離子交換膜與電滲析

10第七章 離子交換膜與電滲析電滲析的爭(zhēng)論始于上世紀(jì)初的德國(guó)。1952年美國(guó)Ionics公司制成了世界上第一臺(tái)電滲析裝置，用于苦咸水淡化。至今苦咸水淡化仍是電滲析最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。在鍋爐進(jìn)水的制備、電鍍工業(yè)廢水的處理、乳清脫鹽和果汁脫酸等領(lǐng)域，電滲析都到達(dá)了工業(yè)規(guī)模。50年月末，由日本開發(fā)的海水濃縮制食鹽的應(yīng)用，雖僅限于日本和科威特等國(guó)，但也是電滲析的一大市場(chǎng)。目前，電滲析以其能量消耗低，裝置設(shè)計(jì)與系統(tǒng)應(yīng)用敏捷，操作修理便利，工藝過(guò)程干凈、無(wú)污染，原水回收率高，裝置使用壽命長(zhǎng)等明顯優(yōu)勢(shì)而被越來(lái)越廣泛地用于食品、醫(yī)藥、化工、工業(yè)及城市廢水處理1958年。1965年在成昆鐵1981年我國(guó)在西沙永200噸飲用水的電滲析海水淡扮裝置。幾十年來(lái)，在離子交換膜、隔板、電極等主要部件方面不斷創(chuàng)，電滲析裝置不斷向定型化、標(biāo)準(zhǔn)化方向進(jìn)展。第一節(jié)、電滲析根本原理一、電滲析的工作原理電滲析是在直流電場(chǎng)作用下，溶液中的帶電離子選擇性地通過(guò)離子交換膜的過(guò)程。主要用于溶液中電解質(zhì)的分別。圖7-1是電滲析工作原理示意圖。流程說(shuō)明：在淡化室中通入含鹽水，接上電源，溶液中帶正電荷的陽(yáng)離子，在電場(chǎng)的作用下，向陰極方向移動(dòng)到陽(yáng)膜，受到膜上帶負(fù)電荷的基團(tuán)的異性相吸引的作用而穿過(guò)膜，進(jìn)入右側(cè)的濃縮室。帶負(fù)電荷的陰離子，向陽(yáng)極方向移動(dòng)到陰膜，受到膜上帶正電荷的基團(tuán)的異性相吸引的作用而穿過(guò)膜，進(jìn)入左側(cè)的濃縮室。淡化室鹽水中的氯化鈉被不斷除去，得到淡水，氯化鈉在濃縮室中濃集。

圖7-1 電滲析工作原理示意圖電滲析過(guò)程除我們期望的反離子遷移外，還可能發(fā)生如圖7-2所示的其它遷移過(guò)程：同名離子遷移〔Donnan〕平衡理論，離子交換膜的選擇透過(guò)性不行能到達(dá)100％，再加上膜外溶液濃度過(guò)高的影響，在陽(yáng)膜中也會(huì)進(jìn)入個(gè)別陰離子，陰膜中也會(huì)進(jìn)入個(gè)別陽(yáng)離子，從而發(fā)生同名離子遷移。電解質(zhì)的濃差集中也稱為滲析，指電解質(zhì)離子透過(guò)膜的現(xiàn)象。由于膜兩側(cè)溶液濃度不同，受濃度差的推動(dòng)作用，電解質(zhì)由濃水室向淡水室集中，其集中速度隨兩室濃度差的提高而增加。水的滲透淡水室的水，由于滲透壓的作用向濃縮室滲透，滲透量隨濃度差的提高而增加。水的電滲透

