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2023/3/8水质工程学1－工业给水处理1第三节电渗析法一、膜分离概述主要讲述膜分离的概念、特点、分类及应用。1.膜分离的概念及发展利用特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜（分离膜），在某种推动力作用下，对双组分或多组分溶质和溶剂进行分离、提纯、浓缩的方法，统称为膜分离法。在水处理中达到分离水中离子、分子或某些微粒的目的。膜分离的推动力可以是膜两侧的压力差、电位差、浓度差。2023/3/8水质工程学1－工业给水处理2膜技术的发展简况膜分离技术的研究始于20世纪30年代。1950年W.Juda等实验成功第一张具有实用价值的离子交换膜；60年代研制成高脱盐率、高透水能力的非对称型醋酸纤维素的反渗透膜；70年代超滤技术进入工业化；我国的膜技术开始于1958年离子交换膜的研究，20世纪60年代研究反渗透膜，曾组织全国海水淡化会战，大大促进了我国膜科学技术的发展。大致可分为三个阶段：第一阶段，也称为起步阶段，以1967年上海化工厂聚乙烯已相离子交换膜正式投产为标志；第二阶段，也称开发阶段，1985至1995年中国膜工业协会成立；第三阶段，也称发展阶段，1995年中国膜工业协会成立；我国膜工业已初具规模，超滤、微滤和电渗析已形成了自己的特色；反渗透、纳滤膜方面还主要依赖进口，正在走向国产化。2023/3/8水质工程学1－工业给水处理32、膜分离技术的特点（a）膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高，例如在现在的各种海水淡化方法中反渗透法能耗最低；（b）膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，如果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩；（c）装置简单，操作简单，控制、维修容易，且分离效率高。与其它水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点；（d）由于目前膜的成本较高，所以膜分离法投资较高，有些膜对酸或碱的耐受能力较差。总之，膜分离具有高效、能耗低、常温运行、适应范围广、装置简单、单元化设计的优点。2023/3/8水质工程学1－工业给水处理43．膜分离法的分类按膜结构分：有对称膜和不对称膜；按膜材料分：有机膜：纤维素膜、聚酰胺膜、聚砜膜、聚乙烯膜等；无机膜：玻璃膜、陶瓷膜、氧化铝膜等；按分离机理分：反应膜、离子交换膜和渗透膜；按几何形状分：平板式、管式、卷式和中空纤维式膜；膜分离法的种类很多，现已应用的膜过程有反渗透、纳滤、超滤、微滤、扩散渗析、电渗析、气体分离、渗透蒸发、控制释放、液膜、膜蒸馏等。目前，在水处理中常用的有电渗析、反渗透、纳滤、超滤、微滤等膜分离技术。2023/3/8水质工程学1－工业给水处理5水处理中几种常用膜分离法的特点膜过程推动力传质机理透过物及其尺寸截留物膜类型电渗析电位差离子选择性透过阴、阳离子非电解质大分子离子交换膜反渗透压力差1-5MPa溶剂的扩散水或溶剂溶质、盐、SS非对称膜超滤压力差0.1-1MPa筛滤及表面作用水、盐及低分子有机物胶体大分子、SS非对称膜渗析浓度差溶质的扩散低分子物质、离子溶剂非对称膜液膜化学反应和浓度差反应促进和扩散电解质离子溶剂（非电解质液膜2023/3/8水质工程学1－工业给水处理62023/3/8水质工程学1－工业给水处理74、膜分离的应用领域（1）化学/染料工业活性染料的脱盐、纯化、浓缩与回收催化剂与贵金属的回收利用脱氧、氧化、酯化、皂化、磺化、硝化、脱氢反应中液体的分离、纯化甘油/己内酰胺/苯/染料活性剂等有机化工原料的回收汽车/仪表及其它工业涂漆的浓缩回收（2）食品/饮料工业啤酒/果酒/黄酒/葡萄酒的澄清除菌过滤苹果、梨、草莓、橙、芒果、桃、柠檬等果汁的澄清除菌过滤、脱水浓缩葡萄酒/果酒/茶/咖啡