C5-2電滲析法除鹽

1、第二節(jié)第二節(jié) 電滲析除鹽電滲析除鹽一、電滲析除鹽原理及過程二、離子交換膜三、離子交換膜作用機(jī)理四、電滲析器的構(gòu)造與組裝五、電流效率六、極限電流密度七、極化與沉淀 所謂膜分離是指在某種推動力作用下，利用特定膜的透過性能，達(dá)到分離水中離子或分子以及某些微粒的目的。電滲析、反滲透、超濾以及滲析統(tǒng)稱為膜分離法。 膜分離的推動力可以是膜兩側(cè)的壓力差、電位差或濃度差。這種分離方法可在室溫、無相變條件下進(jìn)行，具有廣泛的適用性。各種膜分離法的推動力與分離對象如下表所示。第二節(jié)第二節(jié) 電滲析除鹽電滲析除鹽 溶劑透過膜的過程稱為滲透，溶質(zhì)透過膜的過程稱為滲析。 1.電滲析（ED）：在外加電場的作用下，利用陰、陽離

2、子交換膜對陰、陽離子的選擇透過性，把電解質(zhì)從水溶液中分離出來的膜分離技術(shù)。 2. 滲析（D）：是由于膜兩側(cè)有濃度差，使水中的溶質(zhì)透過膜分離的技術(shù)。第二節(jié)第二節(jié) 電滲析除鹽電滲析除鹽 3. 滲透：由于膜兩側(cè)有濃度差，使溶劑（如水）透過膜分離的技術(shù)。(溶質(zhì)不發(fā)生遷移)4. 反滲透（RO）：膜兩側(cè)有濃度差，在濃度高的一側(cè)施加一定的壓力，使溶劑（如水）透過膜而純化或濃縮的膜分離技術(shù)。5. 微濾（MF）：膜兩側(cè)有濃度差，在濃度高的一側(cè)施加一定壓力，截留水中的細(xì)菌、粘土等微粒的技術(shù)。6. 超濾（UF）：膜兩側(cè)有濃度差，在濃度高的一側(cè)施加一定壓力，截留水中的大分子以及細(xì)菌、病毒、膠體等微粒的技術(shù)。分離粒徑范

3、圍：微濾超濾納濾反滲透一、電滲析的基本原理一、電滲析的基本原理u原理：陰陽離子交換膜對溶液中陰陽離子的選擇透過性，而使溶液中的溶質(zhì)與水分離的一種物理化學(xué)過程。u陰膜只讓陰離子穿過；陽膜只讓陽離子穿過。u電極兩側(cè)會發(fā)生氧化還原反應(yīng)陰極還原反應(yīng) 2H+2eH2陰極室溶液呈堿性結(jié)垢陽極氧化反應(yīng) 4OH-O2+2H2O+4e 陽極室溶液呈酸性腐蝕 為降低電極反應(yīng)在總能量消耗中所占的比例，工業(yè)生產(chǎn)中組成多膜電滲析槽，稱為電滲析器。 在電滲析過程中，電能的消耗主要用來克服電流通過溶液、膜時所受到的阻力以及進(jìn)行電極反應(yīng)。運(yùn)行時，進(jìn)水分別地不斷流經(jīng)濃室、淡室以及極室。 淡室出水即為淡化水，濃室出水即為濃鹽水，

4、被室出水不斷排除電極過程的反應(yīng)物質(zhì)，以保證電滲析的正常進(jìn)行。電滲析分離原理圖電滲析分離原理圖+濃濃淡淡濃濃淡淡濃濃淡淡陽陽陰陰陽陽陰陰陽陽陰陰陽陽濃水濃水淡水淡水原水原水極水極水極極 室室極極 室室陽極陽極陰極陰極二、離子交換膜： 離子交換膜是電滲析器的重要組成部分，按其選擇透過性能，主要分為陽膜與陰膜；按其膜體結(jié)構(gòu)，可區(qū)分為異相膜、均相膜、半均相膜。 異相膜通常是具有交換基團(tuán)的聚合電解質(zhì)(樹脂)與成膜材料(粘合劑)粘合生成薄膜，井加入襯網(wǎng)而制成。異相膜的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度好、價格低，缺點(diǎn)是膜電阻大、耐熱差、透水性大。均相膜則相反。1、離子交換膜的種類 均相膜指整張膜完全是按離子交換樹脂的制造工藝