圖7-2 電滲析工作時(shí)發(fā)生的各種過(guò)程

二、離子交換膜的選擇透過(guò)性離子交換膜對(duì)離子選擇性透過(guò)機(jī)理和離子在膜中的遷移歷程可以由膜的孔隙作用、靜電作用和集中作用加以說(shuō)明?？紫蹲饔秒x子交換膜具有貫穿膜體內(nèi)部的彎曲孔隙，其孔徑多為幾十納米至幾百納米，這些孔隙形成的通道可以使被選擇吸附的離子從膜的一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)?？紫蹲饔玫膹?qiáng)弱主要取決于孔隙度的大小與均勻程度。而且只有當(dāng)被選擇的離子的水合半徑小于孔隙半徑時(shí)，才有可能使離子透過(guò)膜。靜電作用離子交換膜上分布著大量帶電荷的基團(tuán)。因此，膜內(nèi)構(gòu)成猛烈的電場(chǎng)：陽(yáng)膜為負(fù)電場(chǎng)；陰膜為正電場(chǎng)。依據(jù)靜電效應(yīng)的原理，膜與帶電離子將發(fā)生同電性相斥，異電性相吸的靜電作用。結(jié)果是陽(yáng)膜只能選擇吸附陽(yáng)離子，陰膜只能選擇吸附陰離子。它們都分別排斥與各自電場(chǎng)性質(zhì)一樣的同名離子。對(duì)于兩性膜，由于它們同時(shí)存在正、負(fù)電場(chǎng)，對(duì)陰、陽(yáng)離子選擇透過(guò)力量就取決于正負(fù)電場(chǎng)之間強(qiáng)度的大小。集中作用膜對(duì)溶解離子所具有的傳遞遷移力量，稱為集中作用。它依靠于膜內(nèi)活性離子交換基和孔隙的存在，而離子的定向反離子和同名離子，實(shí)際上都是水合離子，由于離子的水合作用，在反離子和同名離子遷移的同時(shí)，將攜帶肯定數(shù)量的水分子遷移。壓差滲漏溶液透過(guò)膜的現(xiàn)象。當(dāng)膜的兩側(cè)存在壓差時(shí)，溶液由壓力大的一側(cè)向壓力小的一側(cè)滲漏。因此在操作中，應(yīng)使膜兩側(cè)壓力趨向平衡，以減小壓差滲漏損失。水的解離也稱為極化。是指在肯定電壓作用下，溶液中離子未能準(zhǔn)時(shí)補(bǔ)H+和OH—水解離成H+和OH—

遷移則是外加電場(chǎng)力推動(dòng)的結(jié)果。離子交換膜的透過(guò)現(xiàn)象，可以分為選擇吸附、交換解吸、傳遞轉(zhuǎn)移三個(gè)階段。由膜孔穴形成的通道口和內(nèi)壁上分布著活性離子交換基，對(duì)進(jìn)入膜相的溶解離子連續(xù)進(jìn)展著鑒別選擇。這種吸附-解吸-遷移的方式，把離子從膜的一端輸送到另一端，完成了膜對(duì)溶解離子定向集中的全過(guò)程。三、電滲析過(guò)程的根本傳質(zhì)方程電滲析的傳質(zhì)過(guò)程主要由對(duì)流傳質(zhì)、集中傳質(zhì)和電遷移傳質(zhì)等局部組成。離子在隔室主體溶液和集中邊界層之間的傳遞，主要靠流體微團(tuán)的對(duì)流傳質(zhì)。離子在膜兩側(cè)的集中邊界層中主要靠集中傳質(zhì)。離子通過(guò)離子交換膜是靠電遷移傳質(zhì)。其中集中傳質(zhì)是掌握電滲析傳質(zhì)速率的主要因素。

反。因此，正負(fù)離子在x方向上的遷移速率分別為：對(duì)流傳質(zhì) 包括因濃度差、溫度差以及重力場(chǎng)作用引起的

J

Ud

(7-5)自然對(duì)流和機(jī)械攪拌引起的強(qiáng)制對(duì)流傳質(zhì)。假設(shè)只考慮強(qiáng)制對(duì)流，離子i在x方向,即垂直于膜面方向上的對(duì)流傳質(zhì)速率為：

J C

dxUd

(7-6)Ji(c)

=CVix

〔7-1〕

dx-式中 C+、C——正負(fù)離子的濃度，mol/cm3；-式中

i(c)

——離子i在xmol/cm2.s；

U、U——正負(fù)離子的化學(xué)淌度，cm2/V.s；C——溶液中離子imol/cm3；iV——流體在xcm/s。x集中傳質(zhì) 假設(shè)溶液中某一組分存在著濃度梯度時(shí)，必定存在著化學(xué)位梯度。在該化學(xué)位梯度的作用下離子 i在x方向上

——電位，V。對(duì)于抱負(fù)溶液，淌度與集中系數(shù)之間的關(guān)系可以用能斯特-愛因斯坦方程來(lái)描述：的集中速率為：J

d=-CU i

〔7-2〕

U DFZRT

(7-7)i(d)

iidx

UDFZ

(7-8)式中

i(d)

——離子i在x方向上的集中速率，mol/cm2.s；

RT U——溶液中離子imol2/J.s；i

式中 D+、D-——正負(fù)離子的集中系數(shù)，cm2/s；di——離子i在x方向上的化學(xué)位梯度，J/mol。

z z

——正負(fù)離子的價(jià)數(shù)；dx依據(jù)實(shí)際溶液離子i

F——法拉第常數(shù)。將式(7-7)、(7-8)代入式(7-5)、(7-6)，得由式7-〕可以得到式7-。dC

dlnf

J+C

DFZ d

(7-9)Ji(d)

=-D( ii dx

i) 〔7-3〕dx

RT

dx式中fi

i的活度系數(shù)，對(duì)于抱負(fù)溶液fi

=1〔7-3〕擴(kuò)

