電滲析與電除鹽

關(guān)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(zhì)分類與離子交換樹(shù)脂類似，離子交換膜按其可交換離子的性能可分為陽(yáng)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(duì)應(yīng)為陽(yáng)離子、陰離子和陰陽(yáng)離子。第2頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）按膜的結(jié)構(gòu)和功能分類按膜的結(jié)構(gòu)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(duì)一價(jià)離子的選擇性滲透進(jìn)行海水濃縮脫鹽；雙極離子交換膜由陽(yáng)離子交換層和陰離子交換層復(fù)合組成，主要用于酸或堿的制備；鑲嵌膜由排列整齊的陰、陽(yáng)離子微區(qū)組成，主要用于高壓滲析進(jìn)行鹽的濃縮、有機(jī)物質(zhì)的分離等。第3頁(yè),共43頁(yè)，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(yáng)兩個(gè)電極，并施加電場(chǎng)，則溶液中的陽(yáng)離子將移向陰極，陰離子則移向陽(yáng)極，這一過(guò)程稱為電泳。如果在陰、陽(yáng)兩電極之間插入一張離子交換膜（陽(yáng)離子交換膜或陰離子交換膜），則陽(yáng)離子或陰離子會(huì)選擇性地通過(guò)膜，這一過(guò)程就稱為電滲析。第4頁(yè),共43頁(yè)，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(chǎng)的作用下，以電位差為推動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過(guò)性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來(lái)，實(shí)現(xiàn)溶液的淡化、濃縮及鈍化；也可通過(guò)電滲析實(shí)現(xiàn)鹽的電解，制備氯氣和氫氧化鈉等。圖4—5為用于食鹽生產(chǎn)的電滲析器的示意圖。第5頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天

圖4—5食鹽生產(chǎn)電滲析器示意圖A：陰離子膜，K：陽(yáng)離子膜；D：稀室，C：濃室第6頁(yè),共43頁(yè)，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(guò)NaCl水溶液的電解來(lái)說(shuō)明。在兩個(gè)電極之間加上一定電壓，則陰極生成氯氣，陽(yáng)極生成氫氣和氫氧化鈉。陽(yáng)離子交換膜允許Na+滲透進(jìn)入陽(yáng)極室，同時(shí)阻攔了氫氧根離子向陰極的運(yùn)動(dòng)，在陽(yáng)極室的反應(yīng)是：2Na++2H2O+2e=2NaOH+H2在陰極室的反應(yīng)為：2Cl－－2e=Cl2第7頁(yè),共43頁(yè)，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(yáng)極催化在這兩個(gè)電極上加上一定的電壓，則可電解水，在陽(yáng)極產(chǎn)生氫氣，而在陰極產(chǎn)生氧氣。第8頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.電滲析技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

自電滲析技術(shù)問(wèn)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(shì)。隨著電滲析理論和技術(shù)研究的深入，我國(guó)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。我國(guó)的電滲析裝置主要由國(guó)家海洋局杭州水處理技術(shù)開(kāi)發(fā)中心生產(chǎn)，現(xiàn)可提供200m3/d規(guī)模的海水淡化裝置。第9頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天電滲析技術(shù)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(guò)濾技術(shù)的結(jié)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(yīng)用于氯堿工業(yè)。全氟磺酸膜（Nafion）以化學(xué)穩(wěn)定性著稱，是目前為止唯一能同時(shí)耐40％NaOH和100℃溫度的離子交換膜，因而被廣泛應(yīng)用作食鹽電解制備氯堿的電解池隔膜。第10頁(yè),共43頁(yè)，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(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苄首罡叩哪茉?，可能成?1世紀(jì)的主要能源方式之一。經(jīng)多年研制，Nafion膜已被證明是氫氧燃料電池的實(shí)用性質(zhì)子交換膜，并已有燃料電池樣機(jī)在運(yùn)行。但Nafion膜價(jià)格昂貴（700美元/m2），故近年來(lái)正在加速開(kāi)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(yè),共43頁(yè)，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(lái)進(jìn)行的膜分離技術(shù)，這種設(shè)備是以直流電為推動(dòng)力，在外加電場(chǎng)作用下，利用陰陽(yáng)離子交換膜對(duì)溶液中電解質(zhì)離子的選擇透過(guò)性，使溶液中的陰陽(yáng)離子發(fā)生分離的一種理化過(guò)程。*這種設(shè)備由于其能耗低、產(chǎn)水量大、脫鹽率高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。*廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、電子、化工、食品、硬水軟化、海水淡化等方面。我國(guó)始于50年代。第12頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天13

1.原理和工作過(guò)程

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

－＋

濃水

陽(yáng)膜,只允許陽(yáng)離子通過(guò)

陰膜,只允許陰離子通過(guò)

電極淡水

出水時(shí)

陽(yáng)離子陰離子進(jìn)水時(shí)

