C5-2电渗析法除盐.

第二节电渗析除盐一、电渗析除盐原理及过程二、离子交换膜三、离子交换膜作用机理四、电渗析器的构造与组装五、电流效率六、极限电流密度七、极化与沉淀所谓膜分离是指在某种推动力作用下，利用特定膜的透过性能，达到分离水中离子或分子以及某些微粒的目的。电渗析、反渗透、超滤以及渗析统称为膜分离法。膜分离的推动力可以是膜两侧的压力差、电位差或浓度差。这种分离方法可在室温、无相变条件下进行，具有广泛的适用性。各种膜分离法的推动力与分离对象如下表所示。第二节电渗析除盐溶剂透过膜的过程称为渗透，溶质透过膜的过程称为渗析。1.电渗析（ED）：在外加电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜对阴、阳离子的选择透过性，把电解质从水溶液中分离出来的膜分离技术。2.渗析（D）：是由于膜两侧有浓度差，使水中的溶质透过膜分离的技术。第二节电渗析除盐3.渗透：由于膜两侧有浓度差，使溶剂（如水）透过膜分离的技术。(溶质不发生迁移)4.反渗透（RO）：膜两侧有浓度差，在浓度高的一侧施加一定的压力，使溶剂（如水）透过膜而纯化或浓缩的膜分离技术。5.微滤（MF）：膜两侧有浓度差，在浓度高的一侧施加一定压力，截留水中的细菌、粘土等微粒的技术。6.超滤（UF）：膜两侧有浓度差，在浓度高的一侧施加一定压力，截留水中的大分子以及细菌、病毒、胶体等微粒的技术。分离粒径范围：微滤超滤纳滤反渗透一、电渗析的基本原理原理：阴阳离子交换膜对溶液中阴阳离子的选择透过性，而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。阴膜只让阴离子穿过；阳膜只让阳离子穿过。电极两侧会发生氧化还原反应阴极还原反应2H++2e→H2↑阴极室溶液呈碱性结垢阳极氧化反应4OH-→O2↑+2H2O+4e阳极室溶液呈酸性腐蚀为降低电极反应在总能量消耗中所占的比例，工业生产中组成多膜电渗析槽，称为电渗析器。在电渗析过程中，电能的消耗主要用来克服电流通过溶液、膜时所受到的阻力以及进行电极反应。运行时，进水分别地不断流经浓室、淡室以及极室。淡室出水即为淡化水，浓室出水即为浓盐水，被室出水不断排除电极过程的反应物质，以保证电渗析的正常进行。电渗析分离原理图+—+++++—————浓淡浓淡浓淡阳阴阳阴阳阴阳浓水淡水＋—原水极水极室极室阳极阴极二、离子交换膜：离子交换膜是电渗析器的重要组成部分，按其选择透过性能，主要分为阳膜与阴膜；按其膜体结构，可区分为异相膜、均相膜、半均相膜。异相膜通常是具有交换基团的聚合电解质(树脂)与成膜材料(粘合剂)粘合生成薄膜，井加入衬网而制成。异相膜的优点是机械强度好、价格低，缺点是膜电阻大、耐热差、透水性大。均相膜则相反。1、离子交换膜的种类均相膜指整张膜完全是按离子交换树脂的制造工艺制成的，是将树脂的母体连接起来，成为连续的膜状物，在这种膜中聚合电解质和成膜材料之间发生了化学结合而成为共聚体。由于这种膜的化学性能是均匀的，膜的各部分具有相同特性，是单相的，故叫均相膜。半均相膜的聚合电解质与成膜材料混合得十分均匀，它的化学性能的均匀性可以大为提高，但两者之间没有化学结合。选择透过性：离子交换膜的选择透过性实际上并不是那样理想的，因为总是有少量的同号离子(即与膜上的固定活性基电荷符号相同的离子)同时透过。导电性：膜电阻与电渗析所需要的电压有密切的关系。电阻越小，所需电压越低。膜电阻一般用膜的电阻率乘以膜的厚度表示，单位为cm2。机械性能：应具有较高的机械强度和韧性。2、离子交换膜的性能3、离子交换膜的理论模型离子交换膜是具有微细孔道海绵状结构的薄膜。以阳离子交换均相膜为例：（1）膜的基本骨架是链状高分子组成的网状结构。在骨架上由化学键结合大量完全电离成阴离子的基团，表现出负电性，它们在整个膜结构中是均匀分布的。（2）膜内水相与一般电解质水溶液相似，也是等摩尔的存在着游离的阳离子和阴离子。