第八章水的除盐

1第八章水的除盐2主要内容„基本概念„离子交换法„电渗析法„反渗透法„微滤、超滤和纳滤3第一节基本概念„淡化水：海水及咸水的淡化局部除盐水，生活及生产用淡水；„脱盐水：普通蒸馏水含盐量1～5mg/L，25℃时，电阻率为0.1～1.0×106Ω·cm；„纯水：去离子水含盐量1.0mg/L，25℃时，电阻率为1.0～10×106Ω·cm；„高纯水：超纯水含盐量0.1mg/L，25℃时，电阻率为10×106Ω·cm以上。1、水的纯度4„海水淡化方法：蒸馏法、反渗透法、电渗析法、冷冻法等„水的除盐方法：离子交换法、反渗透法、电渗析法2、方法53、对进水水质预处理的要求„预处理去除对象：„悬浮物，有机物，胶体，微生物，细菌及有害离子（铁、锰等）„污染指数FI：„表示在规定的压力和时间的条件下，滤膜通过一定水量的阻塞率。„杂质对膜和树脂的危害：„悬浮物和胶体粘附在膜表面或堵塞树脂微孔，脱盐率下降；„微生物和细菌在膜表面繁殖，降低设备性能；„无机离子能与膜和树脂牢固结合，或在膜表面结垢沉淀；„水中游离氯等对膜和树脂的氧化作用；6第二节离子交换法„阴离子交换树脂的工艺特性„离子交换除盐方法与系统„离子交换除盐系统基本特征27一、阴离子交换树脂的工艺特性1、强碱树脂工艺特性：ROH季胺型ROH+HCl→RCl+H2OROH+H2SO4→RHSO4+H2O2ROH+H2SO4→R2SO4+2H2OROH+H2CO3→RHCO3+H2OROH+H2SiO3→RHSiO3+H2O1）交换顺序：SO42-NO3-Cl-OH-F-HCO3-HSiO3-要有效去除硅酸，必需降低OH-（酸性条件）；2）阳床处理漏钠量要低，否则阴床出水碱度增加；3）再生条件要求高，化学稳定性差，易氧化。82、弱碱阴树脂工艺特性：R-NH3OH伯胺型„只能对强酸阴离子起交换反应，且以酸形态存在方可；„对弱酸，中性盐均不起反应；„要求pH0～9的范围；„易再生，再生消耗量小。R-NH3OH+HCl→R-NH3Cl+H2O2R-NH3OH+H2SO4→(R-NH3)2SO4+2H2O9二、离子交换除盐方法与系统„复床：„阴阳离子交换器串联使用；„混合床：„阴阳离子混合于一个交换器内；„双层床：„同交换器中装有弱酸（碱）和强酸（碱）两种树脂；1、分类：10原水―RH→除CO2→ROH→除盐水2、一级复床除盐系统11强酸-脱气-弱碱-强碱系统12三、离子交换除盐系统基本特征1、除单独采用混合床外，其它系统第一个交换器，都应H型且多数是强酸。2、在有除硅要求的系统中，设有强碱阴树脂，因为仅有ROH能除硅，而R-NH3OH却不能；可能时采用二级强碱树脂或混合床系统。3、对水质要求高的都设混合床，且在系统最后。4、除CO2器设在ROH之前，可减轻阴离子交换树脂负荷，降低碱耗；5、有的系统可采用弱碱阴树脂，主要利用其交换容量大，再生剂耗量小的特点，可以提高经济性。313第三节电渗析法”电渗析的原理与过程”电流效率及极限电流密度”极化与沉淀14一、电渗析的原理及过程1、电渗析法（ED）原理„在外加直流电场作用下，使阴阳离子定向运动，利用离子交换膜的选择透过性，使离子与水分离的过程。„离子交换膜：根据选择透过性，分为阳膜（只允许阳离子透过）和阴膜（只允许阴离子透过）15161718一、电渗析的原理及过程2、主要反应‡阳极（氧化反应）：H2O→H++OH-4OH-→O2↑+2H2O+4e；或Cl-→Cl2↑+2e阳极呈酸性，对电极产生腐蚀；‡阴极（还原反应）：H2O→H++OH-2H++2e→H2↑阴极呈碱性，有沉淀产生；419一、电渗析的原理及过程%1001P×−−=++++ttt过率阳膜对阳离子的选择透阴）总电量（阳阳迁移离子迁移数+=3、选择透过率与迁移数9分子部分表示实际膜条件下，阳离子在阳膜内和在溶液中的迁移数之差；9分母部分表示在理想膜的情况下，阳离子在阳膜内和在溶液中的迁移数之差；20二、电流效率及极限电流密度一个淡室实际除盐量与应析出盐量之比。电能效率：整台电渗析器脱盐所需理论耗电与实际耗电之比。„电极反应2～3%„克服膜两边浓度差而产生的电耗＜25%„膜电阻及溶液电阻60～70%IFCCq：1000)(21−=η电流效率1、电流效率：21二、电流效率及极限电流密度„单位面积膜通过的电流称电流密度i；„由于界面现象的产生使工作电流密度受到一定限制。2、电流密度„电流通路:„膜上：阳膜上钠离子；„溶液中：钠离子和氯离子；„迁移数:离子输送电流与总电流之比；22233、极限电流密度D(C-C′)/1000δδ溶液阳膜水流it/FC′C界面层以阳膜为例，电流密度为i243、极限电流密度δ−=−′++1000CCDFitFti„由于阳离子在阳膜上的迁移量大于阳离子在溶液中的迁移量，造成膜表面处阳离子的亏空，使界面层两侧出现浓度差，从而产生了离子的推动力。