DFJC JRT

Z ddx

(7-10)散速率則轉(zhuǎn)變?yōu)镕ick

Z

表示正負(fù)離子的代數(shù)價(jià)，以上兩式可以寫成：J=-J=-dCJ =-D i

〔7-4)

i(e)

DF di

(7-11)Zi(d) idxZ電遷移傳質(zhì) 當(dāng)存在電位梯度時(shí)，離子在電場(chǎng)力的作用下發(fā)生遷移，由于正負(fù)離子帶相反符號(hào)的電荷，其運(yùn)動(dòng)方向相

RT dxNemst-planck離子滲透流率方程對(duì)于離子通過(guò)離子交換膜的傳質(zhì)過(guò)程，可以近似認(rèn)為是垂直于膜面x方向上的傳質(zhì)。描述離子在流體對(duì)流、化學(xué)位梯度、電位梯度影響下，離子在電滲析過(guò)程中一維的 Nemst-planck方程，即離子x方向上的傳質(zhì)速率為：=Ji(c)+Ji(d)+Ji(e) (7-12)

由陰離子交換材料組成的膜含有堿性活性基團(tuán)，可解離出陰離子，它對(duì)陰離子具有選擇透過(guò)性，稱為陰離子交換膜，簡(jiǎn)稱為陰膜。圖7-3是離子交換膜的分類。強(qiáng)酸型：磺酸型陽(yáng)離子交換膜 中酸型：磷酸型、膦酸型

dC-D(

+ZC F d +C

dlnfi

) (7-13)

弱酸型：羧酸型、酚型ix i

i iRT

i dx

混合型：苯酚磺酸式中 Ji——離子i在膜內(nèi)的傳質(zhì)速率，mol/cm2.s；Di——離子i在膜內(nèi)的集中系數(shù)，cm2.s；

強(qiáng)堿型：季胺型、吡啶季胺型離子交換膜 陰離子交換膜 中、弱堿酸型：伯胺型、仲胺型、叔胺型C——離子i在膜相中的濃度，mol/cm3；if——離子i在膜相中的活度系數(shù)，mol/cm3；i

混合型：混合胺型Vi——在離子交換膜微孔中，液體重心的運(yùn)動(dòng)速度，cm/s。電滲析過(guò)程一般不發(fā)生化學(xué)反響，在穩(wěn)態(tài)條件下，Δ=0在離子交換膜中，各種離子滿足電中性條件，即

外表涂層膜雙極膜特別離子交換膜 兩性膜ΣZC

+ωC=0 (7-14)

鑲嵌膜ii 其它膜式中 zi——離子i的代數(shù)價(jià)；

7-3離子交換膜的分類C——離子i在膜內(nèi)的濃度，mol/cm3；iC——膜中固定活性基團(tuán)的濃度，mol/cm3；f ——膜中固定活性基團(tuán)的電荷數(shù)。i其次節(jié) 離子交換膜的分類及組成一、離子交換膜的分類

二、離子交換膜的組成在宏觀形態(tài)上離子交換膜是片狀薄膜，而離子交換樹脂是顆粒狀的，但微觀構(gòu)造根本一樣。離子交換膜的組成見圖7-4。高分子骨架構(gòu)造局部固定局部離子交換基團(tuán)〔固定荷電基團(tuán)〕離子交換膜是電滲析器的核心部件，是一種膜狀的離子交換樹脂。但必需指出，在電滲析中使用的離子交換膜，實(shí)際上并不是起

膜的主體

反離子〔對(duì)立離子〕離子交換作用，而是起離子選擇透過(guò)作用，更精準(zhǔn)地應(yīng)稱為離子選擇性透過(guò)膜。由陽(yáng)離子交換材料組成的膜含有酸性活性基團(tuán)，可解離出陽(yáng)離

