電滲析與電除鹽

關于電滲析與電除鹽一、離子交換膜1.離子交換膜的分類（1）按可交換離子性質分類與離子交換樹脂類似，離子交換膜按其可交換離子的性能可分為陽離子交換膜、陰離子交換膜和雙極離子交換膜。這三種膜的可交換離子分別對應為陽離子、陰離子和陰陽離子。第2頁,共43頁，2024年2月25日，星期天（2）按膜的結構和功能分類按膜的結構與功能可將離子交換膜分為普通離子交換膜、雙極離子交換膜和鑲嵌膜三種。普通離子交換膜一般是均相膜，利用其對一價離子的選擇性滲透進行海水濃縮脫鹽；雙極離子交換膜由陽離子交換層和陰離子交換層復合組成，主要用于酸或堿的制備；鑲嵌膜由排列整齊的陰、陽離子微區(qū)組成，主要用于高壓滲析進行鹽的濃縮、有機物質的分離等。第3頁,共43頁，2024年2月25日，星期天2.離子交換膜的工作原理（1）電滲析在鹽的水溶液（如氯化鈉溶液）中置入陰、陽兩個電極，并施加電場，則溶液中的陽離子將移向陰極，陰離子則移向陽極，這一過程稱為電泳。如果在陰、陽兩電極之間插入一張離子交換膜（陽離子交換膜或陰離子交換膜），則陽離子或陰離子會選擇性地通過膜，這一過程就稱為電滲析。第4頁,共43頁，2024年2月25日，星期天電滲析的核心是離子交換膜。在直流電場的作用下，以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質從溶液中分離出來，實現溶液的淡化、濃縮及鈍化；也可通過電滲析實現鹽的電解，制備氯氣和氫氧化鈉等。圖4—5為用于食鹽生產的電滲析器的示意圖。第5頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

圖4—5食鹽生產電滲析器示意圖A：陰離子膜，K：陽離子膜；D：稀室，C：濃室第6頁,共43頁，2024年2月25日，星期天（2）膜電解膜電解的基本原理可以通過NaCl水溶液的電解來說明。在兩個電極之間加上一定電壓，則陰極生成氯氣，陽極生成氫氣和氫氧化鈉。陽離子交換膜允許Na+滲透進入陽極室，同時阻攔了氫氧根離子向陰極的運動，在陽極室的反應是：2Na++2H2O+2e=2NaOH+H2在陰極室的反應為：2Cl－－2e=Cl2第7頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

用氟代烴單極或雙極膜制備的的電滲析器已成為用于制備氫氧化鈉的主要方法，取代了其他制備氫氧化鈉的方法。如果在膜的一面涂上一層陰極的催化劑，在另一面涂一層陽極催化在這兩個電極上加上一定的電壓，則可電解水，在陽極產生氫氣，而在陰極產生氧氣。第8頁,共43頁，2024年2月25日，星期天3.電滲析技術應用領域

自電滲析技術問世后，其在苦咸水淡化，飲用水及工業(yè)用水制備方面展示了巨大的優(yōu)勢。隨著電滲析理論和技術研究的深入，我國在電滲析主要裝置部件及結構方面都有巨大的創(chuàng)新，僅離子交換膜產量就占到了世界的1/3。我國的電滲析裝置主要由國家海洋局杭州水處理技術開發(fā)中心生產，現可提供200m3/d規(guī)模的海水淡化裝置。第9頁,共43頁，2024年2月25日，星期天電滲析技術在食品工業(yè)、化工及工業(yè)廢水的處理方面也發(fā)揮著重要的作用。特別是與反滲透、納濾等精過濾技術的結合，在電子、制藥等行業(yè)的高純水制備中扮演重要角色。此外，離子交換膜還大量應用于氯堿工業(yè)。全氟磺酸膜（Nafion）以化學穩(wěn)定性著稱，是目前為止唯一能同時耐40％NaOH和100℃溫度的離子交換膜，因而被廣泛應用作食鹽電解制備氯堿的電解池隔膜。第10頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

