滲析的應用領域。,.,6,4.我國發(fā)展概況,我國1957年開始研制離子交換膜。最早研制成功了牛皮紙膜和羊皮紙膜。1966年聚乙烯異相膜在上海化工廠投產。成為我國第一代具有實用性的商品膜，并且使用至今。年總產量已超過20萬m2。我國第1臺小型實用化的電滲析談化器是在1964年由解放軍海軍醫(yī)學科學研究所研制成功的。11969年在北京化工廠內建立了我國最早的工業(yè)用水淡化站。該站將地下水經電滲析和離子交換，制成化學試劑用的高純度水。100m3d以上，供水至今?？梢哉J為1970年標志著我國電滲析技術進入了生產實用的成熟階段。,.,7,1978年鄭州鐵路局商丘電滲析淡化站建成投產。由地下苦咸水制取蒸汽機車鍋爐用水。產水量為1200m3d以上。1982年商丘西站建成電滲析淡化站，產水量為2400m3d。1981年國家海洋局第二海洋研究所等單位，在我國西沙群島的永興島上建立了我國規(guī)模最大的電滲析海水談化站，將海水淡化成飲用水。產水量為200m3d。我國電滲析器單臺產淡水量可達50m3d。制造電滲析淡化器的工廠有20多個?，F有電滲析淡化器估計有5000多臺。淡水產量在1000m3d以上的電滲淡化站有數十個。,.,8,我國電滲析水質除鹽技術在工業(yè)生產上得到了廣泛的應用。電滲析主要用在如化工、醫(yī)藥、電力、電子、輕工、飲料、紡織、印染、鍋爐、化學分析等。工業(yè)生產中大多以自來水為原水。利用電滲析可以直接制取除鹽水。在需要純水的場合，電滲析可以作為離子交換的預處理手段。無論采用哪種方式電滲析除鹽均可取得降低制水成本、減輕污染的效果。,.,9,電滲析適用范圍,.,10,在物理化學中，將溶質透過膜的觀象稱為“滲析”，將溶劑透過膜的現象稱為“滲透”。對電解質的水溶液來說，溶質是離子，溶劑是水。在電場的作用下，溶液中的離子透過膜進行的遷移可以稱為“電滲析”。電滲析是指在直流電場作用下，溶液中的荷電離子選擇性地定向遷移透過離子交換膜并得以去除的一種膜分離技術（見下圖）。,二、電滲析過程原理,.,11,電滲析分離原理,.,12,原理圖示：,.,13,電滲析的流程（1）電滲析器的構成：膜堆、極區(qū)和夾緊裝置（2）電滲析器的組裝方式,.,14,.,15,膜法制堿原理圖示：,三室式：,鹽水精制,ClNa,NaCl,Cl2,H2,NaOH,陰,陽,+,.,16,三、基本理論,（1）.Sollner雙電層理論以陽離子交換膜為例，當離子交換膜浸入電解質溶液中，膜中的活性基團在溶劑水的作用下發(fā)生解離產生反離子，并進入水溶液。膜上活性基團在電離后帶有電荷，以致在膜表面附近，電解質溶液中帶相反電荷（可交換）的離子形成雙電層，如下頁圖所示。雙電層的強弱與膜上荷電活性基團數量有關，膜-溶液界面離子分布及其相應化學電位與距離有關。,.,17,膜與溶液介面離子分布及相應化學位與距離的關系圖示：,.,18,陽離子交換膜上固定基團能構成足夠強烈的負電場，使膜外溶液中帶正電荷離子極易遷移靠近膜并進入膜孔隙，而排斥帶負電荷離子。如果膜上的活性基團少，則其靜電吸引力也隨之減少，對同電荷離子的排斥作用也減少，降低了對陽離子的選擇透過性；如果膜外溶液濃度很大，則擴散雙電層的厚度會變薄，一部分帶負電荷的離子靠近陽膜的機會增大，并導致非選擇性透過陽離子交換膜；對陰離子交換膜的情況恰好相反。由此可得電滲析的規(guī)律：,.,19,電滲析的規(guī)律：,異性電荷相吸；膜中固定離子越多，吸引力越強，選擇性越高；在電場作用下，溶液中的陽離子作定向連續(xù)遷移通過帶負電的陽膜。,.,20,（2）Donnan平衡理論,杜南平衡理論是討論半透膜兩側離子分布不均的問題。若膜的一側有一種離子R不能透過膜，而另一側的離子都可以透過膜，則如上圖所示（1）側R不能透過膜，Na可透過，兩離子濃度均為a；膜的（2）側NaCl濃度為b.