5、制成的，是將樹脂的母體連接起來，成為連續(xù)的膜狀物，在這種膜中聚合電解質(zhì)和成膜材料之間發(fā)生了化學(xué)結(jié)合而成為共聚體。 由于這種膜的化學(xué)性能是均勻的，膜的各部分具有相同特性，是單相的，故叫均相膜。 半均相膜的聚合電解質(zhì)與成膜材料混合得十分均勻，它的化學(xué)性能的均勻性可以大為提高，但兩者之間沒有化學(xué)結(jié)合。 選擇透過性：離子交換膜的選擇透過性實(shí)際上并不是那樣理想的，因?yàn)榭偸怯猩倭康耐栯x子(即與膜上的固定活性基電荷符號相同的離子)同時透過。導(dǎo)電性：膜電阻與電滲析所需要的電壓有密切的關(guān)系。電阻越小，所需電壓越低。膜電阻一般用膜的電阻率乘以膜的厚度表示，單位為cm 2。機(jī)械性能：應(yīng)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和韌性。2

6、、離子交換膜的性能3、離子交換膜的理論模型 離子交換膜是具有微細(xì)孔道海綿狀結(jié)構(gòu)的薄膜。以陽離子交換均相膜為例：（1）膜的基本骨架是鏈狀高分子組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在骨架上由化學(xué)鍵結(jié)合大量完全電離成陰離子的基團(tuán)，表現(xiàn)出負(fù)電性，它們在整個膜結(jié)構(gòu)中是均勻分布的。（2）膜內(nèi)水相與一般電解質(zhì)水溶液相似，也是等摩爾的存在著游離的陽離子和陰離子。（3）固定離子的濃度由膜的結(jié)構(gòu)決定。（4）網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔隙對游離離子的運(yùn)動并無阻礙。 由于離子交換膜中含有相當(dāng)濃度的游離離子，使它具有良好的導(dǎo)電性能。三、離子交換膜的作用機(jī)理 頓南膜平衡理論：在交換膜內(nèi)存在大量的固定離子和相應(yīng)的反離子，電量相等，保持電中性，但它們的濃度要比

7、溶液相中高。濃度差使膜內(nèi)離子向溶液中擴(kuò)散。但膜內(nèi)的固定離子不可移動，為保持電中性，反離子也不能移出膜外。溶液中的同離子濃度比膜內(nèi)高，但為保持兩相內(nèi)的電中性，不能擴(kuò)散到膜內(nèi)。若有少量離子在濃度差的作用下進(jìn)行兩相擴(kuò)散，勢必打破電中性，產(chǎn)生頓南電位。頓南電位趨向于把膜內(nèi)的反離子拉回，而把銅離子排斥到溶液中，以恢復(fù)電中性。這樣，由濃度差產(chǎn)生的離子擴(kuò)散趨勢，就被反方向的頓南電位抵消，建立起一種濃度不均衡的平衡狀態(tài)，這種平衡稱為頓南平衡。三、離子交換膜的作用機(jī)理 頓南膜平衡理論：例如，把離子交換膜浸入NaCl溶液中時，根據(jù)化學(xué)平衡原理，如果在膜內(nèi)溶液中兩處游離離子達(dá)到平衡時，它們的離子濃度的乘積相等。四、

8、電滲析器的構(gòu)造與組裝：1、構(gòu)造： 用夾緊板緊固在一起的膜堆部分稱為電滲析器。電滲器的結(jié)構(gòu)包括壓板、電極托板、電極、極框、陰膜、陽膜、濃水隔板、淡水隔板等部件。將這些部件按一定順序組裝并壓緊，組一定形式的電滲析器。整體結(jié)構(gòu)可分為膜堆、極區(qū)和緊固裝置等三大部分。陽膜陽膜陰膜陰膜陰極陰極陰膜陰膜1. 膜堆 陰、陽膜和一對濃、淡水隔板濃、淡水隔板交替排列，組成最基本的脫鹽單元，稱為膜對。電極之間由若干組膜對堆疊一起即為膜堆。 用于隔開陰、陽膜之間的隔板由隔板框和隔網(wǎng)組成。其上有配水孔、布水槽、流水道以及攪動水流用的隔網(wǎng)。常用的隔網(wǎng)有魚鱗網(wǎng)、編織網(wǎng)等形式。編織網(wǎng)2. 極區(qū) 極區(qū)由電極、極水室、導(dǎo)水板等組

