《分離技術(shù)概論》電滲析精講PPT課件

-,1,分離技術(shù)電滲析,浙江大學材料與化工學院陳歡林教授、張林博士chenhllinzhang,-,2,主要內(nèi)容,基本概念電滲析機理電滲析用膜電滲析的應用,-,3,基本概念,-,4,什么是電滲析？,電滲析是一種電化學過程，利用膜和電位差從水溶液和其它帶荷電的混合物中分離離子物質(zhì)的膜過程。,-,5,什么是電滲析？,利用帶電離子或分子的傳導電流的能力；膜是導電的，允許帶正電荷通過的陽離子交換膜、允許帶負電荷通過陰離子交換膜。,-,6,電滲析的發(fā)展,1890年，Ostwald揭示：若膜對陽離子和陰離子都不能滲透，則膜對任何電解質(zhì)均不滲透；1911年，Donnan提出了描述濃度平衡的數(shù)學方程，產(chǎn)生了Donnan排斥機理；1925年，Michaelis和Fujita用均相弱酸性棉膠膜(焦木素Pyroxyline)進行了離子選擇性膜的基礎(chǔ)研究；1940年，Wassenegger和Jaeger用酚-甲醛縮聚樹脂研制了離子交換膜；1950-1953年，Ionics公司、Rohm和Haas公司分別制備出商業(yè)化離子交換膜。,-,7,電滲析技術(shù)的特點,無化學添加劑、環(huán)境污染??；對原水含鹽量變化適應性強；操作簡單，易于實現(xiàn)機械化和自動化；設(shè)備緊湊耐用，預處理簡單；水利用率高。,-,8,電滲析種類,倒極電滲析：一定時間間隔正、負極互換，能自動清洗離子交換膜和電極表面形成的污垢、確保離子交換效率的長期穩(wěn)定性及水質(zhì)；填充床電滲析：將電滲析和離子交換結(jié)合起來；集中二者優(yōu)點，提高極限電流密度和電流效率的作用，離子交換樹脂被填充于淡化室外，被離子交換樹脂稀飯的離子在電場力作用下不斷遷移入濃水室，這樣離子交換樹脂不需再生，原料液中的離子可完全被除去；,-,9,電滲析種類,液膜電滲析：利用液膜來代替電滲析裝置中的固態(tài)粒子交換膜，對于濃縮和提純貴重金屬具有高效性；高溫電滲析：進料為高溫溶液，降低了溶液粘度，提高擴散速率，增大溶液和膜的電導，從而提高了允許密度，提高設(shè)備的生產(chǎn)能力降低動力消耗；雙極膜電滲析：雙極膜是由陽離子交換膜和陰離子交換膜以及中間界面親水層組成，當在陽極和陰極之間施加電壓時，電荷通過離子進行傳遞，如果沒有離子存在，則電流將由水解離出的氫離子和氫氧根離子傳遞。,-,10,卷式電滲析器,-,11,填充床電滲析器,-,12,雙極膜電滲析,A為陰膜，B為雙極膜，C為陽膜,-,13,電滲析機理,-,14,電滲析與反滲透,-,15,電滲析與反滲透,不同點：反滲透過程，水是在低壓下透過膜，必要能耗是水分子透過膜在通道中摩擦引起的，表明與原水濃度無關(guān)；電滲析過程，是離子透過膜，從淡水側(cè)遷移到濃水側(cè)，必要能耗是離子透過膜通道中摩擦引起的，與原水濃度成正比。,-,16,電滲析膜對結(jié)構(gòu)圖,-,17,離子膜內(nèi)外離子平衡,-,18,膜產(chǎn)品及膜骨架分類,-,19,離子膜的主要技術(shù)指標,-,20,脫鹽室中液體流路尺寸,-,21,普通電滲析工藝過程,-,22,硬水的軟化的陽離子電滲析,-,23,檸檬汁減酸陰離子膜電滲析,-,24,氨基酸電滲析過程,-,25,電滲析中的傳遞現(xiàn)象,-,26,電滲析中的傳遞,a.反離子遷移，也即為與膜上固定離子基團電荷相反的離子的遷移。b；同名離子的迂移，也即為與膜上固定離子(基團)電荷相同的離子的遷移。