進(jìn)水

濃水室淡水室第14頁(yè),共43頁(yè)，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(shù)脂相同的組成，含有活性基團(tuán)和能使離子透過(guò)的細(xì)孔。常用的離子交換膜按其選擇透過(guò)性可分為陽(yáng)膜、陰膜、復(fù)合膜等數(shù)種。陽(yáng)膜(cationexchangemembrane)含有陽(yáng)離子交換基團(tuán)，在水中交換基團(tuán)發(fā)生離解，使膜上帶有負(fù)電，能排斥水中的陰離子，吸引水中的陽(yáng)離子并使其通過(guò)。第15頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天陰膜(anionexchangemembrane)含有陰離子交換基團(tuán)，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(guò)。復(fù)合膜復(fù)合膜由一面陽(yáng)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(yáng)膜面朝向陰極，陰膜面朝向陽(yáng)極時(shí)，正、負(fù)離子都不能透過(guò)膜，顯示出很高的電阻。當(dāng)膜的朝向與上述相反時(shí)，膜電阻降低，膜兩側(cè)相應(yīng)的離子進(jìn)入膜中。

第16頁(yè),共43頁(yè)，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(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天基本結(jié)構(gòu)第18頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天

電滲析器的級(jí)與段

一級(jí)一段一級(jí)兩段兩級(jí)一段兩級(jí)兩段一對(duì)正、負(fù)電極之間的膜堆稱為一級(jí)具有同一水流方向的并聯(lián)膜堆稱為一段第19頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天實(shí)際應(yīng)用的電滲析器第20頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天第21頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天第22頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天第23頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、電除鹽（EDI）1.簡(jiǎn)介

EDI概念最早是wallers等人于1955年提出的，1957年kallaman等人就申請(qǐng)了專利，但由于樹(shù)脂充填技術(shù)的困難，直到1987年才由Millpore公司推出第一臺(tái)商業(yè)化EDI，它一出現(xiàn)，就受到廣泛重視，目前世界上僅有4家公司生產(chǎn)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(shù)和電滲析技術(shù)巧妙結(jié)合，并取兩者之長(zhǎng)彌補(bǔ)對(duì)方之短的一種新型純水處理技術(shù)。離子交換樹(shù)脂具有深度脫鹽之優(yōu)點(diǎn)，可以克服電滲析因極化現(xiàn)象而脫鹽不徹底之缺點(diǎn)；然而電滲析因極化現(xiàn)象發(fā)生水解電離產(chǎn)生的氫離子（H+）和氫氧離子（OH-）恰巧可用于離子交換樹(shù)脂的再生。第24頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天

EDI工作原理圖1—陰離子可透膜；2—陽(yáng)離子可透膜；3—陰離子交換劑；4—陽(yáng)離子交換劑；5—濃水室；6—淡水室第25頁(yè),共43頁(yè)，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(shù)脂，離子交換樹(shù)脂的導(dǎo)電性能比與之相接觸水的導(dǎo)電性能要高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，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(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)了深度除鹽的目的。另外，離子交換樹(shù)脂在淡水室中對(duì)水流有擾動(dòng)作用，能改善水流狀態(tài)，促進(jìn)離子擴(kuò)散，可提高極限電流密度。同時(shí)，離子交換樹(shù)脂對(duì)水中離子有較強(qiáng)的捕捉能力，可以將水中離子吸附在樹(shù)脂顆粒上，被吸附的離子在電場(chǎng)作用下，通過(guò)樹(shù)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(shù)脂顆粒相、溶液相或二者的混合相中），透過(guò)離子選擇性膜進(jìn)人濃水室，提高了電滲析對(duì)離子的去除效果。第26頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天第27頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天膜法EDI水處理系統(tǒng)圖第28頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天大型EDI裝置第29頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天EDI作原理1.進(jìn)水進(jìn)入樹(shù)脂和膜的間隔2.樹(shù)脂捕獲水中離子

3.電場(chǎng)使離子向電極移動(dòng)4.陽(yáng)膜只允許陽(yáng)離子通過(guò)5.陰膜只允許陰離子通過(guò)6.水被分解，再生離子交換樹(shù)脂7.濃縮的離子進(jìn)入到廢水中8.淡水室產(chǎn)出純水

第30頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天

EDI膜堆主要由兩個(gè)電性相反的電極和多個(gè)模塊單元對(duì)組成，一個(gè)膜單元對(duì)由一個(gè)填滿陽(yáng)離子和陰離子交換樹(shù)脂的淡水室（D-室）、一個(gè)陽(yáng)膜、一個(gè)陰膜、一個(gè)濃水室（C-室）組成。EDI膜堆包含多個(gè)膜單元對(duì)。在每個(gè)膜堆的內(nèi)部有兩個(gè)帶有600V電壓的電極，是每個(gè)膜堆必需的電壓。正極帶正電壓，負(fù)極帶負(fù)電壓，電流在正極和負(fù)極之間通過(guò)30個(gè)膜單元。任一個(gè)淡水室都包含著陽(yáng)樹(shù)脂和陰樹(shù)脂，它相當(dāng)于一個(gè)8千米厚的混床。一個(gè)陽(yáng)膜朝著陰極的方向把淡水室和濃水室分開(kāi)，在另外一邊，陰膜也把淡水市和濃水室分開(kāi)。EDI膜是離子交換樹(shù)脂膜，只允許帶適當(dāng)電荷的離子通過(guò)，水基本上不能通過(guò)。樹(shù)脂通過(guò)水的分離持續(xù)的再生。在電場(chǎng)中，水分子被分離成H+和OH-