離子交換膜 活動(dòng)局部 唐納滲透離子〔同名離子〕溶劑〔如水〕增加材料圖7-4 離子交換膜的組成膜主體的固定局部由體型或線型長(zhǎng)鏈高分子材料組成，在高分子鏈上錨有離子交換基團(tuán)，當(dāng)膜投入水中時(shí)，發(fā)生吸水溶脹，使活性基團(tuán)離解。如磺酸型陽(yáng)膜的活性基團(tuán)一SO3H可以離解為：R-SO3一H+季胺型陰膜的活性基團(tuán)一N(CH3)3OH可以離解為：R-CH2N+(CH3)3-OH一產(chǎn)生的H+和OH—進(jìn)入水溶液中，膜上留下肯定電荷的固定基團(tuán)，它可吸附溶液中的正離子和負(fù)離子，這些離子是可移動(dòng)的。第三節(jié) 離子交換膜的制備增塑劑、著色劑、防老劑、抗氧化劑、脫膜劑等。依據(jù)離子交換膜各成分以分子狀態(tài)均勻分布，不存在相界面；而異相膜是通過(guò)粘結(jié)劑把粉狀樹脂制成片狀膜，樹脂與粘結(jié)劑等組分間存在相界面。為保證離子交換膜的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，一般還需要網(wǎng)布作為增加材料。一、異相膜的制備異相膜是把粉狀樹脂與粘結(jié)劑混合后制成的片狀膜。粘結(jié)劑可以承受熱塑性的線性聚烯烴及其衍生物，也可以承受聚氯乙烯、聚過(guò)氯乙烯、聚乙烯醇等可溶于溶劑的聚合物，還可以承受自然或合成橡膠。依據(jù)粘結(jié)劑的性能，異相膜的制備方法有以下幾種：延壓和模壓法成膜將粉狀離子交換樹脂和粘結(jié)劑及其它輔料混合后通過(guò)延壓和模7-1是典型的異相膜配方。

表7-1 異相膜配方原料名稱陽(yáng)膜配料%陰膜配料%聚乙烯2123陽(yáng)離子交換樹脂粉73.70陰離子交換樹脂粉070聚異丁烯4.25.8硬脂酸鈣1.11.2酞青藍(lán)0.1表7-1中的聚乙烯是粘合劑，樹脂粉是膜的基體，聚異丁烯起粘合、增柔作用，賜予膜彈性，硬脂酸鈣為脫模劑和穩(wěn)定劑，酞菁藍(lán)是染料，使陰膜帶上天藍(lán)色，以區(qū)分于陽(yáng)膜的本色。還可以依據(jù)使用要求，適當(dāng)添加防老劑、抗氧化劑等成分。異相膜制備的工藝流程如下：樹脂—→枯燥—→過(guò)篩—→磨粉—→過(guò)篩—→樹脂粉配料—→雙輥混煉—→拉片—→加網(wǎng)熱壓—→異相膜將聚乙烯放人雙輥混煉機(jī)中，在110—120℃下混煉，塑化完全后，參加聚異丁烯進(jìn)展機(jī)械接枝。混合均勻后參加硬脂酸鈣，然后再將兩張尼龍網(wǎng)分別掩蓋在膜片的上下10.0-15.0MPa45min，即成有用的異相膜。溶液型粘合劑法成膜先將線型高聚物粘合劑溶解在溶劑中，制成粘合劑溶液，再將粉狀離子交換樹脂分散在粘結(jié)劑溶液中，澆鑄后，將溶劑蒸發(fā)掉成膜。將粉狀離子交換樹脂分散在僅局部聚合的成膜聚合物中，澆鑄成膜后，再完成聚合過(guò)程。由于異相膜樹脂與粘結(jié)劑僅是機(jī)械結(jié)合，在使用過(guò)程中樹脂簡(jiǎn)潔發(fā)生脫落。二、半均相膜的制備首先用粘合劑吸浸單體進(jìn)展聚合，然后導(dǎo)入活性交換基團(tuán)制成含粘合劑的熱塑性離子交換樹脂，最終像上述異相膜那樣的工藝加工成膜。這種方法可以使離子交換樹脂格外均勻地分散在粘合劑中，形成相互纏繞的構(gòu)造，不易脫落，另一方面，可以省去磨粉工序，簡(jiǎn)7-5是制備聚氯乙烯半均相膜工藝流程示意圖。粒狀聚氯乙烯粒狀聚氯乙烯∣二氯乙烷溶脹∣懸浮聚合∣白球┌───┴───┐

三、均相膜的制備均相離子交換膜的制造方法，實(shí)際上就是直接使離子交換樹脂薄膜化。即使離子交換樹脂的合成與成膜工藝相結(jié)合。均相膜的制造大致分為四個(gè)過(guò)程：膜材料的合成反響過(guò)程、成膜過(guò)程、引入可制備方法。從聚合反響開頭制膜例如，可以將苯酚磺酸與苯酚、甲醛先進(jìn)展局部縮聚反響，然后將其吸浸于多孔支撐材料中或涂布于網(wǎng)布上，再進(jìn)一步縮聚形成陽(yáng)離子交換膜。還可以將含有環(huán)氧反響基團(tuán)的料液刮于尼龍網(wǎng)上，上下襯以滌綸紙，在油壓機(jī)上加熱聚合形成基膜，把聚合反響過(guò)程、成膜過(guò)程、引入反響基團(tuán)過(guò)程三步合成—步，制成的基膜浸入三甲胺溶液，得到甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯陰膜。制成基膜后導(dǎo)入離子交換基團(tuán)對(duì)于含有反響基團(tuán)的高聚物可以先將其制成基膜后，再經(jīng)活化∣HSO

