第七章離子交換膜

1、第七章離子交換膜電滲析的發(fā)展概述電滲析基本原理離子交換膜的組成及分類離子交換膜的制備離子交換膜的主要性能電滲析器電滲析的脫鹽過程新型的電滲析過程電滲析在廢水處理中的應(yīng)用主要內(nèi)容3. 山東東岳集團(tuán)上周傳出喜人消息：“十一五”國家科技支撐計(jì)劃“全氟離子交換膜工程技術(shù)研究”項(xiàng)目的4個課題全部通過了山東省科技廳組織的專家審核驗(yàn)收。國產(chǎn)全氟離子膜關(guān)鍵技術(shù)、工程放大及裝備技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目的完成，以及在萬噸級電解裝置上成功應(yīng)用，改寫了我國氯堿工業(yè)長期受制于人的歷史。 我國2010年度膜產(chǎn)業(yè)十大新聞電滲析的發(fā)展概述電滲析研究源于德國，與1952年美國Ionics公司制備世界第一臺電滲析裝置，用于苦咸水淡化；20世

2、紀(jì)50年代末，日本開發(fā)海水濃縮制食鹽；我國電滲析技術(shù)研究始于1958年，目前在電滲析主要裝置部件及結(jié)構(gòu)方面都有巨大的創(chuàng)新，僅離子交換膜產(chǎn)量就占到了世界的1/3；1981年，我國由國家海洋局杭州水處理技術(shù)開發(fā)中心研發(fā)出200m3/d規(guī)模的海水淡化電滲析裝置。第一節(jié)電滲析基本原理一、電滲析的工作原理電滲析（electrodialysis，簡稱ED）是指在直流電場的作用下，溶液中的帶電離子選擇性定向遷移，透過離子交換膜并得以去除的一種膜分離技術(shù)。電位差為推動力，利用陰、陽離子交換膜對溶液中陰、陽離子的選擇透過性(即陽膜只允許陽離子通過，陰膜只允許陰離子通過），而使溶液中的溶質(zhì)與水分離的一種物理化學(xué)過

3、程。從而實(shí)現(xiàn)溶液的濃縮、淡化、精制和提純的一種膜過程。工作原理示意圖 陽模帶負(fù)電荷，陰膜帶正電荷 與膜所帶電荷相反的離子透過膜的現(xiàn)象稱為反離子遷移 高選擇性滲透率、低電阻力、優(yōu)良的化學(xué)和熱穩(wěn)定性以及一定的機(jī)械強(qiáng)度234陽膜組成的電滲析器 陰膜組成的電滲析器二、電滲析過程中的傳遞現(xiàn)象1）主要過程： 反離子遷移2）次要過程： 同名離子遷移（陽模-陰離子）、電解質(zhì)滲析（濃差擴(kuò)散）、水滲透（滲透壓）、水的電滲透（離子水合）3）非正常過程： 壓差滲漏（溶液）、水的解離（極化）三、電滲析過程的兩個基本條件直流電場的作用 使溶液中正、負(fù)離子分別向陰極和陽極作定向遷移離子交換膜的選擇透過性 使溶液中的帶電離子

4、在膜上實(shí)現(xiàn)反離子遷移 離子交換膜為什么具有選擇透過性呢四、離子交換膜的選擇透過性 膜的靜電作用、孔隙作用和擴(kuò)散作用帶大量電荷的膜吸引反離子、排斥同名離子；膜中固定離子越多，吸引力越強(qiáng)，選擇性越好水合離子半徑小于孔隙大小才能通過膜對溶解離子所具有的傳遞遷移能力，吸附-解吸-遷移注意！離子交換膜的作用并不是起離子交換的作用，而是起離子選擇性透過作用！靜電作用、孔隙作用和擴(kuò)散作用第二節(jié)離子交換膜的組成及分類 一、離子交換膜的組成樹脂、膠黏劑、增塑劑、著色劑、抗氧化劑、脫模劑等 二、離子交換膜的分類離子交換膜是膜狀的離子交換樹脂，含有活性基團(tuán)和能使離子透過的細(xì)孔常用的離子交換膜按其選擇透過性可分為陽離

5、子交換膜、陰離子交換膜、特殊離子交換膜三大類陽膜含有酸性活性基團(tuán)，解離出陽離子，使膜呈負(fù)電性，選擇性透過陽離子陰膜含有堿性活性基團(tuán)，與陽模相反選擇性透過特殊離子交換膜 雙極膜由一面陽膜和一面陰膜其間夾一層極薄的網(wǎng)布做成，具有方向性的電阻。當(dāng)陽膜面朝向陰極，陰膜面朝向陽極時，正、負(fù)離子都不能透過膜，顯示出很高的電阻。當(dāng)膜的朝向與上述相反時，膜電阻降低，膜兩側(cè)相應(yīng)的離子進(jìn)入膜中。直流電場下，雙極性膜可將水離解，能夠?qū)⑺蛛x成H+與OH- 兩種離子，可作為H+與OH-的供應(yīng)源。第三節(jié) 離子交換膜的制備按照離子交換膜的主體組分可分為均相膜和異相膜 均相膜中各成分以分子狀態(tài)均勻分布，不存在相界面 異相膜