（3）固定离子的浓度由膜的结构决定。（4）网状结构的孔隙对游离离子的运动并无阻碍。由于离子交换膜中含有相当浓度的游离离子，使它具有良好的导电性能。三、离子交换膜的作用机理顿南膜平衡理论：在交换膜内存在大量的固定离子和相应的反离子，电量相等，保持电中性，但它们的浓度要比溶液相中高。浓度差使膜内离子向溶液中扩散。但膜内的固定离子不可移动，为保持电中性，反离子也不能移出膜外。溶液中的同离子浓度比膜内高，但为保持两相内的电中性，不能扩散到膜内。若有少量离子在浓度差的作用下进行两相扩散，势必打破电中性，产生顿南电位。顿南电位趋向于把膜内的反离子拉回，而把铜离子排斥到溶液中，以恢复电中性。这样，由浓度差产生的离子扩散趋势，就被反方向的顿南电位抵消，建立起一种浓度不均衡的平衡状态，这种平衡称为顿南平衡。三、离子交换膜的作用机理顿南膜平衡理论：例如，把离子交换膜浸入NaCl溶液中时，根据化学平衡原理，如果在膜内溶液中两处游离离子达到平衡时，它们的离子浓度的乘积相等。四、电渗析器的构造与组装：1、构造：用夹紧板紧固在一起的膜堆部分称为电渗析器。电渗器的结构包括压板、电极托板、电极、极框、阴膜、阳膜、浓水隔板、淡水隔板等部件。将这些部件按一定顺序组装并压紧，组一定形式的电渗析器。整体结构可分为膜堆、极区和紧固装置等三大部分。阳膜阴膜阴极阴膜1.膜堆阴、阳膜和一对浓、淡水隔板交替排列，组成最基本的脱盐单元，称为膜对。电极之间由若干组膜对堆叠一起即为膜堆。用于隔开阴、阳膜之间的隔板由隔板框和隔网组成。其上有配水孔、布水槽、流水道以及搅动水流用的隔网。常用的隔网有鱼鳞网、编织网等形式。编织网2.极区极区由电极、极水室、导水板等组成。（1）电极工业上所用的电极材料要求：导电性能好、机械强度高、对所处理溶液的化学和电化学稳定性好、分解电压低、超电压小、取材资源广、加工方便、价格便宜。电极的形状有：丝状、网状和平板状等多种。电极一般都镶嵌在导水板中，通常简称为电极板。电极材料有：石墨、铅、不锈钢、钛涂钌（或钛涂铂）、铅银合金和钛涂过氧化铅（PbO2）等。（2）极水室直接与电极相接触的隔室称为极水室。极水室是由供极水流动的隔板构成,对极水室的要求是极水畅通,并能及时排去电极反应产生的气体和沉淀物,这也是电渗析过程进行的必要条件。（3）导水板导水板是作引入和导出浓、淡水之用，也可作引入和导出极水用。导水板分两种：一种是装在电渗析器两端的端导水板；另一种是多极多端组装中的中间导水板。3.压紧装置压紧装置用来把整个极区与膜堆均匀夹紧，使电渗析器在压力下运行时不致漏水。压紧装置主要由槽钢加强的钢板制成，紧固时四周用螺丝拧紧。2、电渗析器的组装方式电渗析的组装方式常用“级”和“段”来说明。一对电极之间的膜堆为一级，具有同向水流的并联膜堆称为一段。增加段数等于增加脱盐流程，可提高脱盐效率；增加级数，则可提高水处理量。一台电渗析器的组装方式常有如下四种方式：一级一段；多级一段；一级多段；多级多段。一级一段是一台电渗析器的基本组装方式，可采用多台并联的方式来增加水量；也可采用多台串联来增加脱盐效率。对于小水量，可以采用一级多段组装方式。一级一段二级一段一级二段二级二段电渗析器用于水的淡化时，一个淡室实际去除的盐量与通过理论计算应当去除的盐量之比即为电流效率。五、电流效率电流效率：%100理论除盐量实际除盐量FL1000ib理论除盐量）（）（实际除盐量LmmolvbhCC/100021%1006.3)(5.9621nICCQ当Q、n及I值不变时，电流效率随着除盐量的增大而提高。1、反离子迁移——也即为膜上固定离子基团电荷相反的离子迁移。这种迁移是电渗析的主要传递过程，电渗析利用这种迁移达到溶液脱盐或浓缩的目的。2、同离子的迁移——离子交换膜的选择性不可能达到100%。同离子的迁移方向与浓度梯度方向相反，因此而降低了电渗析过程的效率。但与反离子迁移相比，同离子的迁移数一般很小。3、电解质的渗析——这种渗析主要由于膜的两侧浓水室与淡水室的浓度差引起的，使得电解质由浓水室向淡水室扩散。