全氟磺酸膜還可用作燃料電池的重要部件。燃料電池是將化學能轉變?yōu)殡娔苄首罡叩哪茉?，可能成?1世紀的主要能源方式之一。經多年研制，Nafion膜已被證明是氫氧燃料電池的實用性質子交換膜，并已有燃料電池樣機在運行。但Nafion膜價格昂貴（700美元/m2），故近年來正在加速開發(fā)磺化芳雜環(huán)高分子膜，用于氫氧燃料電池的研究，以期降低燃料電池的成本。第11頁,共43頁，2024年2月25日，星期天一、電滲析（electrodialysis)*電滲析是一種利用電能來進行的膜分離技術，這種設備是以直流電為推動力，在外加電場作用下，利用陰陽離子交換膜對溶液中電解質離子的選擇透過性，使溶液中的陰陽離子發(fā)生分離的一種理化過程。*這種設備由于其能耗低、產水量大、脫鹽率高、穩(wěn)定性強等特點。*廣泛應用于醫(yī)藥、電子、化工、食品、硬水軟化、海水淡化等方面。我國始于50年代。第12頁,共43頁，2024年2月25日，星期天13

1.原理和工作過程

用特制的半透膜(semi-permeablemembrane)將濃度不同的溶液隔開，溶質即從濃度高的一側透過膜而擴散(diffusion)到濃度低的一側，這種現象稱為滲析作用(dialysis)，也稱擴散滲析、濃差滲析。電滲析的原理是在直流電場的作用下，依靠對水中離子有選擇透過性的離子交換膜(ionexchangemembrane)，使離子從一種溶液透過離子交換膜進入另一種溶液，以達到分離、提純、濃縮、回收的目的。第13頁,共43頁，2024年2月25日，星期天電滲析過程示意圖

－＋

濃水

陽膜,只允許陽離子通過

陰膜,只允許陰離子通過

電極淡水

出水時

陽離子陰離子進水時

進水

濃水室淡水室第14頁,共43頁，2024年2月25日，星期天2.離子交換膜

離子交換膜具有與離子交換樹脂相同的組成，含有活性基團和能使離子透過的細孔。常用的離子交換膜按其選擇透過性可分為陽膜、陰膜、復合膜等數種。陽膜(cationexchangemembrane)含有陽離子交換基團，在水中交換基團發(fā)生離解，使膜上帶有負電，能排斥水中的陰離子，吸引水中的陽離子并使其通過。第15頁,共43頁，2024年2月25日，星期天陰膜(anionexchangemembrane)含有陰離子交換基團，在水中離解出陰離子，使膜上帶正電，吸引陰離子并使其通過。復合膜復合膜由一面陽膜和一面陰膜其間夾一層極薄的網布做成，具有方向性的電阻。當陽膜面朝向陰極，陰膜面朝向陽極時，正、負離子都不能透過膜，顯示出很高的電阻。當膜的朝向與上述相反時，膜電阻降低，膜兩側相應的離子進入膜中。

第16頁,共43頁，2024年2月25日，星期天3.電滲析器

電滲析器的組裝示意圖第17頁,共43頁，2024年2月25日，星期天基本結構第18頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

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、負電極之間的膜堆稱為一級具有同一水流方向的并聯膜堆稱為一段第19頁,共43頁，2024年2月25日，星期天實際應用的電滲析器第20頁,共43頁，2024年2月25日，星期天第21頁,共43頁，2024年2月25日，星期天第22頁,共43頁，2024年2月25日，星期天第23頁,共43頁，2024年2月25日，星期天二、電除鹽（EDI）1.簡介

EDI概念最早是wallers等人于1955年提出的，1957年kallaman等人就申請了專利，但由于樹脂充填技術的困難，直到1987年才由Millpore公司推出第一臺商業(yè)化EDI，它一出現，就受到廣泛重視，目前世界上僅有4家公司生產EDI。