當平衡時，設有x濃度的Na離子自（2）側進入（1）側，為保持電中性，必有x濃度的Cl也進入（1）側。,.,21,達到平衡后，根據質量作用定律，截面兩側濃度積相等。Na+1Cl-1=Na+2Cl-2（ax)x=(bx)(bx)解得：xb2/(a2b)則膜兩側離子濃度的比值：Na+1/Na+2Cl-2/Cl-1(b-x)/x（a+b)/b討論：當ab時Cl-2/Cl-1（a+b)/b=a/b=即（2）側的CI離子幾乎不能進入（1）側。當ab時Cl-2/Cl-1（a+b)/b=1即兩側Cl和Na離子濃度近似相等。離子交換膜的表面即相當于半透膜，上圖相當于陽膜的作用機理。,.,22,結論：當膜的活性基團多，即a很大時，膜外的CI離子幾乎不能進入陽膜，膜即具有了選擇透過性。當膜外溶液濃度提高時，則進入陽膜的CI離子也增多。所以說選擇透過性也不是百分之百的，而是隨著溶液濃度的提高而下降。對于陰膜也有類似結果。其理論對選擇透過性作了定性解釋有些現象也不能很好解釋。如：交換基團越多，選擇透過性趆高，但實際高到一定量時選擇性反會下降，所以說還需進一步完美。,.,23,四、電滲析過程中的傳遞現象,在電滲析運行過程中傳遞現象比較復雜，在脫鹽時，離子的選擇性遷移是主要過程。但是，伴隨主要過程的還有一些次要過程。這些次要過程所產生的副作用總是力圖抵消淡化過程，因而降低除鹽的效果。這種抵消作用表現為使淡水中的鹽量增加和使淡水水量減少。1.反離子遷移反離子遷移是指與膜的固定基團電荷符號相反的離子遷移，是電滲析的主要遷移過程。例如陽膜的固定基團帶負電荷，水中鈉離子帶正電荷，鈉離子透過陽膜的遷移即為反離子遷移。,.,24,2.同名離子遷移同名離子遷移是指與膜的固定基團電荷符號相同的離子遷移。例如水中的氯離子帶負電荷，與陽膜的固定基團的負電荷同名，濃縮室中的氯離子由于濃度大，會闖入陽膜進入淡化室，抵消淡化作用。3.濃差擴散由于濃縮室中氯化鈉濃度比淡化室高，在濃度差的作用下，氯化鈉由濃縮室向淡化室中擴散。,.,25,4.水的滲透水由淡化室透過膜向濃縮室中遷移。隨著濃水與淡水濃度差的增加，水的滲透量增大。5.水的電滲透離子在水中與水分子結合成為水合離子。由于離子的水合作用，在反離子遷移和同名離子遷移過程中都攜帶一定數量的水分子同時遷移。反離子遷移的同時從淡化室?guī)С鏊?，同名離子遷移則相反。相比之下，反離子遷移從淡化室?guī)С龅乃看笥谕x子帶出水量。,.,26,6.水的分解在電滲析過程中，由于發(fā)生電流密度與離子擴散速度不相適應的情況，導致膜與水的界面上的水分子解離成H+和OH-，并參與傳導電流。水的分解影響水的pH值，也使淡水量減少。7.壓差滲漏當膜的兩側產生壓力差時，溶液由壓力大的一側向壓力小的一側滲漏。可以看出，電滲析過程是個很復雜的過程，在實際應用中，應設法減小次要過程的不利影響。,.,27,五、濃差極化現象,以陰膜為例說明電滲析的極化過程。見下圖電滲析器通電之前，陰膜兩側水的含鹽量均為Co。通電一段時間后，陰膜右側淡室中水的鹽量為C，左側濃水室中水的含鹽量為C1。由于離子在膜內的遷移速度大于在水中的遷移速度，因而在淡室中陰膜與水界面上的淡水含鹽量為C,CC。在濃室中陰膜與水界面上的濃水含鹽量為C1，C1C1。在膜的兩側出現兩個厚度為的擴散層。隨著電流的增加，淡室中C和C不斷下降。當C0時，陰膜與水界面上的陰離子全部參加了電遷移，這時的電滲析過程處于臨界狀態(tài)。如果繼續(xù)增加電壓，使操作電流超過極限電流時，迫使界面處的水分子解離成H+和0H參加電荷的傳遞，即產生了“極化”。,c1,陰膜陽膜,.,28,極化的影響：,1.膜介面的電阻升高（C0）；2.濃差膜電位升高，使電耗增大；3.高濃端膜面上會析出難溶性鹽類；4.同電荷不同離子間的選擇透過性下降；5.由于水被電離，并參與導電，使能耗升高，電流效率下降；6.外液的PH值變化明顯，對PH值有敏感的產品生產不利，對設備有腐蝕作用。