电渗析过程研究进展

电渗析过程研究进展化学工程与技术电渗析简介不同种电渗析介绍•双极膜电渗析•填充床电渗析•倒极电渗析•液膜电渗析应用实例•双极膜电渗析制备琥珀酸•填充床电渗析处理废水制取纯水电渗析简介概念渗析：利用半透膜的选择透过性来分离不同的溶质粒子（如离子）的方法。电渗析：在电场作用下进行渗析时，溶液中的带电的溶质粒子（如离子）通过膜而迁移的现象。利用电渗析进行提纯和分离物质的技术称为电渗析法电渗析简介原理电渗析过程是电化学过程和渗析扩散过程的结合；在外加直流电场的驱动下，利用离子交换膜的选择透过性(即阳离子可以透过阳离子交换膜，阴离子可以透过阴离子交换膜)，阴、阳离子分别向阳极和阴极移动。电渗析简介渗析膜离子迁移过程中，若膜的固定电荷与离子的电荷相反，则离子可以通过；如果它们的电荷相同，则离子被排斥，从而实现溶液淡化、浓缩、精制或纯化等目的。渗析膜是用高分子材料制成的一种薄膜，上面有离子交换活性基团。膜内含有酸性活性基团的称为阳膜；如有碱性活性基团的称为阴膜。电渗析简介分类•倒极电渗析•填充床电渗析•液膜电渗析•高温电渗析•双极膜电渗析电渗析简介特点1.无化学添加剂、环境污染小；2.对原水含盐量变化适应性强；3.操作简单，易于实现机械化和自动化；4.设备紧凑耐用，预处理简单；5.水利用率高。电渗析简介应用电渗析简介发展1890年，Ostwald揭示：若膜对阳离子和阴离子都不能渗透，则膜对任何电解质均不渗透；1911年，Donnan提出了描述浓度平衡的数学方程，产生了Donnan排斥机理；1925年，Michaelis和Fujita用均相弱酸性棉胶膜(焦木素Pyroxyline)进行了离子选择性膜的基础研究1940年，Wassenegger和Jaeger用酚-甲醛缩聚树脂研制了离子交换膜；1950-1953年，Ionics公司、Rohm和Haas公司分别制备出商业化离子交换膜。电渗析简介设备•工作原理电渗析设备将阴、阳离子交换膜交替排列于正负电极之间。并用特制的隔板将其隔开，组成除盐（淡化）和浓缩两个系统，在直流电场作用下，利用离子交换膜的选择透过性（其实质是反扩散），一部分水淡化，一部分水浓缩，把电解质从溶液中分离出来,从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯。电渗析简介•设备电渗析简介•隔板•电极板双极膜电渗析双极膜电渗析（BMED）将双极膜与阴、阳离子交换膜组合构成双极膜电渗析系统(bipolarmembraneelectrodialysis，简称BMED)。它能够在不引入新组分的情况下将水溶液中的盐转化为对应的酸和碱。其应用范围从化工领域的脱盐和酸碱制备、生物领域的蛋白和氨基酸提纯拓展到环保领域中工业废水的纯化、浓缩、高纯水制备等领域双极膜电渗析什么是双极膜？双极膜是(bipolarmembrane，简称BPM)是一种新型的离子交换复合膜。它通常由阳离子交换层(N型膜)、界面亲水层(催化层)和阴离子交换层(P型膜)复合而成。当在阳极和阴极之间施加电压时，电荷通过离子进行传递，如果没有离子存在，则电流将由水解离出的氢离子和氢氧根离子传递。双极膜电渗析•双极膜水解离过程双极膜反向加压时，正、负离子从离子交换界面层分别通过阳、阴层向主体溶液发生迁移，从而在界面层内发生离子耗竭，形成高电势梯度，从而使水分子解离。水解离产物H+和OH-分别朝向膜两侧的主体溶液迁移，消耗的水又通过膜外溶液中的水向中间界面层渗透而补充。双极膜电渗析特点•技术先进、•工艺简单、•经济高效、•环境友好双极膜电渗析BMED装置的典型构型1.BPM/AEM/CEM三隔室BMED2.CEM/BPM二隔室BMED3.AEM/BPM二隔室BMED双极膜电渗析BPM/AEM/CEM三隔室BMED：主要用于处理水中易电离的盐溶液。含盐废水在AEM和CEM之间的隔室流动，施加直流电后，BPM的界面层发生水的解离，H+同阴离子X-结合形成酸，OH-同阳离子M+结合形成碱。双极膜电渗析三隔室BMED的优点：•生产有机酸纯度较高，需要后处理步骤较少•可与发酵设备在线连接，实现连续生产，提取发酵产物三隔室BMED的缺点：•能耗高双极膜电渗析•CEM/BPM二隔室•AEM/BPM二隔室CEM／BPM型二隔室BMED处理弱酸盐可得到碱流和酸／盐合流AEM／BPM型二隔室BMED用于转换弱碱盐得到酸液和碱／盐混合液双极膜电渗析二隔室BMED的优点：•结构简单•生产产品的平均能耗较低二隔室BMED的缺点：•无法实现与发酵设备的在线对接，废液产量较大。