∣氯甲醚

聚乙烯醇基膜，都能進(jìn)展?；王セ错懀闺x子交換基團(tuán)直接導(dǎo)2 4磺化 氯化磺酸氯型樹脂季銨型樹脂∣ ∣磺酸氯型樹脂季銨型樹脂磺酸鈉型樹脂季銨氯型樹脂∣NaOH處理 ∣HCl處理磺酸鈉型樹脂季銨氯型樹脂└───┬───┘混煉∣拉片∣加網(wǎng)熱壓陽(yáng)膜陰膜┌─┴─┐陽(yáng)膜陰膜圖7-5 制備聚氯乙烯半均相膜工藝流程示意圖。

人膜內(nèi)。這類的高聚物材料很多，如聚苯乙烯、聚氯乙烯、氯化聚再導(dǎo)入離子交換基團(tuán)，成為離子交換膜。高聚物中導(dǎo)入離子交換基團(tuán)后再成膜如聚砜或聚醚砜經(jīng)磺化后制成磺化聚砜和磺化聚醚砜，把磺化后聚醚砜溶于二甲基甲酰胺中，涂于網(wǎng)布上，待溶劑揮發(fā)后即成陽(yáng)膜。四、型離子交換膜早期的離子交換膜主要用于電滲析和電化學(xué)工藝過(guò)程中，隨著科學(xué)爭(zhēng)論的深入和技術(shù)進(jìn)步，離子交換膜的種類不斷增加的同時(shí)，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。1．雙極膜雙極膜是一種復(fù)合膜，它由具有兩種相反電荷的離子交換層嚴(yán)密相鄰或結(jié)合而成的型離子交換膜。在直流電場(chǎng)的作用下，雙極H+OH-，它可以形成一種型的膜過(guò)程。雙極膜已有商品問(wèn)世。雙極膜的制備方法有：將陰膜、陽(yáng)膜加熱、加壓使其成型的方法；在陰膜、陽(yáng)膜中間涂敷黏合劑使之相互黏合的方法；在同一基膜兩側(cè)分別引入陽(yáng)離子和陰離子交換基團(tuán)的方法；使陽(yáng)離子層在陰離子交換膜上流延的方法等。2323在試驗(yàn)室，由雙極膜和陽(yáng)膜組成的二室模型，可以使葡萄糖酸鈉、古龍酸鈉等有機(jī)酸鹽向葡萄糖酸、古龍酸等有機(jī)酸轉(zhuǎn)化，同時(shí)得到堿液。在環(huán)保方面，雙極膜和陽(yáng)膜的組合可以使NaHSO3轉(zhuǎn)化2323

團(tuán)的兩性膜，它們大多具有生物膜的功能；利用陽(yáng)離子高聚物電解質(zhì)同陰離子高聚物電解質(zhì)相互穿插、組合而成的鑲嵌離子交換膜。抗污染膜、抗極化膜、無(wú)機(jī)離子交換膜等也是近年型離子交換膜的爭(zhēng)論領(lǐng)域。第四節(jié)離子交換膜的主要性能一、交換容量交換容量是表征離子交換膜質(zhì)量的根本指標(biāo)。交換容量的定義meq／g容量高的膜，選擇透過(guò)性好，導(dǎo)電力量強(qiáng)。但是由于活性基團(tuán)一般具有親水性，因此活性基團(tuán)含量越高，膜的溶脹度越大，從而影響2—3meq／g。3Na2SO3

，而NaSO

又可重與煙道氣中SO

反響生成NaHSO，

不同類型的離子交換膜所含的活性基團(tuán)不同，交換容量的測(cè)試到達(dá)除硫的目的。一般離子交換膜對(duì)同性離子的分別效果不太抱負(fù)，承受雙極膜則大大改善分別效果。如分別１、２價(jià)陽(yáng)離子時(shí)，承受在陽(yáng)膜外表覆涂一層陰膜薄層的復(fù)合膜，由于它的固定荷電基團(tuán)帶正電，對(duì)二價(jià)離子的排斥力比一價(jià)離子強(qiáng)，因此在電場(chǎng)作用下使一價(jià)離子更簡(jiǎn)潔穿過(guò)阻擋層進(jìn)入陽(yáng)膜，到達(dá)分別不同價(jià)態(tài)同性離子的目的。雙極膜的爭(zhēng)論重點(diǎn)是降低膜電阻、提高選擇性、化學(xué)穩(wěn)定性和膜強(qiáng)度；另外還期望雙極膜除了具有由陰離子交換層和陽(yáng)離子交換