这种扩散速率随浓水室侧浓度的提高而增大。4、水的渗透——随着电渗析的进行，淡水室中水含量逐渐升高，由于渗透压的作用，淡水室中的水会向浓水室渗透。两室浓度差越大，水的渗透量也越大，从而使淡水大量损失。五、电流效率电流效率：5、水的分解——这是由于电渗析过程中产生浓差极化，或中性水离解成OH-和H+所造成，控制浓差极化可防止这种现象产生。6、水的电渗析——由于离子的水合作用，在反离子和同名离子迁移时，会携带一定的水分子迁移。7、压差渗透——由于膜两侧的压力差，造成高压侧溶液向低压侧渗漏。以上的几种传递现象中，只有反离子迁移才具有脱盐或浓缩作用，而除反离子迁移外的其余几种传递现象，在电渗进行过程中都应设法降低或消除。五、电流效率电流效率：电能消耗主要有三方面：（1）电极反应所消耗的电能，2%~3%；（2）克服膜的两边由于浓度差而产生的电位所消耗的电能，25%以下；（3）克服电阻的能量消耗，60%~70%。电渗析器的电能效率很低。五、电流效率%100除盐的实际电能耗量除盐的理论电能耗量电能效率六、极限电流密度电流密度：电渗析器运行时，每单位面积膜通过的电流。膜界面现象：在一定电流密度下，阳离子在阳膜内的迁移量大于阳离子在溶液中的迁移量时，造成膜表面处离子的亏空，使界面层两侧出现浓度差。六、极限电流密度极化现象：过大的电流密度会导致阳膜淡水室侧表面的离子浓度降低到接近于零，为保持电流通过，则在界面层中由水离解为H+和OH-，使之传送电流。此时的电流密度称为极限电流密度。极限电流密度与溶液中离子浓度呈正比，与膜的界面层成反比。界面层的厚度与水流速度有关。膜极化公式/极限电流密度公式：vnKKCvi极六、极限电流密度影响电流密度的因素：（1）水质条件一定时，与流速成正比；（2）流速一定时，随着进水含盐量的增加而变大；（3）多段串联而各段膜对数相同时，极限电流密度依次降低。六、极限电流密度测定电流密度的方法：电压-电流法：（1）在进水浓度稳定的条件下，固定浓水、淡水和极水的流量和进口压力；（2）逐渐提高操作电压，待运行稳定后，测定与其对应的电流值；（3）以电压对电流作图，并从两端绘出两条斜率不同的直线。极化是电渗析器运行中常见问题，其危害如下。（1）降低电流放率：由于极化时、导致水分子大量解离，在电场作用下，水的解离造成H+和OH-离子的迁移，可见其部分电能消耗在水的解离和与脱盐无关的H+和OH-离子迁移上，使电流放率下降；（2）降低除盐率和产率：极化会在浓水室阴膜表面上产生沉淀，形成水垢，对运行带来不良的影响；（3）淡水pH值下降。七、极化与沉淀2、防止和消除结垢的主要措施：（1）对原水进行预处理，降低其浊度、硬度、含铁量、游离余氯等（2）控制操作电流在极限电流之下，避免极化现象的发生，减缓水垢的生成。（3）确定合理的倒极周期。定时倒换电极，使浓、淡室亦随之相应变换，这样，阴两侧表面上的水垢，溶解与沉积交替，处于不稳定状态，达到稳定运行的目的。（4）确定合理的流速和压力，流速过低，易造成沉积；流速过大，压力过大，易损坏膜。（5）确定合理的酸洗周期。八、电渗析的应用1．水的纯化海水、苦咸水、自来水→饮用水初级纯水（锅炉或医药用）高级纯水特点：A能耗与脱盐量成正比（更适合含盐低的苦咸水淡化）B原水中盐浓度过低，溶液电阻大，不经济（电渗析—离子交换树脂联合使用）C不能除去非电解质2．海水、盐泉卤水制盐与常规盐田法比较，占地少、投资省、劳动力省、不受地理气候限制。日本第一个采用此法制盐。使用电渗析过程从海水中生产食盐，可将NaCl的浓度浓缩至200g/L，高于蒸发技术。3．医药、食品工业应用A脱除有机物中的盐分。医药工业：葡萄糖、甘露醇、氨基酸、维生素C等溶液的脱盐。食品工业：牛乳、乳清的脱盐。酒类产品：脱除酒石酸钾B有机物中酸的脱除或中和C从蛋白质水解液和发酵液中分离氨基酸4．废水处理从金属酸洗废水中回收酸与金属,如电镀废水中回收铜、锌、镍、铬等