电渗析原理及研究进展

电渗析原理及研究进展摘要电渗析基本原理，是利用离子交换膜选择透过性。阳离子交换膜只允许阳离子，阻档阴离子，阴离子交换膜只允许阴离子，外加直流电场作用下，水中离子作定向迁移，使一路水中大部份离子迁移到另一路离子水中去，达到含盐水淡化目。本文介绍了电渗析原理，电渗析装置以及电渗析法的广泛应用，并详细介绍了电渗析器各部件。关键词电渗析原理电渗析器结构1.引言电渗析（简称ED）是以溶液中的离子选择性地透过离子交换膜为特征的，一种新兴的高效膜分离技术。它是利用直流电场的作用使水中阴、阳离子定向迁移，并利用阴、阳离子交换膜对水溶液中阴、阳离子的选择透过性（即阳膜具有选择透过阴离子而阻挡阳离子通过），使原水在通过电渗析器时，一部分水被淡化，另一部分则被浓缩，从而达到了分离溶质和溶剂的目。电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）的方法称为渗析。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称为电渗析。利用电渗析进行提纯和分离物质的技术称为电渗析法，它是20世纪50年代发展起来的一种新技术，最初用于海水淡化，现在广泛用于化工、轻工、冶金、造纸、医药工业，尤以制备纯水和在环境保护中处理三废最受重视，例如用于酸碱回收、电镀废液处理以及从工业废水中回收有用物质等。2.电渗析原理在外加直流电场作用下，利用离子交换膜的透过性(即阳膜只允许阳离子透过，阴膜只允许阴离子透过)，使水中的阴、阳离子作定向迁移，从而达到水中的离子与水分离的一种物理化学过程。原理是：在阴极与阳极之间，放置着若干交替排列的阳膜与阴膜，让水通过两膜及两膜与两极之间所形成的隔室，在两端电极接通直通电源后，水中阴、阳离子分别向阳极、阴极方向迁移，由于阳膜、阴膜的选择透过性，就形成了交替排列的离子浓度减少的淡室和离子浓度增加的浓室。与此同时，在两电极上也发生着氧化还原反应，即电极反应，其结果是使阴极室因溶液呈碱性而结垢，阳极室因溶液呈酸性而腐蚀。因此，在电渗析过程中，电能的消耗主要用来克服电流通过溶液、膜时所受到的阻力及电极反应。例如，用电渗析方法处理含镍废水，在直流电场作用下，废水中的硫酸根离子向正极迁移，由于离子交换膜具有选择透过性，淡水室的硫酸根离子透过阴膜进入浓水室，但浓水室内的硫酸根离子不能透过阳膜而留在浓水室内;镍离子向负极迁移，并通过阳膜进入浓水室，浓水室内的镍离子不能透过阴膜而留在浓水室中。这样浓水室因硫酸根离子、镍离子不断进入而使这两种离子的浓度不断增高;淡水室由于这两种离子不断向外迁移，浓度降低。离子迁移的结果是把电渗析器的两个电极之间隔室变成了溶液浓度不同的浓室和淡室。浓水系统是一个溶液浓缩系统，而淡水系统是一个净化系统。用电渗析法回收镍时，以硫酸钠溶液作为电极液，硫酸钠可减轻铅电极的腐蚀，浓水回用于镀槽，淡水用于清洗镀件。3.电渗析装置电渗析器的构造包括压板、电极托板、电极、极框、阴膜、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，组成一定形式的电渗析器。电渗析器的辅助设备还包括水泵、整流器等，组成了电渗析装置。3.1电渗析器的构造：电渗析器由膜堆、极区和压紧装置三部分构成。3.1.1膜块：是由相当数量膜对组装而成。膜对：是由一张阳离子交换膜，一张隔板甲（或乙）；一张阴膜，一张隔板乙（或甲）组成。离子交换膜：是电渗析器关键部件，其性能影响电渗析器的离子迁移效率、能耗、抗污染能力和使用期限等。其中膜的分类：按膜结构分为：异相膜、均相膜和半均相膜；按膜上活性基团不同分为：阳膜、阴膜和特种膜；按膜材料不同分为：有机膜和无机膜。