體系也各有所異。下面僅舉兩例?；撬彡?yáng)膜磺酸氫型陽(yáng)膜能與等量的NaCl交換，可以對(duì)其釋放出的H+0.1mol/LNaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，然后計(jì)算交換容量。步驟：對(duì)經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)為磺酸氫型的陽(yáng)膜樣品，用濾紙拭去外表1.5g250ml的三角瓶中，參加約1mol/LNaCl50ml，連續(xù)振搖，使膜沉入水溶液中，放置過(guò)0.1mol/LNaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，至粉紅色為終點(diǎn)。交換容量按下式計(jì)算。NaOH毫升數(shù)NaOH當(dāng)量濃度螯合膜螯合膜上具有兩個(gè)或兩個(gè)以上對(duì)金屬離子有很大親和力的功能

交換容量(meq/g)=

樣品質(zhì)量含水率%〕 7-15基團(tuán)，如磺酸-羧酸、磺酸-磷酸、膦酸-羧酸等功能基團(tuán)都屬于螯合型膜。這類膜一般對(duì)特定離子具有選擇性透過(guò)或吸附的力量。如對(duì)聚丙烯-聚苯乙烯微孔膜進(jìn)展氯甲基化、胺化及氯醋酸處理，可以得到對(duì)Cu2+、Hg2+及Cd2+有選擇性的螯合膜等。型離子交換膜還有同時(shí)帶有陽(yáng)離子交換基團(tuán)和陰離子交換基

2．季銨氯型陰膜該膜能與NaNO3或Na2SO4進(jìn)展等量交換，0.1mol/LAgNO3換容量。步驟：對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的季銨氯型陰膜樣品，用濾紙拭去外表附著的水分，準(zhǔn)確稱取樣品1.5g250ml的三角瓶中，參加約1mol/LNaNO3或Na2SO450ml，連續(xù)振搖，使膜沉入水溶液10%酚鉻酸鉀溶液為指示劑，用0.1mol/LAgNO3

反離子遷移數(shù)

CI-=QCI

-/Q

Na++QCI- 7-19標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，至橙紅色不變?yōu)榻K點(diǎn)。交換容量按下式計(jì)算。

式中QNa+——Na+離子所負(fù)載的電量交換容量(meq/g)=

AgNO3

毫升數(shù)AgNO

當(dāng)量濃度3

7-16

QCI-——CI—離子所負(fù)載的電量mm某種離子在膜中的遷移數(shù)可由膜電位計(jì)算：mm二、含水量

樣品質(zhì)量含水率%〕

tg=(EmE

0) /2E

0 7-20含水量指膜內(nèi)與活性基團(tuán)結(jié)合的內(nèi)在水，以每克干膜所含水的克數(shù)表示(％)。膜的含水量與其交換容量和交聯(lián)度有關(guān)，隨著交換容量提高、交聯(lián)度下降，膜的含水量增加。提高膜內(nèi)含水量，可使

式中

一般是20.1molm／LKCI0.2mol／LKCl)下，抱負(fù)膜的膜電位，可由奈恩斯特公式計(jì)算；m般膜的含水率約為20％—40％左右。

Em——在以上條件下的實(shí)測(cè)膜電位。膜的選擇透過(guò)度為反離子在膜內(nèi)遷移數(shù)實(shí)際增值與抱負(fù)增值之比。含水率= 濕膜重量干膜重量100% 7-17

t tp g

tgtg濕膜重量

t0tg g

g 7-21三、膜電阻膜電阻對(duì)電滲析器工作時(shí)所需要的電壓和電能消耗有直接影響。在實(shí)際應(yīng)用中，膜電阻常用面電阻表示，其單位為Ω?cm2。也可以用電阻率(Ω?cm)或電導(dǎo)率(Ω—l·cm—1)來(lái)表示。一般在不影響其他性能的狀況下電阻越小越好，以降低電能消耗。250.1mol／LKCl0.1mol／LNaCI溶液中測(cè)定的膜電導(dǎo)作為比較標(biāo)準(zhǔn)。四、選擇透過(guò)度常用反離子遷移數(shù)和膜的透過(guò)度來(lái)表示膜的離子選擇透過(guò)性。膜內(nèi)離子遷移數(shù)即某一種離子在膜內(nèi)的遷移量與全部離子在膜內(nèi)遷移量的比值。可以用離子遷移所攜帶電量之比來(lái)表示。例如，在陰膜-NaCI溶液體系中膜內(nèi)離子的遷移數(shù)為：同名離子遷移數(shù) tNa+ =QNa+/QNa++QCI- 7-18

