電膜過程PPT教學(xué)課件.ppt

1、內(nèi)容簡(jiǎn)介,離子交換膜的定義及分類 離子交換膜的制備簡(jiǎn)介 電滲析原理 特殊電滲析（EDR、EDI） 離子膜電解 雙極膜及其水解離,1,離子交換膜定義,離子交換膜是膜狀的離子交換樹脂。它包括三個(gè)基本組成部分：高分子骨架，固定基團(tuán)及基團(tuán)上的可移動(dòng)離子。,2,離子膜分類,按電荷分 陽(yáng)離子交換膜：活性基團(tuán)：磺酸基（-SO3H） 磷酸基（-PO3H2） 羧酸基（-COOH） 砷酸基（AsO32-）等； 陰離子交換膜：活性基團(tuán)：伯、仲、叔、季胺基和芳胺基-NH3+、 -RNH2+、 -R2NH+、-R3N+、 雙極膜,按膜結(jié)構(gòu)劃分 均相膜 半均相膜 異相膜,3,非均相離子交換膜的制備,樹脂,干燥,磨粉,混煉

2、,拉片,加網(wǎng)熱壓,配料,過篩,4,半均相離子交換膜的制備,半均相離子交換膜主要用含浸膜。有兩條路線，一是用粒狀粘結(jié)劑浸吸單體進(jìn)行聚合，制成含粘結(jié)劑的熱塑性離子交換樹脂，再按異相膜那樣制備相應(yīng)的膜（不需要磨粉）；二是用粉狀粘結(jié)劑浸吸單體、增塑劑等，然后涂在網(wǎng)布上進(jìn)行熱壓聚合再功能基化(糊狀法)。,5,均相離子交換膜的制備,（1)單體的聚合或縮聚，其中至少有一個(gè)單體必須含有可引入陰離子或陽(yáng)離子交換基團(tuán)的結(jié)構(gòu)； （2)在預(yù)先制備的基膜中引入功能基團(tuán) （3）聚合物先功能基化，然后溶解流涎（澆鑄）成膜,6,單體的聚合,7,單體的縮聚,8,溶液澆鑄法制備離子交換膜,9,離子交換膜的主要性能表征,物理性能

3、化學(xué)性能： IEC（交換容量） 每克干膜（氫型）或濕膜（氫型）與外界溶液中相應(yīng)離子進(jìn)行等量交換的毫摩爾數(shù)值mmol/g 含水量 指干態(tài)膜在水中溶脹后增加的重量，以百分?jǐn)?shù)表示。,10,電化學(xué)性能 膜電阻 可以用面電阻表示（ ）。它的高低對(duì)能耗影響很大 膜電位 由于離子的選擇性遷移而形成一濃差電位，膜電位不是平衡電位，而是由于通過膜的離子的流動(dòng)而產(chǎn)生的電位。,11,膜內(nèi)遷移數(shù) 某種離子在膜內(nèi)獨(dú)立遷移電量與全部離子在膜內(nèi)遷移總電量的比值 測(cè)膜電位的方法可求遷移數(shù)。假設(shè)電解質(zhì)是11型，因,12,膜電阻測(cè)定,膜樣品,13,膜電位、遷移數(shù)測(cè)定,14,離子交換膜的選擇透過性,膜中孔隙：具有“篩分作用” 基膜

4、上帶固定電荷的活性基團(tuán)：產(chǎn)生道南排斥作用，只讓反離子通過，不讓同離子通過。 選擇透過性(P):,15,擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定,擴(kuò)散系數(shù): 在沒有電場(chǎng)作用時(shí),在濃差作用下,鹽可以透過膜的能力.,16,實(shí)用離子交換膜的主要性能要求,u 膜對(duì)離子的選擇性高； u膜的導(dǎo)電性能好，電阻低， u適宜的交換容量， u較小的鹽擴(kuò)散系數(shù)和水的滲透通量； u 具有良好的物化穩(wěn)定性。 u 膜的外觀平整，厚度均勻，沒有針孔,17,離子交換膜的傳質(zhì)理論,道南平衡理論 基本傳質(zhì)方程：由對(duì)流傳質(zhì)、擴(kuò)散傳質(zhì)、電遷移傳質(zhì)三部份組成，總傳質(zhì)速率為：,18,電驅(qū)動(dòng)膜過程電滲析,電滲析過程能耗低,無(wú)污染,水回收率高,裝置壽命長(zhǎng). 主要用于脫鹽

5、淡化和濃縮,19,電滲析原理,1,2,3,4,5,6,料液,濃縮液,脫鹽液,20,主要過程：在電埸力作用下，料液中陽(yáng)離子透過陽(yáng)膜進(jìn)入濃室，陰離子透過陰膜進(jìn)入濃室。其結(jié)果是濃室水鹽濃度升高,淡室水中鹽濃度降低,伴隨過程： 同名離子遷移 濃差擴(kuò)散 水的遷移：濃差遷移、電滲透、壓差遷 移,21,電滲析過程中的濃差極化,離子枯竭 極化 極限電流,（）,（+）,陰膜,Cl-,22,極化產(chǎn)生的危害,產(chǎn)生結(jié)垢使電阻增加，膜使用壽命下降。 在陰膜淡水室一側(cè)留下H+，溶液呈酸性也影響膜壽命。 總的結(jié)果是離子遷移減少，脫鹽率下降，水質(zhì)下降，電流效率下降。,23,極化的防止及結(jié)垢消除方法,控制操作電流密度要小于極限