芬香气味的浓缩保留豆蛋白/乳清蛋白/白蛋白/单糖/多糖溶液的澄清与浓缩乳清、奶酶及其他乳品的澄清、脱盐与浓缩2023/3/8水质工程学1－工业给水处理8（3）制药/生物工程抗生素、维生素、有机酸、氨基酸、酶等发酵液的澄清除菌过滤抗生素、维生素、有机酸、氨基酸等发酵液的蛋白剔除酶、蛋白质、多糖制备过程中细胞碎片的剔除抗生素、氨基酸、维生素、有机酸、酶、多糖、蛋白质的纯化与浓缩中成药、保健品口服液的澄清除菌过滤动物血浆、血清的浓缩精制其他相关的脱盐浓缩、澄清除菌、蛋白剔除、细胞收集等分离过程（4）空气过滤喷雾干燥过程中染料、抗生素、奶粉等的回收电池厂金属镉、氧化铅粉尘的收集粉碎过程中磷酸盐、氧化镁、二氧化钛、碳粉、水泥、碳酸钙的回收包装过程中砂糖、染料、奶粉、味精等的回收干燥过程中PVC、二氧化硅、活性碳、肥料等的回收合成氨尾气中氢气的回收利用2023/3/8水质工程学1－工业给水处理9（5）水处理提高饮用水水质：饮用纯水的制备工业纯水制备：医药工业中注射用水/洗瓶水及其他无菌水的制备电子工业中超纯水的制备火力发电厂锅炉补给水的制备制造业中终端洗涤水的制备苦碱水脱盐、海水淡化水污染控制、水再生利用：生活污水处理与再生利用工业废水循环与再生利用（零排放）垃圾填埋场渗出水的浓缩处理纺织印染废水、油漆、含油废水的处理纸浆与造纸废水的处理及木素磺酸盐的回收金属、食品、皮革、农药和除草剂废水的处理2023/3/8水质工程学1－工业给水处理10二、离子交换膜及其作用机理离子交换膜是电渗析器的重要组成部分，具有与离子交换树脂相同的组成，含有活性基团和能使离子透过的细孔。常用的离子交换膜按其选择透过性可分为阳膜、阴膜、复合膜。阳膜(cationexchangemembrane)含有阳离子交换基团，在水中交换基团发生离解，使膜上带有负电，能排斥水中的阴离子，吸引水中的阳离子并使其通过。阴膜(anionexchangemembrane)含有阴离子交换基团，在水中离解出阴离子，使膜上带正电，吸引阴离子并使其通过。2023/3/8水质工程学1－工业给水处理11复合膜（双极膜）由一面阳膜和一面阴膜复合而成，具有方向性的电阻。当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳极时，正、负离子都不能透过膜，显示出很高的电阻，但可以使膜界面处的水发生解离，产生氢离子和氢氧根离子。当膜的朝向与上述相反时，膜电阻降低，膜两侧相应的离子进入膜中。离子交换膜为什么具有选择透过性呢？离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄膜，其所以具有选择透过性主要是由于膜上孔隙和膜上离子基团的静电作用。膜上孔隙的作用是，在膜的高分子键之间有一足够大的孔隙，以容纳离子的进出和通过。是离子通过膜的大门和通道。2023/3/8水质工程学1－工业给水处理12膜上离子基团的作用是，在膜的高分子链上，连接着一些可以发生解离作用的活性基团。在水溶液中，膜上的活性基因会发生解离作用，解离所产生的离子(或称反离子）进入溶液。于是，在膜上就留下了带有一定电荷的固定基团。存在于膜微孔中的带一定电荷的固定基团，好比在一条狭长的通道中设立的一个个关卡或“警卫”，以鉴别和选择通过的离子。外力作用：外加电场，形成电势、电位差，使离子迁移，在膜内扩散、传递。注意：树脂的作用机理是与溶液中的离子之间发生交换反应；离子交换膜的作用并不是起离子交换的作用，而是起离子选择透过性作用。2023/3/8水质工程学1－工业给水处理13离子交换膜功能示意图2023/3/8水质工程学1－工业给水处理14三、电渗析（electrodialysis，简称ED）原理电渗析是在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的一种膜过程。电渗析出水分为：淡水、浓水、极水，极水的作用是不断排除电极反应物，以保证电渗析正常运行。阳极室呈酸性，易腐蚀，一般用惰性电极，如钛涂钌；阴极室呈碱性，易结垢，一般用不锈钢电极。