„离子的亏空量由离子扩散补偿，菲克定律表示：5259如果增大i↑，则C′↓，当i达到一定数值时，C′=0；9i进一步增加，则会在膜表面处引起水的电解，由H+透过阳膜传递电流；9这种界面现象叫浓差极化，此时电流密度称为极限电流密度ilim。3、极限电流密度δ×−=++1000CttFDilimnVk=δk1000ttFDCVinlim）（++−=2121C/Clg3.2CCC−=263、极限电流密度分析：当Iilim时，可以依靠扩散Na+来补偿因电流通过而产生的离子亏损量；当Iilim时，需要在膜表面发生水解，以H+来补充离子的亏损。27三、极化与沉淀„对策：„控制操作电流：电流按极限电流的70～90%下运行。„定时倒换电极法：使浓、淡室倒换。„定期酸洗：1～1.5%盐酸洗除水垢。„增加水流速度：使δ减少、减轻极化现象。„由于膜污染和浓差极化导致渗透通量下降，操作过程中大量能耗用于控制浓差极化和膜污染。„产生浓差极化的因素很多，但关键的因素是由于膜的屏障作用使得靠近膜表面的盐分大量聚积。28第四节反渗透法„自从60年代反渗透技术问世以来，反渗透膜的性能有了较大发展，推动了反渗透技术的发展；„目前反渗透技术是海水淡化最经济的技术，是苦咸水淡化的主要手段，是超纯水和纯水制备的优选技术。29一、反渗透原理及过程1、渗透现象与渗透压„反渗透：„利用压力差大于透渗压力，分离离子与小分子的方法。302、反渗透机理（选择性吸附－毛细管流机理）631二、反渗透膜分类„按使用范围分：„高压反渗透膜：„用于海水淡化，操作压力5*106KPa；„低压反渗透膜：„用于苦咸水除盐，操作压力1.4-2.0MPa；„超低压反渗透膜（纳滤）：„对二价离子和分子量大于300的有机物的截留较高，操作压力1.0MPa以下；32三、反渗透工艺工艺组成„前处理；„膜组件连接工艺；„后处理33三、反渗透工艺1、前处理„目的：改善水质，防止水污染物对膜污染，延长膜寿命，节省运行费用。„对象：控制悬浮物，胶体；控制水垢和污垢；油及有机物；调节温度和pH值；34三、反渗透工艺2、反渗透组件工艺„单程式„循环式„多段式35三、反渗透工艺3、后处理„对透过水的进一步处理（离子，气体等）；„对浓缩液的处理：有用物质回收与回用；„对膜的清洗；36四、反渗透膜清洗„膜清洗与预处理完善程度有关；„常用的清洗方法：„物理法：„水力，水气混合清洗；„超声波清洗；„化学法：„柠檬酸；„柠檬酸胺；„浓盐水；737第五节微滤、超滤和纳滤38微滤（MF）„微滤（MF）膜多数为对称结构，厚度10~150um不等，具有均匀的多孔结构，孔径范围为0.05-10微米。„也有不对称的微孔膜，膜孔呈截头圆锥体状贯通膜面，过滤时原水在孔径小的膜面流过。„基本原理是筛滤，还有膜表面的吸附截留和架桥截留，以及膜内部网络中的截留。操作压力为0.7-7KPa；„微滤是一种静态过滤，随过滤时间延长，膜面上截流沉积不溶物，引起水流阻力增大，透水速率下降，直至微孔全被堵塞。39超滤（UF）„超滤膜多为不对称结构，由一层极薄（小于1微米）的具有小尺寸孔径的表皮层和一层较厚（125微米）具有海绵状或指状结构的多孔层组成。前者起分离作用，后者起支撑作用。„超滤膜孔径范围1-50纳米，膜孔径大，能在小压力下工作。能分离分子量大于数千的大分子和胶体物质。„筛分是超滤的主要机理。此外，膜的孔径和表面化学性质分别起不同的截留作用。„超滤由泵提供推动力，在膜表面产生两个分力：一个是垂直于膜面的法向分力，使水分子透过膜，另一个是和膜面平行的切向力，把膜面截流物冲掉。因此，在超滤膜表面不易产生浓差极化和结垢。40纳滤（NF）„纳滤膜（NF）介于反渗透膜和超滤膜之间，是近十年来发展的膜品种，亦叫荷电超滤。„截留分子量在百量级，再加上电荷的影响，在水的软化、不同价阴离子的分离和高低分子量有机物分级以及中低分子量除盐方面有独特的优点。41膜分离机理总汇离子交换膜非解离和大分子离子交换电位差电渗析致密不对称膜复合膜全部悬浮物、溶质和盐溶解/扩散压力差1.0-10.0MPa反渗透致密不对称膜复合膜溶质、中小分子、盐（200-1000）筛分溶解/扩散压力差0.5-2.5MPa纳滤具有皮层的多孔膜胶体、大分子（1000-300000）筛分压力差0.1-0.5MPa超滤对称多孔膜不对称多孔膜悬浮物、细菌0.01-10微米筛分压力差0.01-0.2MPa微滤膜结构截留物分离机理推动力膜过程