6、電流密度。 提高溶液湍流程度，減小擴(kuò)散邊界層厚度。 定期用稀鹽酸或稀醋酸進(jìn)行洗滌。 倒極電滲析，即在運(yùn)行過程中每隔28hr之間倒換一次電極，同時(shí)改變濃、淡水系統(tǒng)流向，使?jié)狻⒌彝瑫r(shí)互換。 頻繁倒極電滲析，簡(jiǎn)稱為EDR。,24,極限電流的測(cè)定,伏安曲線法。將兩片鉑片插在膜堆內(nèi)約20對(duì)膜的左右邊，鉑片上的鉑絲導(dǎo)線伸出膜堆外，并連接在電壓電流表組成的測(cè)量回路中。測(cè)定時(shí)保持溶液溫度、濃度及濃、淡水流速恒定。改變輸入電流，測(cè)出膜堆電壓，用膜對(duì)數(shù)除之則得出膜對(duì)電壓。 以膜對(duì)電壓為縱坐標(biāo)，電流密度為橫坐標(biāo)作圖，得I-V曲線。開始時(shí)電壓與相應(yīng)的電流值成線性關(guān)系，當(dāng)超過某一電壓值后則出現(xiàn)拐點(diǎn)，即直線的斜率發(fā)生

7、了變化。這個(gè)拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流密度即為極限電流密度。,25,電滲析器的結(jié)構(gòu),1、4.離子交換膜；2、5.隔板；3.隔板網(wǎng),26,27,28,電滲析操作模式,電滲析器的組合方式有串聯(lián)、并聯(lián)及串并聯(lián)相結(jié)合幾種方式，常用術(shù)語(yǔ)“級(jí)”和“段”來(lái)表示。 “級(jí)”是指電極對(duì)的 數(shù)目，一對(duì)電極稱為一級(jí)； “段”是指水流方向，每改變一次水流方向稱為一段。,29,30,多級(jí)電滲析產(chǎn)量高(處理量大) 多段電滲析增加脫鹽率.,31,電滲析過程的各種指標(biāo),流速與流量 淡液室的流量為： 膜堆總流量為： 淡液室的液流速度為：,32,脫鹽率 定義脫鹽率 能耗 電滲析構(gòu)成的直流能耗為： 電滲析過程的交流能耗指輸液泵的耗能，其計(jì)算式

8、為： 電流效率 電流效率為實(shí)際脫鹽量與理論脫鹽量的比值：,33,影響電流效率的主要因素,漏液，濃淡水互相摻和 極化和膜中毒 水的擴(kuò)散滲透 濃淡室濃度差太大，鹽擴(kuò)散遷移 膜選擇性差，同名離子遷移,34,特殊電滲析簡(jiǎn)介- EDR,EDR是英文Electrodialysis Reversal 的縮寫，它是美國(guó)Ionics 公司開發(fā)的15-30min自動(dòng)倒換電極極性并同時(shí)自動(dòng)改變濃、淡水水流流向的電滲析 。 在朝陽(yáng)極的陰膜面上生成的初始沉淀晶體，在沒有進(jìn)一步生長(zhǎng)之前，便被溶解或被液流沖走，不能形成運(yùn)動(dòng)障礙； 由于電極極性頻繁倒轉(zhuǎn)，水中帶電膠體或菌膠團(tuán)的運(yùn)動(dòng)方向頻繁倒轉(zhuǎn)，減輕了粘性物質(zhì)在膜面上的附著和積

9、累； 可以避免或減少向濃水流中加酸或防垢劑等化學(xué)藥品； 在運(yùn)行過程中，陽(yáng)極室產(chǎn)生的酸可以自身清洗電極，克服陰極面上的沉淀,35,特殊電滲析簡(jiǎn)介- EDI,EDI是近年來(lái)發(fā)展的電去離子技術(shù)（Electrodeionization），又稱連續(xù)去離子技術(shù)CDI（Continuous deionization）或填充床電滲析，它是在普通電滲析的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，廣泛地應(yīng)用于純水和超純水的制備。EDI是一種在電滲析器淡室隔板中裝填陰、陽(yáng)樹脂的新型水處理裝置， 是離子交換與電滲析的有機(jī)結(jié)合，這種結(jié)合既克服了電滲析過程離子含量很低時(shí)導(dǎo)電性差的缺點(diǎn) ，又克服了離子交換過程中樹脂需要不斷再生的缺點(diǎn) 。,36,3