c電解質(zhì)的滲析，這種滲析主要由于膜兩側(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散。d水的滲透，隨著電滲析的進行，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。e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。f水的電滲析，由于離子的水合作用，在反離和同名離子遷移時，會攜帶一定的水分子遷移。g壓差滲漏，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。,-,27,電流密度與極限電流密度,-,28,WILLSONEQUATION,實際操作電流密度,-,29,極限電流密度的測定,-,30,極限電流的檢測,電流電壓法,-,31,某些類型隔板的經(jīng)驗系數(shù),-,32,不同水型的水力常數(shù)、m、n值,-,33,電流效率電流效率表示電滲析過程中電流利用程度,式中，法拉第常數(shù)F為26.8?？帑}水脫鹽：電流效率一般為90-95%海水脫鹽：為70-85%。,-,34,出口濃度計算,式中，ki、n為Wilson常數(shù)。,-,35,極限電流下的脫鹽率,當電滲析器確定后，d、L為常數(shù)，處理水型確定后，ki、n和也是常數(shù).,-,36,經(jīng)驗脫鹽率計算式,不同水型的經(jīng)驗常數(shù),-,37,脫鹽能耗,式中，WN為電滲析遷移單位克當量電解質(zhì)所需能耗,kw.h/NQd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。,-,38,膜對電壓計算,式中UP為單位膜對電壓降（V）；k、為與處理水型有關(guān)的常數(shù)，對碳酸氫鹽水型分別為0.065、0.1589、0.67。,-,39,膜堆電壓,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(gòu)成。膜堆電壓與極區(qū)電壓之和為電滲析器總電壓，即式中，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。,-,40,膜對電阻,式中，RP為單位膜對電阻；a1/Ca為濃、淡水隔室的當量平均濃度；a2項為溶液電阻；a3為膜電組項；a3Ca為校正項，處理低濃度水時可忽略不計。,用DSAII-1型電滲析器處理碳酸氫鹽水型時，,-,41,水泵功率的三種計算,式中，Q為水泵流量（m3/s）；為流體密度(kg/m3)；為水泵效率；為傳動效率；K為選用電動機安全系數(shù)，通常取1.1-1.2。,-,42,液體在各種組裝形式電滲析器中的流動,(a)一級一段并聯(lián)(b)二級一段并聯(lián)(c)一級二段串聯(lián)(d)二級二段串聯(lián),-,43,一次連續(xù)脫鹽式,C-濃縮室；D-脫鹽室,-,44,部分循環(huán)連續(xù)脫鹽式,C-濃縮室；D-脫鹽室,-,45,間歇（循環(huán)）脫鹽式,C-濃縮室；D-脫鹽室,-,46,電滲析級數(shù)計算,式中,n為脫鹽級數(shù);fP為單級脫鹽率.,-,47,多級部分循環(huán)連續(xù)式脫鹽過程串聯(lián)級數(shù)與產(chǎn)品脫鹽比的關(guān)系,淡水濃度及處理量表示，式中，CF、CP分別為料液及產(chǎn)品濃度，QR、QF分別為脫鹽室內(nèi)循環(huán)流量及進料流量。