式中 t ——反離子在膜中遷移數(shù)；gtg——反離子在溶液中的遷移數(shù)，可從有關(guān)手冊(cè)查到；t 0100％。g用以上方法計(jì)算所得到的反離子遷移數(shù)和選擇透過(guò)度，在肯定程度上能客觀地反映離子交換膜選擇透過(guò)性的好壞。一般要求離子交換膜選擇透過(guò)度大于85％，反離子遷移數(shù)大于0.9另外對(duì)離子交換膜的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性等也應(yīng)有肯定的指標(biāo)要求，以滿足正常使用。第五節(jié)電滲析器一、電滲析器的主要構(gòu)造電滲析器的主要由膜堆、級(jí)區(qū)及夾緊裝置組成，見圖7-6。圖7-6 電滲析器的根本構(gòu)造及組裝形式1-壓緊板；2-墊板；3-電極；4-墊圈；5-導(dǎo)水、極水板；6-陽(yáng)膜；7-淡水隔板框；8-陰膜；9-濃水隔板框—極水；—濃水；……淡水在電滲析器中“膜對(duì)”是最小電滲析工作單元，它由陰膜、淡水隔板、陽(yáng)膜和濃水隔板組成。由假設(shè)干個(gè)膜對(duì)組成的總體稱為“膜器膜堆內(nèi)，前后兩極共同的電極稱為“共電極電滲析器的組裝方式有串聯(lián)、并聯(lián)及串-并聯(lián)相結(jié)合的幾種形指水流方向，水流通過(guò)一個(gè)膜堆后，轉(zhuǎn)變方向進(jìn)入后一個(gè)膜堆，即增加一段。電滲析器的組裝方式有一級(jí)一段、一級(jí)多段、多級(jí)多段7-7是電滲析器的組裝方式示意圖。一級(jí)一段電滲析器即一臺(tái)電滲析器僅含一段膜堆，由于只有一對(duì)端電極，通過(guò)每個(gè)膜對(duì)的電流強(qiáng)度相等。水流通過(guò)膜堆時(shí)，是平行地向同一方向通過(guò)各膜對(duì)，實(shí)際上這樣的膜堆是以并聯(lián)的形式組1張隔板流程長(zhǎng)度的脫鹽率，多用于大、中型制水場(chǎng)地。國(guó)內(nèi)一級(jí)一段電滲析器200~360個(gè)膜對(duì)。2~3段，使用一對(duì)電極，膜堆中通過(guò)每個(gè)膜對(duì)的電流強(qiáng)度相等。這類電滲析器段與段之間的水流方向

圖7-7 電滲析器的“級(jí)”和“段”示意圖相反，內(nèi)部必需裝有用來(lái)轉(zhuǎn)變水流方向的導(dǎo)向隔板，使水流從一段出來(lái)轉(zhuǎn)變方向流入另一段，這種方式實(shí)際是串聯(lián)組裝。在級(jí)內(nèi)分段是為了增加脫鹽流程長(zhǎng)度，以提高脫鹽率。這種形式的電滲析器單臺(tái)產(chǎn)水量較小，壓降較大，脫鹽率較高，適用于中、小型制水場(chǎng)地。多級(jí)多段電滲析器使用共電極使膜堆分級(jí)。一臺(tái)電滲析器含有得更高的脫鹽率，多用于小型海水淡化器和小型純水裝置。二、電滲析器的性能指標(biāo)淡水產(chǎn)量Qd=0.0036nvdb 7-22式中 Qd——單臺(tái)電滲析器在單位時(shí)間內(nèi)的淡水產(chǎn)量，m3/h；n——并聯(lián)的膜對(duì)數(shù)；v——除鹽室中的流速，cm/s；d——隔板厚度，cm；b——隔板流水道寬度，cm；脫鹽率：j d f=(C-C)/C×100% j d 式中 f ——脫鹽率，%；Cj——進(jìn)水含鹽量，mmol/L；dC——出水含鹽量，mmol/L；d電流效率電流效率=理論耗電量/實(shí)際耗電量×100%j =26.8×Qd(C-C)/〔In〕×100% j 式中 I——電流，A；其它符號(hào)同前。電能消耗電能消耗=動(dòng)力電耗+電滲析本體電耗d=0.00272Hdm/η+UI×103(Qη) 7-25d動(dòng) 電式中 U——操作電壓，V；I ——電流，A；H——水泵總揚(yáng)程，m；d——原水比重，t/m3；η——水泵總效率；動(dòng)η0.95；電m——水泵供給的總水量Q與淡水產(chǎn)量Qd的比值。第六節(jié) 電滲析的脫鹽過(guò)程常用的電滲析脫鹽流程主要有連續(xù)式和循環(huán)式兩大類。一、連續(xù)式脫鹽過(guò)程一級(jí)多段一次脫鹽