，被異性電荷相吸，H+通過(guò)陽(yáng)陽(yáng)樹(shù)脂移向陰極的方向，OH-通過(guò)陰樹(shù)脂移向陽(yáng)極的方向。這種H+和OH-的遷移再生了樹(shù)脂，陽(yáng)膜允許H+通過(guò)進(jìn)入濃水室，陰膜允許OH-通過(guò)也進(jìn)入濃水室，H+和OH-結(jié)合生成生產(chǎn)的水。濃水室中自己水的流動(dòng)將帶走水中的陰陽(yáng)離子。膜阻止帶相反電荷的離子的進(jìn)入淡水室在水流通過(guò)淡水室的過(guò)程中，離子被樹(shù)脂去除，所以膜的有效側(cè)（淡水室）就會(huì)產(chǎn)生純水。第31頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.EDI制水特點(diǎn)

在EDI中，90%到95%的水流過(guò)淡水室，水流并行的通過(guò)多個(gè)膜堆，每個(gè)膜堆都并聯(lián)很多個(gè)淡水室，水流一次性的通過(guò)淡水室，流出來(lái)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(bǔ)充水，2%用來(lái)沖洗電極。濃水的再循環(huán)增加了水的電導(dǎo)率而要增加EDI系統(tǒng)通過(guò)的電流。EDI廢水的pH主要由給水的品質(zhì)決定。通常都是品質(zhì)很好的水，pH接近中性。排放的濃水可以通過(guò)返回到進(jìn)水口進(jìn)行回收，極水包含低濃度的氫氣、氧氣和氯氣要送到一個(gè)通風(fēng)的地方進(jìn)行排放。第32頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.EDI的布置特點(diǎn)

EDI最適合于應(yīng)用在經(jīng)RO脫鹽后的水質(zhì)精處理階段。EDI設(shè)備無(wú)需化學(xué)藥劑的再生，可以連續(xù)運(yùn)行。在具體的應(yīng)用中，僅調(diào)節(jié)EDI的運(yùn)行電流就可以改變其出水水質(zhì)。在進(jìn)水電導(dǎo)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(chǎn)品水。5.EDI運(yùn)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(yùn)行電導(dǎo)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(yùn)行。第33頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天6.EDI的優(yōu)點(diǎn)

a、不需要酸堿再生。

b、可連續(xù)生產(chǎn)。電除鹽的生產(chǎn)是連續(xù)的，沒(méi)有混床復(fù)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(jìn)口（EDI中濃水量比純水少得多）。

d、安裝條件簡(jiǎn)單，占地面積小，大部分標(biāo)準(zhǔn)廠房都能滿足。

e、系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。電除鹽的模塊設(shè)計(jì)很容易把它的流量做到450噸/小時(shí)甚至更高。

f、運(yùn)行成本低。與各種混床相比，在價(jià)格上有競(jìng)爭(zhēng)性。

g、維修或增減設(shè)備的容量都很容易。

h．水質(zhì)穩(wěn)定。不會(huì)有普通混床那樣的水質(zhì)變化。

i．標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。利用標(biāo)準(zhǔn)單元，如同搭積木般的組合，可以滿足用戶不同產(chǎn)水量的需要。第34頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天E-CELL公司EDI進(jìn)水指標(biāo)序號(hào)項(xiàng)目單位指標(biāo)1TEA（總陰離子含量）ppm<252電導(dǎo)率Us/cm<653PH值

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

<1.010油和脂類

無(wú)11濁度NTU<1.012氧化劑

無(wú)13色度APHA<5第35頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天某EDI出水水質(zhì)第36頁(yè),共43頁(yè)，2024年2月25日，星期天7.EDI工藝設(shè)計(jì)及運(yùn)行中應(yīng)注意的問(wèn)題a、EDI對(duì)進(jìn)水水質(zhì)有較嚴(yán)格的要求

EDI對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求進(jìn)水為反滲透出水。b、對(duì)硅的去除能力是評(píng)價(jià)EDI設(shè)備的一個(gè)重要指標(biāo)

c、水中CO2對(duì)EDI產(chǎn)水品質(zhì)影響較大d、運(yùn)行中電極反應(yīng)產(chǎn)生的氣體需及時(shí)排出e、EDI對(duì)進(jìn)水溫度有一定的要求

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

a.對(duì)細(xì)菌的抗污染能力較低，當(dāng)有細(xì)菌在其內(nèi)部繁殖時(shí)，將會(huì)大幅度降低膜堆的性能，所以一般要求停機(jī)超過(guò)3天，就必須注入5％的NaCI溶液進(jìn)行保護(hù)，或者是不間斷運(yùn)行，防止細(xì)菌生長(zhǎng)。

c.對(duì)于電子級(jí)高純水，還需要連接不再生混床進(jìn)一步提高或保障產(chǎn)品水電導(dǎo)率。

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

自來(lái)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