,.,29,極化現象的控制,嚴格控制操作電流，使電滲析在低于極限電流密度下運行；強化電滲析隔室中的傳質過程。如采用湍流效果好隔網，高溫電滲析等；定期酸洗，加入防垢劑，倒換電極等措施消除極化沉淀；可采用適當的預處理改善水質。,.,30,六、工藝參數,（1）水流線速度電滲析的水流線速度與一個淡水隔室的流量有關，為單位時間內通過電滲析器淡水隔室單位截面上水的流量（516）式中，V為淡水流線速度，cm/s；Q為一段膜堆的流量，m3/s；N為一段膜堆的組裝膜對數；W為淡水隔板寬度，cm；d為淡水隔板的厚度，cm。一般電滲析淡水隔室中水流線速度控制在515cm/s范圍內。,.,31,（2）水流壓降,單位電滲析的水流壓降即為水流阻力損失，主要由脫鹽流道壓降、內配水管和外配水管的壓力損失及各部位局部阻力損失所組成。工程上脫鹽流道內的綜合水流壓降可用以下經驗方程計算（517）式中，p為綜合水流壓降，MPa；L為流道長度，cm；A、b為決定于隔板性質的經驗系數，某些類型隔板的A、b值見表52。,.,32,（3）極限電流與操作電流密度,極限電流是指電滲析發(fā)生極化時的臨界電流，極限電流密度指通過單位面積離子交換膜的電流。對于采用環(huán)形配水組裝時，單臺水流壓降也可用以下經驗式計算式中，V為淡水流線速度，cm/s；p為單臺水流壓降，MPa。,.,33,上式中，C可用下式計算式中Cdi、Cdo分別為電滲析淡水進、出口濃度，meq/L。也可用電滲析器淡水進口濃度計算，若濃度以mg/L表示，則其水力常數等見P121表5-3。已知極限電流密度，則操作電流密度可用下式計算式中，為組成換算系數或水型系數；fs為安全系數；ft為溫度校正系數，對目前采用的異相膜電滲析器，溫度校正系數可用以下經驗式計算式中，T0為測定極限電流時的水溫，oC；T為實際操作水溫，oC。通常，電滲析器的極限電流密度以NaCl水溶液測定獲得，因此式中為1.0，用于其他鹽水溶液或溶液中存在多種離子時，不等于1.0,故需用加權平均計算出組成換算系數。,.,34,（4）電流效率,電流效率表示電滲析過程中電流利用程度，為單位時間內實際脫鹽率與理論脫鹽率的百分比，是電滲析的主要技術指標。一般表達式為式中，法拉第常數F為96500C/mol或26.8Ah/mol。若咸水脫鹽，電流效率一般為90%-95%；海水脫鹽為70%-85%。,.,35,（5）出口濃度,極限電流下的出口濃度可用下式計算：式中，ki、n為Wilson常數。（6）脫鹽率電滲析器除掉的鹽量與給水含鹽量的百分比為脫鹽率，脫鹽率常以單臺或單級為基礎進行計算，計算公式如下當電滲析器確定后，d、L為常數，處理水型確定后，、n和也是常數，故脫鹽率僅是流速的函數，而與淡水的進口濃度無關。則脫鹽率可用簡單的經驗式表達A和為經驗常數，與處理水型有關。,.,36,（7）脫鹽能耗,脫鹽能耗可用單位物質量（mol）的電解質所需的脫鹽能耗；或單位體積產水量所需的直流電能耗計算。用單位物質量（mol）的電解質所需的脫鹽能耗表示時，可用下式之一計算式中，WN為電滲析遷移單位物質的量（mol）電解質所需能耗，kWh/N；Qd為一個淡水隔室的流量，L/s；I為電流，mA；Rs為N對膜對的總電阻，；f為脫鹽率。,.,37,式中Ui、Ii分別為各級電壓（V）和電流（A）；Q為水產量，m3/h。當采用等壓操作時，式中Ui為常數。上式表明，分離單位物質的量（mol）電解質或單位體積產水量所需要的能耗隨電流密度的增加而上升。在循環(huán)式脫鹽中，功率按對數平均電流計算，但整流器選型時按起始電流選擇額定電流。,.,38,（8）膜對電壓,由一張陽膜、一張陰膜和濃、淡水隔板組成一個膜對。在運行過程中，電流通過該膜對的壓降稱為膜對電壓。膜對電壓直接與電滲析直流電能耗有關，是整流器設計和選型的主要依據。