EDI，稱為電除鹽（Electrodeionization,EDI），或填充床電滲析，或連續(xù)電除鹽（ContinuousDeionization,CDI。EDI是將離子交換技術和電滲析技術巧妙結合，并取兩者之長彌補對方之短的一種新型純水處理技術。離子交換樹脂具有深度脫鹽之優(yōu)點，可以克服電滲析因極化現象而脫鹽不徹底之缺點；然而電滲析因極化現象發(fā)生水解電離產生的氫離子（H+）和氫氧離子（OH-）恰巧可用于離子交換樹脂的再生。第24頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

EDI工作原理圖1—陰離子可透膜；2—陽離子可透膜；3—陰離子交換劑；4—陽離子交換劑；5—濃水室；6—淡水室第25頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

EDI裝置因在其淡水室中填充了離子交換樹脂，離子交換樹脂的導電性能比與之相接觸水的導電性能要高2-3個數量級，這樣有效的提高了電滲析的極限電流密度，加快了離子的遷移速，減弱了電滲析的極化現象，從而實現了深度除鹽的目的。另外，離子交換樹脂在淡水室中對水流有擾動作用，能改善水流狀態(tài)，促進離子擴散，可提高極限電流密度。同時，離子交換樹脂對水中離子有較強的捕捉能力，可以將水中離子吸附在樹脂顆粒上，被吸附的離子在電場作用下，通過樹脂顆粒搭建的離子傳輸通道遷移到膜表面（EDI裝置中離子的遷移發(fā)生在樹脂顆粒相、溶液相或二者的混合相中），透過離子選擇性膜進人濃水室，提高了電滲析對離子的去除效果。第26頁,共43頁，2024年2月25日，星期天第27頁,共43頁，2024年2月25日，星期天膜法EDI水處理系統(tǒng)圖第28頁,共43頁，2024年2月25日，星期天大型EDI裝置第29頁,共43頁，2024年2月25日，星期天EDI作原理1.進水進入樹脂和膜的間隔2.樹脂捕獲水中離子

3.電場使離子向電極移動4.陽膜只允許陽離子通過5.陰膜只允許陰離子通過6.水被分解，再生離子交換樹脂7.濃縮的離子進入到廢水中8.淡水室產出純水

第30頁,共43頁，2024年2月25日，星期天

EDI膜堆主要由兩個電性相反的電極和多個模塊單元對組成，一個膜單元對由一個填滿陽離子和陰離子交換樹脂的淡水室（D-室）、一個陽膜、一個陰膜、一個濃水室（C-室）組成。EDI膜堆包含多個膜單元對。在每個膜堆的內部有兩個帶有600V電壓的電極，是每個膜堆必需的電壓。正極帶正電壓，負極帶負電壓，電流在正極和負極之間通過30個膜單元。任一個淡水室都包含著陽樹脂和陰樹脂，它相當于一個8千米厚的混床。一個陽膜朝著陰極的方向把淡水室和濃水室分開，在另外一邊，陰膜也把淡水市和濃水室分開。EDI膜是離子交換樹脂膜，只允許帶適當電荷的離子通過，水基本上不能通過。樹脂通過水的分離持續(xù)的再生。在電場中，水分子被分離成H+和OH-

，被異性電荷相吸，H+通過陽陽樹脂移向陰極的方向，OH-通過陰樹脂移向陽極的方向。這種H+和OH-的遷移再生了樹脂，陽膜允許H+通過進入濃水室，陰膜允許OH-通過也進入濃水室，H+和OH-結合生成生產的水。濃水室中自己水的流動將帶走水中的陰陽離子。膜阻止帶相反電荷的離子的進入淡水室在水流通過淡水室的過程中，離子被樹脂去除，所以膜的有效側（淡水室）就會產生純水。第31頁,共43頁，2024年2月25日，星期天2.EDI制水特點