10、7,EDI優(yōu)點(diǎn),l 過程安全可靠； l 能耗低 l 不需酸堿再生，過程可連續(xù)進(jìn)行； l 無(wú)環(huán)境污染 l 裝置緊湊，空間大大節(jié)省 水的回收率高可達(dá)95%，質(zhì)量好（可去除水中99.5%的鹽類、95-99%的硅、96%的硼及99%的CO2）。,38,離子膜電解過程,將鹽劈裂為酸和堿 氧化與還原 無(wú)試劑加入調(diào)PH 從廢液中回收酸堿,39,離子膜電解生產(chǎn)酸與堿,陽(yáng)離子交換膜作隔膜，NaCl溶液放置陽(yáng)極室，電解的基本反應(yīng)為： 陽(yáng)極反應(yīng)： 陰極反應(yīng)： 2H2O2e = 4OH- + H2 Na+在電場(chǎng)作用下通過陽(yáng)膜進(jìn)入陰極室， 陰極室內(nèi)生成NaOH。 氯氣與氫氣反應(yīng)生成HCL，被水吸收產(chǎn)出鹽酸,Cl2,40

11、,擴(kuò)散滲析從廢液中回收酸堿,以膜兩側(cè)溶液的濃度差為推動(dòng)力，利用離子膜對(duì)酸（堿）擴(kuò)散速度大的特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)酸（堿）與鹽的分離。 應(yīng)用： 從鋼鐵酸洗液中回收余酸 從鎢酸鈉溶液中回收余堿,41,從鋼鐵酸洗液中回收余酸,42,離子交換膜的應(yīng)用,1. 從電解質(zhì)溶液中分離出部分離子，使電解質(zhì)溶液的濃度降低，如海水、苦咸水淡化制取飲用水；工業(yè)用初級(jí)純水的 制備、放射性廢水的 處理等，這是應(yīng)用離子交換膜最多的領(lǐng)域，也是電滲析應(yīng)用最成熟的 領(lǐng)域。 2.把溶液中部分離子轉(zhuǎn)移到另一溶液中去，并使其濃度增高，如海水濃縮制鹽、化工產(chǎn)品精制、工業(yè)廢液中有用成分的回收等。 3.從有機(jī)溶液中除電解質(zhì)離子，目前主要用于食品和醫(yī)藥工

12、業(yè)，如乳清脫鹽、糖類脫鹽、氨基酸精制等。 4. 電解質(zhì)離子的分離，如一、二價(jià)離子的分離等。 5.利用電解質(zhì)離子的定向遷移完成產(chǎn)品的生產(chǎn)或進(jìn)行某種反應(yīng)，如復(fù)分解反應(yīng)、隔膜電解。 6. 微量元素的富集與分析，主要用于稀有金屬離子、原子能工業(yè)與分析等。 7.作導(dǎo)電電解質(zhì)，如電池隔膜等。,43,(NH4)2SO4電解劈裂為NH4OH及H2SO4,南非低品位冰銅濕法冶金流程中，萃鎳殘液含有大約45g/L(NH4)2SO4，采用膜電解法劈裂它為H2SO4與NH4OH，返回流程使用從而形成閉路工藝。 方法的特征為采用陰離子交換膜為隔膜，萃鎳殘液置放陰極室，SO42離子在電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)下通過陰膜進(jìn)入陽(yáng)極室。因?yàn)殛?yáng)

13、極液為酸性，故在陽(yáng)極發(fā)生下列反應(yīng)： 2H2O4eO24H 在陽(yáng)極室生成H2SO4。而在陰極發(fā)生下列反應(yīng)： 2H2O2eH22OH OH與NH4結(jié)合成電離常數(shù)很小的NH4OH或NH3H2O。硫酸直接返回浸出，氨水適當(dāng)濃縮后返回用作中和劑。,44,應(yīng)用舉例,電滲析處理印刷電路板含銅廢水,刻蝕工藝,預(yù)處理,電滲析,離子交換,置換,CuCl2廢液,自來(lái)水,除鹽液,純水,濃縮液,銅,再生廢液,45,含硫酸鈉廢水的濃縮與回收,H2SO4廢液30,濃縮液,結(jié)晶漿料,硫酸鈉結(jié)晶,冷卻,加熱,泵,淡水返回主流程,電滲析,46,雙極膜,雙極膜簡(jiǎn)介 雙極膜的制備 雙極膜水解離特性曲線的研究 雙極膜應(yīng)用,47,雙極膜的制備,陰、陽(yáng)離子交換膜疏松層壓法 陰、陽(yáng)離子交換膜層熱壓成型法 陰、陽(yáng)離子交換膜層粘合成型法 一膜層在另一膜層上流延成型法 陰、陽(yáng)離子交換膜共擠壓成型法 單層膜表面修飾法,48,雙極膜水解離,49,雙極膜劈裂Na2SO4為NaOH與H2SO4,50,本章習(xí)題,1.在0.1/0.2N KCL溶液的體系中，測(cè)得陽(yáng)膜和陰膜的電