6、是通過膠黏劑把粉狀樹脂制成片狀膜，存在相界面1.異相膜（壓延和模壓，溶液型膠黏劑，離子型交換樹脂）2.半均相膜（膠黏劑吸浸單體后聚合制備樹脂，均勻分散）3.均相膜（直接薄膜化，制備基膜后引入離子交換基團(tuán)或者先引入離子交換基團(tuán)后再成膜）4.新型離子交換膜（雙極膜和螯合膜）第四節(jié)離子交換膜的主要性能交換容量（IEC）：每克干膜所含活性基團(tuán)的毫克當(dāng)量數(shù)，單位為meq/g 交換容量高，選擇透過性好，導(dǎo)電能力強(qiáng)，但溶脹度大，影響機(jī)械強(qiáng)度 一般約為23meq/g含水量：膜內(nèi)與活性基團(tuán)結(jié)合的內(nèi)在水，以每克干膜含水質(zhì)量表示，一般含水量為20-40%膜電阻：關(guān)系工作所需電壓和電能消耗，通常越小越好選擇透過度：常

7、用反離子遷移數(shù)和膜的透過度來表示 一般要求大于85%，反離子遷移數(shù)大于0.9，并希望在高濃度電解質(zhì)中仍有良好的選擇透過性離子交換膜的性能要求選擇透過性高，要求在95%以上；導(dǎo)電性好，要求其導(dǎo)電能力應(yīng)大于溶液的導(dǎo)電能力；交換容量大；溶脹率和含水率適量；化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)；機(jī)械強(qiáng)度大。 第五節(jié)電滲析器一、電滲析器的主要結(jié)構(gòu)電滲析器由膜堆、極區(qū)和壓緊裝置三部分組成常用基本術(shù)語包括膜對、級、段等膜對：由陽膜、濃（或淡）水室隔板、陰膜、淡（濃）水室隔板交替排列成濃水室和淡水室，最小電滲析工作單元膜堆由一系列膜對組成，位于電滲析器的中部。極區(qū)由托板、電極、極框和彈性墊板組成 壓緊裝置由蓋板和螺桿組成，其作用是將

8、極區(qū)和膜堆組成不漏水的電滲析器整體電滲析裝置 膜堆二、電滲析器的組裝電滲析器的組裝依其應(yīng)用不同而有所不同。其組裝的情況是用級和段來表示的。級：一對正、負(fù)電極之間的膜堆稱為一級；段：具有同一水流方向的并聯(lián)膜堆稱為一段。電滲析器的組裝示意圖三、電滲析器的級與段一級一段一級兩段兩級一段兩級兩段一對正、負(fù)電極之間的膜堆稱為一級具有同一水流方向的并聯(lián)膜堆稱為一段并聯(lián)串聯(lián)一級一段特點(diǎn)是產(chǎn)水量與膜對數(shù)成正比，脫鹽率取決于一塊隔板的流程長度，常用于大、中制水廠，可含200360個膜對；二級一段（多級一段）使操作電壓降低，便于低操作電壓下獲得高產(chǎn)水量；一級兩段可增加脫鹽流程長度，提高脫鹽率，適用于單臺電滲析器一

9、次脫鹽，中、小型制水廠；多級多段發(fā)揮兩者優(yōu)點(diǎn)，同時滿足對產(chǎn)量和質(zhì)量的要求。四、實(shí)際應(yīng)用的電滲析器五、電滲析儀的性能指標(biāo)淡水產(chǎn)量脫鹽率電能消耗電流效率第六節(jié)電滲析的脫鹽過程1.連續(xù)式脫鹽2.循環(huán)式脫鹽第七節(jié) 新型的電滲析過程填充混合離子交換樹脂電滲析過程含離子交換膜的Donnan滲析 雙極膜水解離電滲析雙極膜是陰、陽膜緊密相鄰或結(jié)合而成，直流電場下可將水離解雙極性膜單獨(dú)使用可實(shí)現(xiàn)電解反應(yīng)；與陽膜和陰膜組合使用可實(shí)現(xiàn)離子交換反應(yīng)，可將鹽轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的酸與堿、可從氨基酸鹽制備氨基酸。酸性氣體的清除與回收第八節(jié)電滲析在廢水處理中的應(yīng)用水的純化 海水、苦咸水、自來水制備初級和高級純水的重要方法，一般采用與

10、離子交換樹脂組合工藝，但注意電滲析不能出去非電解質(zhì)雜質(zhì)海水、鹽泉鹵水制鹽 電滲析濃縮海水蒸發(fā)結(jié)晶制備食鹽，不受地理氣候限制，易于自動化和工業(yè)化廢水處理脫除有機(jī)物中的鹽分 目前，電滲析在廢水處理實(shí)踐中應(yīng)用最普遍的有： 造紙工業(yè)廢水處理，利用電滲析法處理造紙工業(yè)的亞硫酸紙漿廢液和洗漿廢水及堿法造紙黑液，從中回收化學(xué)藥品，已得到工業(yè)應(yīng)用。 從芒硝廢液中制取硫酸和氫氧化鈉。 從酸洗廢液中制取硫酸和沉淀重金屬離子。 電鍍廢水和廢液處理，含Cd2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr6+等重金屬離子和氰化物的電鍍廢水都適宜用電滲析法處理，其中應(yīng)用最成熟的是含鎳廢水處理。 從放射性廢水中分離放射性元素，然后將其濃縮液掩埋。 脫除有機(jī)物中的鹽分醫(yī)藥：葡萄糖、甘露醛、氨基酸、維生素C，中草藥等 中草藥有效成分的分離和精制，可通過電滲析把中草藥提取液分離成無機(jī)陽離子和生物堿、無機(jī)陰離子和有機(jī)酸、中性化合物和高分子化合物三部分食品：牛乳、乳清等超濾、反滲透、電滲析組合工藝提取甘露醇本章習(xí)題掌握電滲析的工作原理及其組成示意圖電滲