使用單臺(tái)電滲析器就能到達(dá)制水產(chǎn)量和質(zhì)量要求。系統(tǒng)可以連續(xù)供水，關(guān)心設(shè)備少，動(dòng)力消耗低。膜堆承受一級(jí)多段。這種流程對(duì)產(chǎn)水量和脫鹽率的調(diào)整力量小，多在產(chǎn)水量小而脫鹽率要求較高的狀況下使用。對(duì)于一級(jí)一段的電滲析器，可以由給定的產(chǎn)水量計(jì)算所需膜對(duì)N。N=1000Q/twv 7-26式中 Q——淡水流量，L/s；t——隔室水流道厚度，cm；w——隔室水流道寬度，cm；v——除鹽室中的流速，cm/s；多級(jí)多段一次脫鹽原水經(jīng)過(guò)多臺(tái)電滲析器后，一次到達(dá)脫鹽要求，直接得到成品水，如圖7-8所示。具有連續(xù)出水、管道簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)，但操作彈性小，原水含鹽量變化時(shí)適應(yīng)性差。適應(yīng)于中、大型脫鹽場(chǎng)地。圖7-8 一次連續(xù)式脫鹽流程示意圖〔ED為電滲析器〕當(dāng)串聯(lián)的一級(jí)一段電滲析器的膜對(duì)數(shù)相等，隔室流速一樣，則在極限電流下每級(jí)的脫鹽率根本不變，系統(tǒng)的總脫鹽率f為：

循環(huán)式間歇脫鹽濃水和淡水分別通過(guò)體外循環(huán)槽進(jìn)展循環(huán)，當(dāng)循環(huán)脫鹽到達(dá)成品水質(zhì)指標(biāo)后，輸送至成品水槽，如圖7-9所示。該流程適應(yīng)性強(qiáng)，適用于脫鹽深度大，特別是給水水質(zhì)常常變化，并要求成品水質(zhì)穩(wěn)式中 fp

f1(1f )np——單級(jí)電滲析器脫鹽率，%；

7-27

定的的場(chǎng)合，如流淌式野外淡水車、船用脫鹽裝置和小批量工業(yè)產(chǎn)n——電滲析器的串聯(lián)級(jí)數(shù)。

動(dòng)力消耗大，且只能間歇供水。圖7-9 循環(huán)式間歇脫鹽流程示意圖1-淡水槽；2-濃水槽在循環(huán)式脫鹽過(guò)程中，系統(tǒng)的工藝參數(shù)將隨淡水循環(huán)槽濃度的變化而變化。循環(huán)式連續(xù)脫鹽這種過(guò)程也稱為局部循環(huán)式脫鹽，如圖7-10所示。在電滲析系統(tǒng)出口的成品水中，有一局部要返回到系統(tǒng)的淡水進(jìn)水槽，使淡水濃度降低，以削減電滲析器的串聯(lián)級(jí)數(shù)或段數(shù)。7-10局部循環(huán)式連續(xù)脫鹽流程示意圖局部循環(huán)式脫鹽過(guò)程的淡水流量不等于產(chǎn)水量，一局部淡水要參與回流。操作過(guò)程比較敏捷，但配管簡(jiǎn)單、動(dòng)力消耗較大。依據(jù)物料平衡可以得到以下幾個(gè)關(guān)系式：電滲析器進(jìn)水濃度 CCQ C diG= RQ doG7-28

-離子交換系統(tǒng)相比，陰、陽(yáng)離子交換樹脂所吸附的溶液中的陰、陽(yáng)離子，由電滲析極化過(guò)程的OH—、H+連續(xù)再生，可以連續(xù)地脫除離子,不連續(xù)地生產(chǎn)純水、超純水。為了降低膜堆電阻，可以填充離子導(dǎo)電網(wǎng)?；?-29

f流 量fpff (1f)p

二、含離子交換膜的唐南滲析4CuSO4H2SO4IpH＝1pH=7。由于濃差集中，H+I集中到相SO=將受到陽(yáng)膜的阻擋不能隨H+I集中到相Ⅱ，這就4產(chǎn) 水 量QCdi/Cdo 1(GQ)7-30CR/Cdo1

I與相Ⅱ之間的電勢(shì)差。在該電場(chǎng)力的作用下，Cu++將由相Ⅱ逆濃度差遷移到相IH+濃度差保持在一個(gè)常數(shù)，Cu++將以恒速?gòu)南啖蜻w移到相I，直至兩者濃度差相當(dāng)。這就是唐南〔Donnan〕滲析的原理，見圖7-12。同理，陰離子也可通過(guò)陰膜進(jìn)展類似的過(guò)程。應(yīng)用實(shí)例——為檸檬汁加甜。利用Donnandi式中 di

——電滲析器進(jìn)水濃度，mol/L；

滲析