++++++阳极－－－－－－阴极Cl-Na＋阳膜阳极室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋浓缩室淡化室浓缩室阴极室阴膜阳膜阴膜电渗析过程原理图2023/3/8水质工程学1－工业给水处理16C：阳膜A：阴膜电渗析除盐原理图阳极反应：阴极反应：222CleClHOHOH22OHOeOH22244HClOHClOHCl22OHHeOH22222NaOHOHNa2023/3/8水质工程学1－工业给水处理18四、电渗析器的构造与组装1.电渗析器的构造电渗析器由膜堆、极区和夹紧装置三部分组成。膜堆位于电渗析器的中部，由阳膜、浓（或淡）水室隔板、阴膜、淡（浓）水室隔板交替排列成浓水室和淡水室。极区位于膜堆两侧，包括电极、极水框和保护室，其作用是供给电渗析器直流电，将原水导入膜堆的配水孔，将淡水和浓水排出电渗析器，并通入和排出极水。压紧装置由盖板和螺杆组成，其作用是将极区和膜堆组成不漏水的电渗析器整体，可采用压板和螺栓拉紧，也可采用液压压紧。2023/3/8水质工程学1－工业给水处理192.电渗析器的组装电渗析器的组装依其应用不同而有所不同。其组装的情况是用级和段来表示的。级：一对正、负电极之间的膜堆称为一级。增加级数可降低操作电压。段：具有同一水流方向的并联膜堆称为一段。增加段数就等于增加脱盐流程，即提高除盐率。电渗析器的组装示意图2023/3/8水质工程学1－工业给水处理21电渗析器的级与段一级一段一级两段两级一段两级两段一对正、负电极之间的膜堆称为一级具有同一水流方向的并联膜堆称为一段3、实际应用的电渗析器2023/3/8水质工程学1－工业给水处理23五、电流效率与极限电流1.电流效率：一个淡室（一对膜）实际去除的盐量等于m1=q(c1-c2)tMB/1000(g)q——一个淡室的出水量，L/sc1、c2——分别表示进出水含盐量,mmol/Lt——通电时间,sMB——物质的摩尔质量,g/mol依据法拉第定律，应析出的盐量为m=ItMB(g)I——电流,(A)F——法拉第常数，96500C/mol2023/3/8水质工程学1－工业给水处理24电渗析电流效率等于淡室实际去除的盐量与应析出的盐量之比，即η＝m1/m=q(c1-c2)F/1000I=电流效率与膜对数无关，电压随膜对数增加而加大，而电流则保持不变。电渗析的电能效率是理论耗电量与实际耗电量之比，电渗析实际耗电量比理论耗电量大得多，因而电能效率较低。2023/3/8水质工程学1－工业给水处理252.极限电流密度电渗析器运行过程中，单位面积膜通过的电流称为电流密度i。由于膜界面现象的产生，使工作电流密度受到一定的限制。由于离子在膜内的迁移数大于其在溶液中的迁移数，造成膜面处离子亏空，使界面层两侧出现浓度差，从而产生了离子扩散的推动力，此时离子迁移的亏空量有离子扩散来补充。根据菲克定律，扩散物质的通量表示为：φ＝D(c-c1)/1000δ(mmol/cm2.s)D——扩散系数，cm2/sc、c1——膜两侧溶液的物质量浓度，mmol/Lδ——边界层厚度，cm2023/3/8水质工程学1－工业给水处理26浓差极化示意2023/3/8水质工程学1－工业给水处理27当处于稳定状态时，离子迁移与扩散达到平衡:当i增大，c1降低，i达到等一数值时，c1→0，如果再提高i值，由于离子扩散不及，在膜界面处引起水的离解，产生氢离子和氢氧根离子，来传递电流，这种现象称为浓差极化。此时的电流密度称为极限电流密度。2023/3/8水质工程学1－工业给水处理283.极限电流的测定电渗析在现场组装好后首先要进行极限电流的测定。测定的方法如下：在设计流量下，同时浓水和极水的进口压力应与淡化水进口压力一致，调整流器从零开始对电渗析器供电，电压以膜堆电压计，每次升高10V…，每次升高电压后其电压要恒定，然后记录电流数值。当膜堆电压达到单级膜对数×1－3V（以膜面积大小选取）时作为测试终点，绘制电渗析器的电压—电流曲线图，并将各点连成近似的曲线（如图所示），由曲线作切线，AP、DP相交P点，并由P点作水平线和垂线，交曲线于B、C，所得A、B、C、