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(guò)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(dòng)力作用下，利用特定膜的透過(guò)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(chēng)為膜分離法。 膜分離的推動(dòng)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(wú)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(dòng)力與分離對(duì)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(guò)膜的過(guò)程稱(chēng)為滲透，溶質(zhì)透過(guò)膜的過(guò)程稱(chēng)為滲析。 1.電滲析（ED）：在外加電場(chǎng)的作用下，利用陰、陽(yáng)離

2、子交換膜對(duì)陰、陽(yáng)離子的選擇透過(guò)性，把電解質(zhì)從水溶液中分離出來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(yáng)離子交換膜對(duì)溶液中陰陽(yáng)離子的選擇透過(guò)性，而使溶液中的溶質(zhì)與水分離的一種物理化學(xué)過(guò)程。u陰膜只讓陰離子穿過(guò)；陽(yáng)膜只讓陽(yáng)離子穿過(guò)。u電極兩側(cè)會(huì)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(yáng)極氧化反應(yīng) 4OH-O2+2H2O+4e 陽(yáng)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(chēng)為電滲析器。 在電滲析過(guò)程中，電能的消耗主要用來(lái)克服電流通過(guò)溶液、膜時(shí)所受到的阻力以及進(jìn)行電極反應(yīng)。運(yùn)行時(shí)，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(guò)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(yáng)陽(yáng)陰陰陽(yáng)陽(yáng)陰陰陽(yáng)陽(yáng)陰陰陽(yáng)陽(yáng)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(yáng)極陽(yáng)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(guò)性能，主要分為陽(yáng)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(shù)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(jià)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(lèi) 均相膜指整張膜完全是按離子交換樹(shù)脂的制造工藝

5、制成的，是將樹(shù)脂的母體連接起來(lái)，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(méi)有化學(xué)結(jié)合。 選擇透過(guò)性：離子交換膜的選擇透過(guò)性實(shí)際上并不是那樣理想的，因?yàn)榭偸怯猩倭康耐?hào)離子(即與膜上的固定活性基電荷符號(hào)相同的離子)同時(shí)透過(guò)。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(yáng)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?cè)谡麄€(gè)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(yáng)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(duì)游離離子的運(yùn)動(dòng)并無(wú)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(dòng)，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(shì)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(shì)，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(chēng)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(shí)，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(shí)，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(chēng)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(yáng)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(yáng)膜陽(yáng)膜陰膜陰膜陰極陰極陰膜陰膜1. 膜堆 陰、陽(yáng)膜和一對(duì)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(chēng)為膜對(duì)。電極之間由若干組膜對(duì)堆疊一起即為膜堆。 用于隔開(kāi)陰、陽(yáng)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(dòng)水流用的隔網(wǎng)。常用的隔網(wǎng)有魚(yú)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(duì)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(jià)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(jiǎn)稱(chēng)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(guò)氧化鉛（ PbO2 ）等。 （2） 極水室 直接與電極相接觸的隔室稱(chēng)為極水室。極水室是由供極水流動(dòng)的隔板構(gòu)成,對(duì)極水室的要求是極水暢通,并能及時(shí)排去電極反應(yīng)產(chǎn)生的氣體和沉淀物,這也是電滲析過(guò)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(lái)把整個(gè)極區(qū)與膜堆均勻夾緊，使電滲析器在壓力下運(yùn)行時(shí)不致漏水。壓緊裝置主要由槽鋼加強(qiáng)的鋼板制成，緊固時(shí)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(jí)”和“段”來(lái)說(shuō)明。一對(duì)電極之間的膜堆為一級(jí)，具有同向水流的并聯(lián)膜堆稱(chēng)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(jí)數(shù)，則可提高水處理量。 一臺(tái)電滲析器的組裝方式常有如下四種方式：一級(jí)一段；多級(jí)一段；一級(jí)多段；多級(jí)多段。 一級(jí)一段是一臺(tái)電滲析器的基本組裝方式，可采用多臺(tái)并聯(lián)的方式來(lái)增加水量；也可采用多臺(tái)串聯(lián)來(lái)增加

11、脫鹽效率。對(duì)于小水量，可以采用一級(jí)多段組裝方式。一級(jí)一段一級(jí)一段 二級(jí)一段二級(jí)一段 一級(jí)二段一級(jí)二段 二級(jí)二段二級(jí)二段電滲析器用于水的淡化時(shí)，一個(gè)淡室實(shí)際去除的鹽量與通過(guò)理論計(jì)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(shí)，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(guò)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(guò)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(huì)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(guò)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(shí)，會(huì)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(guò)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(shí)，每單位面積膜通過(guò)的電流。膜界

14、面現(xiàn)象：在一定電流密度下，陽(yáng)離子在陽(yáng)膜內(nèi)的遷移量大于陽(yáng)離子在溶液中的遷移量時(shí)，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(guò)大的電流密度會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)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(guò)，則在界面層中由水離解為H+和OH-，使之傳送電流。此時(shí)的電流密度稱(chēng)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(shí)，與流速成正比；（2）流速一定時(shí)，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(duì)數(shù)相同時(shí)，極限

15、電流密度依次降低。六、極限電流密度測(cè)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(cè)定與其對(duì)應(yīng)的電流值；（3）以電壓對(duì)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(jiàn)問(wèn)題，其危害如下。（1）降低電流放率：由于極化時(shí)、導(dǎo)致水分子大量解離，在電場(chǎng)作用下，水的解離造成H+和OH-離子的遷移，可見(jiàn)其部分電能消耗在水的解離和與脫鹽無(wú)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(huì)在濃水室陰膜表面上產(chǎn)生沉淀，形成水垢，對(duì)運(yùn)行帶來(lái)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(duì)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(shí)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(guò)低，易造成沉積；流速過(guò)大，壓力過(guò)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(lái)水 飲用水初級(jí)純水（鍋爐或醫(yī)藥用）高級(jí)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(guò)低，溶液電阻大，不經(jīng)濟(jì)（電滲析離子交換樹(shù)脂