,-,48,膜對數(shù)（面積）計算,各脫鹽級采用等流速運行，任何兩級的電流密度之比等于該兩級淡水對數(shù)濃度之比，,-,49,電滲析的濃差極化現(xiàn)象,注：濃差極化總是發(fā)生在淡水室,-,50,倒極電滲析（EDR)工藝流程,-,51,雙極膜及其水離解原理,-,52,雙極膜電滲析過程示意圖,-,53,離子交換膜,-,54,離子交換膜的分類,按結(jié)構(gòu)和制備方法分：均相膜通過功能單體聚合而制備；異相膜通過熔壓離子交換樹脂和顆粒聚合物，或通過在溶液中分散離子交換樹脂或熔融聚合物而制備。,-,55,離子交換膜的制備,單體聚合或縮聚：其中至少有一種單體必須含有一種自身為或能變成陽離子或陰離子的基團；在固化膜中引入陰離子或陽離子成分；將陰離子或陽離子引入高分子，然后制膜。,-,56,單體的聚合和縮聚,酚與甲醛縮聚,-,57,單體的聚合和縮聚,苯乙烯與二乙烯苯聚合，隨后磺化或胺化,-,58,單體的聚合和縮聚,苯乙烯與二乙烯苯聚合，隨后磺化或胺化,-,59,陰離子或陽離子引入固化膜,對于將陰離子或陽離子引入預型膜，單體可能含有交聯(lián)劑或通過輻射技術(shù)將單體接枝到預型膜上。,-,60,陰離子或陽離子引入固化膜,陽離子交換膜的制備,-,61,陰離子或陽離子引入固化膜,陰離子交換膜的制備,-,62,陰離子或陽離子基團引入高分子鏈,聚砜磺化反應,-,63,異相離子交換膜的制備,異相膜含有細小的膠狀離子交換樹脂粒子，粒子包埋在膠合物中(聚乙烯、苯酚樹脂、聚氯乙烯等)。將離子交換樹脂顆粒壓延成惰性塑性膜片；干態(tài)膜壓形成惰性膜片的高分子和離子交換樹脂顆粒，再將膜壓塊碾碎；將離子交換顆粒分散在能形成膜的高分子溶液中，再將溶液蒸發(fā)，制得離子交換膜；將離子交換樹脂顆粒分子在部分聚合混合高分子單體中，然后進行聚合反應。,-,64,特殊離子交換膜,一價離子選擇滲透膜NeoseptaCMS一價陽離子選擇膜；NeoseptaACS一價陰離子選擇膜。Tokuyama和Soda在海水脫鹽過程中開發(fā)而得。,-,65,特殊離子交換膜,質(zhì)子選擇滲透陽離子交換膜：在膜表層涂覆上特殊的陽離子荷電層，提高膜對氫離子具有良好的滲透性。高質(zhì)子截留的陰離子交換膜：采用傳統(tǒng)的離子交換膜，由于質(zhì)子泄漏，電滲析無法回收酸。,-,66,特殊離子交換膜,抗污染的陰離子交換膜由于膜污染的緣故，陰離子交換膜比陽離子交換膜允許的電流強度小。當陰離子很小時，能進入膜內(nèi)，膜被堵塞，膜的電遷移性能很差，可以通過調(diào)節(jié)膜的交聯(lián)度和高分子網(wǎng)絡中交聯(lián)體的鏈長來提高陰離子交換膜對大有機酸的滲透性。,-,67,特殊離子交換膜,抗污染的陰離子交換膜,-,68,特殊離子交換膜,碳氟化型陽離子交換膜為了克服碳氫化合物膜被氧化劑氧化分解，把離子交換膜用于氯堿工業(yè)中，DuPont公司開發(fā)出的該類膜。,-,69,特殊離子交換膜,碳氟化型陽離子交換膜制備方法,-,70,特殊離子交換膜,耐堿的陰離子交換膜陰離子交換膜在強堿中的穩(wěn)定性較差：因為陰離子交換膜的堿穩(wěn)定性是由引入的荷正電基團對-OOH腐蝕的穩(wěn)定性所控制。,-,71,特殊離子交換膜,耐堿的陰離子交換膜制備方法,-,72,電滲析的應用,-,73,電滲析的應用,-,74,電滲析苦咸水淡化,當原水含量低于5000ppm，電滲析與反滲透、多級閃蒸相比最為經(jīng)濟。電滲析能將鹽液濃縮到較高的程度(18-20wt%)而不影響過程的經(jīng)濟性。,-,75,電滲析食鹽生產(chǎn),采用電滲析將海水中的NaCl濃縮到200g/L再進行蒸發(fā)。目前安裝膜面積達到了500000m2，產(chǎn)量為350000t/y。技術(shù)關(guān)