•后处理成本较高双极膜电渗析双极膜电渗析的应用•有机酸的生产：乳酸、葡萄糖酸、柠檬酸、古龙酸、水杨酸、甲酸等•食品医药工业的应用：大豆浓缩蛋白、乳清浓缩蛋白、降低热带水果酸度、溶解壳聚糖、•有机碱的生产：制备四甲基氢氧化铵、再生脱硫剂哌嗪(paiqin)、双极膜电渗析展望双极膜电渗析在化工、环保、生物分离、能源等领域均具有广阔的应用前景，并在部分特种分离方向实现了产业化应用。在膜材料及膜制备工艺方面开展重点研究。1.开发非季铵型阴膜层BPM。2.提高膜的化学稳定性，进一步增强膜的抗污染性能和离子选择性。3.研究新的界面催化组分，降低膜工作电压。填充床电渗析填充床电渗析填充床电渗析又称为电去离子技术(Continuouselectrodeion—ization，简称CEDI或EDI)，是电渗析和离子交换相结合的膜分离技术，结合离子交换树脂和离子交换膜，在直流电场作用下实现去离子过程的新型水处理技术。填充床电渗析现状目前世界上有数千个电去离子(EDI)装置被用于纯水／超纯水的制备，主要由Ionpure、Ionics、GE和Electropure等公司制造，其容量范围从小于0.1m3／h以及到大于250m3／h等不同规模都有出现。国内也有少数企业生产类似的商业化产品，但规模较小。这类设备被广泛应用于电力、化工、半导体、电子和制药等领域，其用途是为这些领域的生产加工过程提供所需的高纯水／超纯水。填充床电渗析装置填充床电渗析装置一般由离子交换膜、隔板、电极、夹紧装置、溶液流道和管路等组成，其中膜堆由淡室和浓室交替排列组合而成。淡室中填充了阴离子和阳离子的交换介质，如离子交换树脂、离子交换纤维以及无机离子交换剂等填充床电渗析装置的工作原理包括离子迁移和树脂再生。离子迁移：即在直流电场作用下，淡室水中的正、负离子沿树脂床和离子交换膜构成的通道分别向负极和正极方向迁移，正、负离子分别透过阳／阴离子交换膜进入相邻的浓室，由此生成淡水和浓水。填充床电渗析•树脂再生当超过极限电流时，膜和树脂附近的界面层发生极化，使水电离为H+和OH-，可以分别被混合阴、阳离子交换树脂吸附，并替代被树脂吸附的电解质离子，从而使树脂得到再生。填充床电渗析混合式分层式填充床填充方式分置式倒极电渗析倒极电渗析倒极电渗析（简称EDR）一定时间间隔正、负极互换，能自动清洗离子交换膜和电极表面形成的污垢、确保离子交换效率的长期稳定性及水质。EDR具有自身清理功能，可以有效地抑制钙镁结垢物和微生物、胶体等污物在电渗析器内部的积累。倒极电渗析倒极电渗析操作(l)转换直流电源电极的极性，使浓、淡室互换，离子流动反向进行;(2)转换进出水阀门，使浓、淡寡的供排水系统互换;(3)极性转换后持续1~2min，将不合格淡水归人浓水系统，然后浓、淡水各行其路，恢复正常运行。倒极电渗析电渗析过程污垢：•由电极反应和极化产生的钙、镁的碳酸盐污垢；•因浓水过饱和而慢慢析出的钙、镁的硫酸盐污垢，•在直流电场作用下，带电物质在膜表面的沉积物（有机物、胶体和微生物等)。倒极电渗析的除垢机理:因为频繁倒换电极，使得污垢难以形成沉积或粘附，而随水流排出，达到自身清洗的作用。这样就保证了膜的选择透过性和电极的导电性能。倒极电渗析倒极电渗析的特点1.EDR的除盐率可高达75%至95%;2.EDR耐游离氯可达20ppm，故可用氯杀菌，确保水系统不受细菌污染。3.EDR耐高温可达45，耐酸碱Ph=1~10,清洗离子交换膜容易。4.EDR操作成本及维修费比其他纯化系统低。5.EDR离子交换膜寿命可达5年以上。6.EDR允许原水快速变化及误操作，系统安全保障性最高液膜电渗析液膜电渗析液膜电渗析（简称LMED）利用液膜来代替电渗析装置中的固态粒子交换膜。利用萃取剂作液膜电渗析的液态膜，使之成为浓缩和提取贵金属、重金属、稀有金属等的高效分离方法。其实验模型是利用半透性玻璃纸将液膜溶液包封制成薄层状的隔板,然后装入小型电渗析器中进行运转。液膜电渗析液膜电渗析的应用1.浓缩提取化合物：提取锇系金属、浓缩锌2.合成高纯物质：制取高纯高铼酸铵3.脱盐：脱除NaCl液膜电渗析液膜电渗析提取锇V.N.Golubev等人利用液膜电渗析,在溶液流速为0.5L/h的条件下,实现了从含50g/LH2SO4和铜、锌、铅以及其它阳离子的水溶液中提取锇。液膜电渗析合成高纯高铼酸铵液膜电渗析用于制取高纯高铼酸铵,已取得法国专利。采用液膜电渗析，可分别从含有和离子的两个溶液中，一步合成高铼酸铵。双极膜电渗析制备琥珀酸填充床电渗析处理废水制取纯水