9、成。 （1）電極 工業(yè)上所用的電極材料要求： 導(dǎo)電性能好、機(jī)械強(qiáng)度高、對所處理溶液的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性好、分解電壓低、超電壓小、取材資源廣、加工方便、價格便宜。 電極的形狀有： 絲狀、網(wǎng)狀和平板狀等多種。 電極一般都鑲嵌在導(dǎo)水板中，通常簡稱為電極板。 電極材料有： 石墨、鉛、不銹鋼、鈦涂釕（或鈦涂鉑）、鉛銀合金和鈦涂過氧化鉛（ PbO2 ）等。 （2） 極水室 直接與電極相接觸的隔室稱為極水室。極水室是由供極水流動的隔板構(gòu)成,對極水室的要求是極水暢通,并能及時排去電極反應(yīng)產(chǎn)生的氣體和沉淀物,這也是電滲析過程進(jìn)行的必要條件。（3） 導(dǎo)水板 導(dǎo)水板是作引入和導(dǎo)出濃、淡水之用，也可作引入和導(dǎo)出極水用

10、。導(dǎo)水板分兩種：一種是裝在電滲析器兩端的端導(dǎo)水板；另一種是多極多端組裝中的中間導(dǎo)水板。3. 壓緊裝置 壓緊裝置用來把整個極區(qū)與膜堆均勻夾緊，使電滲析器在壓力下運(yùn)行時不致漏水。壓緊裝置主要由槽鋼加強(qiáng)的鋼板制成，緊固時四周用螺絲擰緊。2、電滲析器的組裝方式 電滲析的組裝方式常用“級”和“段”來說明。一對電極之間的膜堆為一級，具有同向水流的并聯(lián)膜堆稱為一段。增加段數(shù)等于增加脫鹽流程，可提高脫鹽效率；增加級數(shù)，則可提高水處理量。 一臺電滲析器的組裝方式常有如下四種方式：一級一段；多級一段；一級多段；多級多段。 一級一段是一臺電滲析器的基本組裝方式，可采用多臺并聯(lián)的方式來增加水量；也可采用多臺串聯(lián)來增加

11、脫鹽效率。對于小水量，可以采用一級多段組裝方式。一級一段一級一段 二級一段二級一段 一級二段一級二段 二級二段二級二段電滲析器用于水的淡化時，一個淡室實(shí)際去除的鹽量與通過理論計算應(yīng)當(dāng)去除的鹽量之比即為電流效率。五、電流效率電流效率：%100理論除鹽量實(shí)際除鹽量FL1000ib理論除鹽量）（）（實(shí)際除鹽量LmmolvbhCC/100021%1006 . 3)(5 .9621nICCQ當(dāng)Q、n及I值不變時，電流效率隨著除鹽量的增大而提高。1、反離子遷移也即為膜上固定離子基團(tuán)電荷相反的離子遷移。這種遷移是電滲析的主要傳遞過程，電滲析利用這種遷移達(dá)到溶液脫鹽或濃縮的目的。 2、同離子的遷移離子交換膜的

12、選擇性不可能達(dá)到100%。同離子的遷移方向與濃度梯度方向相反，因此而降低了電滲析過程的效率。但與反離子遷移相比，同離子的遷移數(shù)一般很小。 3、電解質(zhì)的滲析這種滲析主要由于膜的兩側(cè)濃水室與淡水室的濃度差引起的，使得電解質(zhì)由濃水室向淡水室擴(kuò)散。這種擴(kuò)散速率隨濃水室側(cè)濃度的提高而增大。 4、水的滲透隨著電滲析的進(jìn)行，淡水室中水含量逐漸升高，由于滲透壓的作用，淡水室中的水會向濃水室滲透。兩室濃度差越大，水的滲透量也越大，從而使淡水大量損失。 五、電流效率電流效率： 5、水的分解這是由于電滲析過程中產(chǎn)生濃差極化，或中性水離解成OH-和H+所造成，控制濃差極化可防止這種現(xiàn)象產(chǎn)生。 6、水的電滲析由于離子的