在EDI中，90%到95%的水流過淡水室，水流并行的通過多個膜堆，每個膜堆都并聯很多個淡水室，水流一次性的通過淡水室，流出來的就是高純水。另外的5%-10%被送到濃水室，其中3%-8%流出EDI后作為補充水，2%用來沖洗電極。濃水的再循環(huán)增加了水的電導率而要增加EDI系統(tǒng)通過的電流。EDI廢水的pH主要由給水的品質決定。通常都是品質很好的水，pH接近中性。排放的濃水可以通過返回到進水口進行回收，極水包含低濃度的氫氣、氧氣和氯氣要送到一個通風的地方進行排放。第32頁,共43頁，2024年2月25日，星期天4.EDI的布置特點

EDI最適合于應用在經RO脫鹽后的水質精處理階段。EDI設備無需化學藥劑的再生，可以連續(xù)運行。在具體的應用中，僅調節(jié)EDI的運行電流就可以改變其出水水質。在進水電導率為60ms/cm或更低的條件下，EDI可制出0.0555~1.0μs/cm（1~18MΩ.cm）的產品水。5.EDI運行中濃水中加入NaCl

濃水中加入NaCl的主要作用是維持濃水運行電導在150-500μS/cm之間，以維持EDI系統(tǒng)的電流，確保EDI系統(tǒng)有效的運行。第33頁,共43頁，2024年2月25日，星期天6.EDI的優(yōu)點

a、不需要酸堿再生。

b、可連續(xù)生產。電除鹽的生產是連續(xù)的，沒有混床復雜的再生操作。

c、不需要處理廢酸堿。電除鹽的濃水可以直接排放或返回到RO的進口（EDI中濃水量比純水少得多）。

d、安裝條件簡單，占地面積小，大部分標準廠房都能滿足。

e、系統(tǒng)設計簡單。電除鹽的模塊設計很容易把它的流量做到450噸/小時甚至更高。

f、運行成本低。與各種混床相比，在價格上有競爭性。

g、維修或增減設備的容量都很容易。

h．水質穩(wěn)定。不會有普通混床那樣的水質變化。

i．標準設計。利用標準單元，如同搭積木般的組合，可以滿足用戶不同產水量的需要。第34頁,共43頁，2024年2月25日，星期天E-CELL公司EDI進水指標序號項目單位指標1TEA（總陰離子含量）ppm<252電導率Us/cm<653PH值

5-94總硬度ppm(以CaCO3計)<1.05SiO2ppm<0.56TOCppm<0.57余氯ppm<0.058Fe，Mn，H2Sppm<0.019SDI（15min）

<1.010油和脂類

無11濁度NTU<1.012氧化劑

無13色度APHA<5第35頁,共43頁，2024年2月25日，星期天某EDI出水水質第36頁,共43頁，2024年2月25日，星期天7.EDI工藝設計及運行中應注意的問題a、EDI對進水水質有較嚴格的要求

EDI對進水水質要求進水為反滲透出水。b、對硅的去除能力是評價EDI設備的一個重要指標

c、水中CO2對EDI產水品質影響較大d、運行中電極反應產生的氣體需及時排出e、EDI對進水溫度有一定的要求

EDI要求進水溫度在15-35℃。f、水流速度對EDI產水質量有一定影響水流速一般要求控制在0.5-1.0cm/s。第37頁,共43頁，2024年2月25日，星期天8.EDI的缺點

a.對細菌的抗污染能力較低，當有細菌在其內部繁殖時，將會大幅度降低膜堆的性能，所以一般要求停機超過3天，就必須注入5％的NaCI溶液進行保護，或者是不間斷運行，防止細菌生長。

c.對于電子級高純水，還需要連接不再生混床進一步提高或保障產品水電導率。

d.EDI的系統(tǒng)性或者其壽命還不是很高。第38頁,共43頁，2024年2月25日，星期天五、全膜處理應用事例1、前灣燃機電廠膜法除鹽水處理系統(tǒng)

自來水—超濾裝置(UF)—反滲透裝置(R0)—電除鹽裝置(EDI)—除鹽水箱。

1)超濾裝置：共