通常膜對電壓可以關聯成為流速和濃度的函數式中，Up為單位膜對電壓降V；k、為與處理水型有關的常數，對碳酸氫鹽水型分別為0.065、0.1589、0.67。,.,39,膜堆電壓即為加在膜堆兩端的電壓，由N對單位膜對電壓構成。膜堆電壓與極區(qū)電壓之和為電滲析器總電壓，即式中，Ue為極區(qū)電壓，V；極區(qū)電壓包括：引出線與電極之間的接觸電位、電極本身的電壓降、電極與極水之間的電極電位及極水和極膜的電阻等形成的電壓降。當電滲析器總電壓計算值大于300V時，可采用多級組裝，以便選用合適電壓等級的整流器。,.,40,（9）膜對電阻,單位膜對電阻計算的一般表達式為式中，Rp為單位膜對電阻，；ca為濃、淡水隔室的當量平均濃度；a1/ca項為溶液電阻；a2為膜電阻項；a3ca為校正項，處理低濃度水時可忽略不計。,.,41,離子交換樹脂填充式電滲析(EDI),(EDI)是一種將電滲析和離子交換相結合的除鹽工藝，國內也稱為填充式電滲析。該技術取電滲析和離子交換兩者之長，既利用離子交換能深度脫鹽的特點，克服電滲析濃差極化使水解離產生H+和OH-的特性，克服交換樹脂失效后需再生的缺陷，完美地達到了優(yōu)勢互補相得益彰的功效。該技術把總固體溶解量（TDS）為1-20mg/L的水制成8-17M的純凈水，使其在電子、電力、化工等行業(yè)得到推廣應用，有可能取代原來的電滲析、反滲透、離子交換工藝或它們的組合工藝，成為制備高純水的主要技術。,.,42,(EDI)的特點,1）離子交換樹脂用量少，約相當于普通離子交換樹脂柱用量的5%。省略了離子交換混床和再生裝置；2）離子交換樹脂不需酸、堿化學再生，勞動強度降低；環(huán)保效益明顯；3）工藝過程易實現自動控制，產水水質穩(wěn)定；4）產水水質高，電阻率為15-18Mcm，達到國家電子級水級標準，滿足中國和美國藥典對藥用水的要求；5）有脫出二氧化碳、硅、硼、氨等弱解離物質的能力；6）裝置占地空間小，操作安全性高、運行費用低。,.,43,EDI結構簡圖,AM,AM,CM,CM,+陽極,陽極,Na+,Na+,Cl,Cl,濃水室淡水室濃水室填充式電滲析內膜與混合樹脂組合結構簡圖陽樹脂陰樹脂,Na+,Na+,Cl,Cl,.,44,將離子交換樹脂填充到電滲析器內的淡水室中。淡水實內填充的陰、陽樹脂體積比大約為21。該系統(tǒng)與電滲析-離子交換系統(tǒng)相比，淡水實的陰、陽樹脂不需要再生。在直流電場的作用下，生產過程中水中的離子、離子膜及離子交換樹脂間發(fā)生交互作用：陰、陽離子交換樹脂對水中離子的吸附交換作用、離子交換膜與溶液界面處發(fā)生的極化使水解離所產生的H+、OH-實現離子交換樹脂的再生作用。,.,45,以上三個方面的交互作用可使陰、陽樹脂所吸附的陰、陽離子，被電滲析極化過程產生的OH-與H+取代，實現樹脂的離子交換和吸附，強化了深度脫鹽作用，達到連續(xù)不斷地脫除水溶液中的離子產生純水或高純水。,.,46,EDI內部的交換過程EDI過程中，離子首先通過擴散到離子交換樹脂上，然后在電場作用下穿過樹脂到達膜面；在離子交換樹脂之間和交換樹脂與膜之間相互接觸的地方，如果電流超過了遷移溶解離子所需的能量，水就會電離成氫離子和氫氧根離子。在適當強電流的作用下，離子交換樹脂不斷地被酸或堿再生。則交換下來的陰、陽離子會與溶液中的離子一起進入濃縮室中。,.,47,在EDI裝置的設計和運行過程中應注意的幾個關鍵因素,1）合理配置陰、陽導電材料交換容量。導電材料總的陰、陽離子交換容量不同，會導致沿水流流程交換容量的變化，使操作過程不穩(wěn)定，降低電流效率。2）選用選擇透過性高、濃差擴散系數低的離子交換膜。濃水室電解質的微小擴散，都會明顯影響純水的水質。3）裝置的密封性要好。嚴格樹脂填充過程，使樹脂與膜貼緊，以減少離子遷移不通過樹脂的短路現象。4）嚴防濃水和淡水在膜堆中互漏。,.,48,膜電解基本原理,離子膜電解時20世紀70年代發(fā)展起來的新技術，與