13、水合作用，在反離子和同名離子遷移時，會攜帶一定的水分子遷移。 7、壓差滲透由于膜兩側(cè)的壓力差，造成高壓側(cè)溶液向低壓側(cè)滲漏。 以上的幾種傳遞現(xiàn)象中，只有反離子遷移才具有脫鹽或濃縮作用，而除反離子遷移外的其余幾種傳遞現(xiàn)象，在電滲進(jìn)行過程中都應(yīng)設(shè)法降低或消除。五、電流效率電流效率：電能消耗主要有三方面：（1）電極反應(yīng)所消耗的電能，2%3%；（2）克服膜的兩邊由于濃度差而產(chǎn)生的電位所消耗的電能，25%以下；（3）克服電阻的能量消耗，60%70%。電滲析器的電能效率很低。五、電流效率%100除鹽的實(shí)際電能耗量除鹽的理論電能耗量電能效率六、極限電流密度電流密度：電滲析器運(yùn)行時，每單位面積膜通過的電流。膜界

14、面現(xiàn)象：在一定電流密度下，陽離子在陽膜內(nèi)的遷移量大于陽離子在溶液中的遷移量時，造成膜表面處離子的虧空，使界面層兩側(cè)出現(xiàn)濃度差。六、極限電流密度極化現(xiàn)象：過大的電流密度會導(dǎo)致陽膜淡水室側(cè)表面的離子濃度降低到接近于零，為保持電流通過，則在界面層中由水離解為H+和OH-，使之傳送電流。此時的電流密度稱為極限電流密度。極限電流密度與溶液中離子濃度呈正比，與膜的界面層成反比。界面層的厚度與水流速度有關(guān)。 膜極化公式/極限電流密度公式：vnKKCvi極六、極限電流密度影響電流密度的因素：（1）水質(zhì)條件一定時，與流速成正比；（2）流速一定時，隨著進(jìn)水含鹽量的增加而變大；（3）多段串聯(lián)而各段膜對數(shù)相同時，極限

15、電流密度依次降低。六、極限電流密度測定電流密度的方法：電壓-電流法：（1）在進(jìn)水濃度穩(wěn)定的條件下，固定濃水、淡水和極水的流量和進(jìn)口壓力；（2）逐漸提高操作電壓，待運(yùn)行穩(wěn)定后，測定與其對應(yīng)的電流值；（3）以電壓對電流作圖，并從兩端繪出兩條斜率不同的直線。極化是電滲析器運(yùn)行中常見問題，其危害如下。（1）降低電流放率：由于極化時、導(dǎo)致水分子大量解離，在電場作用下，水的解離造成H+和OH-離子的遷移，可見其部分電能消耗在水的解離和與脫鹽無關(guān)的H+和OH-離子遷移上，使電流放率下降；（2）降低除鹽率和產(chǎn)率：極化會在濃水室陰膜表面上產(chǎn)生沉淀，形成水垢，對運(yùn)行帶來不良的影響；（3）淡水pH值下降。七、極化與

16、沉淀2、防止和消除結(jié)垢的主要措施：（1） 對原水進(jìn)行預(yù)處理，降低其濁度、硬度、含鐵量、游離余氯等（2） 控制操作電流在極限電流之下，避免極化現(xiàn)象的發(fā)生，減緩水垢的生成。（3） 確定合理的倒極周期。定時倒換電極，使?jié)?、淡室亦隨之相應(yīng)變換，這樣，陰兩側(cè)表面上的水垢，溶解與沉積交替，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的目的。（4） 確定合理的流速和壓力，流速過低，易造成沉積；流速過大，壓力過大，易損壞膜。（5） 確定合理的酸洗周期。八、電滲析的應(yīng)用1水的純化海水、苦咸水、自來水 飲用水初級純水（鍋爐或醫(yī)藥用）高級純水特點(diǎn)：A 能耗與脫鹽量成正比（更適合含鹽低的苦咸水淡化）B 原水中鹽濃度過低，溶液電阻大，不經(jīng)濟(jì)（電滲析離子交換樹脂