隔板：分浓、淡水隔板，交替放阴阳膜之间，使阴膜和阳膜之间保持一定间隔，隔板平面水流，垂直隔板平面电流。隔板厚离0.9毫米。3.1.2极区包括电极、极框和导水板。电极：为连接电源所用极框：放置电极和膜之间，膜帖到电极上去，起支撑作用。3.1.3压紧装置：是用来压紧电渗析器，使膜堆、电极等部件形成一个整体，不致漏水。3.2、组装方式：电渗析器组装是用“级”和“段”来表示，一对电极之间膜堆称为“一级”。水流同向每一个膜称为“一段”。增加段数就等于增加脱盐流程，也就是提高脱盐效率，增加膜对数，可提高水处理量。电渗析器组装方式可淡水产量和出水水质不同要求而调整，一般有以下几种组装形式：一级一段；一级多段；多段一段；多级多段。3.3各部件详细介绍电渗析器外形如《蓄》文中图2、图3所示,5个电渗析组件由6片极板隔开,每个组件又由32片塑料水道隔板和33片膜片组成,极板上有由橡胶水道隔板和极板膜组成的极水通道,这几百片膜片和隔板有序的排列和孔道的对齐是电渗析器正常工作的根本保证。3.3.1极板极板如图1a所示,尺寸为150mm×200mm×1mm,左上端凸耳为导线连接孔,极板上的A孔和B孔分别为淡水孔与浓水孔,直径为10mm(浓、淡水孔定期人为更换),C孔为极水孔,直径为8mm。极板材料是不锈钢,安装在电渗析组件的两端,接24V直流电压以形成电场。工作时4～5个电渗析组件并联,电流总和不大于1A,如果电流较大,说明盐含量太大。在每2片极板之间夹有17片阳膜、16片阴膜和32片塑料水道隔板,每片阳膜和阴膜之间夹一片隔板形成水道。5个电渗析组件有6片极板。在直流电场作用下,水中金属正离子趋向负极板,并能通过阳膜,但被阴膜挡住;水中酸根负离子趋向正极板,并能通过阴膜,但被阳膜挡住。图中各字母含义:A———上部上排孔;B———上部下排孔;C———上部极水孔;A′———下部上排孔;B′———下部下排孔;C′———下部极水孔。3.3.2橡胶水道隔板橡胶水道隔板如图1b所示,其大小与极板相同,用厚115mm橡胶板冲压挖空制成。在每个电渗析组件中需2块橡胶水道隔板,它们紧贴在不锈钢极板上。如果极板另一侧还有电渗析组件,则极板两侧都要对称地贴上橡胶水道隔板。隔板上A、B、C孔应当与极板上A、B、C孔对齐。C孔为极水通道的连接点,弓字形漏孔即露出极板的部分,当接有直流电压的极板表面有水流过时,则吸附水中异性离子,形成极水,极水要经过各种膜片和隔板上的C′孔形成的极水通道引出。3.3.3极板膜极板膜如图2a所示,为淡黄色的阳膜,厚为016～018mm,该膜上有A、B2个孔与其它隔板、膜片叠成浓、淡2条水道,C′孔与橡胶水道隔板的C′孔对齐。极板膜的功用是:与橡胶水道隔板一起构成极水通道,并经C孔将极水引出,或使极水引入。处在中间位置的极板,两侧均有橡胶水道隔板与极板膜,经过横穿各膜片与隔板的C′孔水道,将各极水通道串联起来,使极水排出电渗析器外。3.3.4塑料水道隔板如图3所示,每一片塑料水道隔板处在一对阳膜与阴膜之间,使二者分开不接触,同时又在二者之间形成厚1mm的弓字形水道,水的电渗析过程就在这里进行。它采用的是白色软质塑料,光滑平直富有弹性。图3a及图3b所示的2种隔板夹在同一膜片的两侧,图3a中弓形水道连通A-A′上排孔,图3b中弓形水道连通B-B′下排孔,C孔位置不变,这表明同一膜片的两侧在工作中要分别形成2种不同的水质:如果膜片一侧形成淡水汇入A-A′通道,则膜片另一侧就形成浓水汇入B-B′通道。每个电渗析组件中有32片塑料水道隔板、16片阴膜、17片阳膜,每对阴、阳膜片之间夹一片塑料水道隔板,相邻塑料水道隔板水道中水质浓淡相反,泾渭分明。这样形成32条平行水道,其中16条为淡水通道,与其间隔排列的另16条为浓水通道,为了延长水流在电渗析器中流过的路程,32条水道分成两部分,中间由中隔膜分开。3.3.5普通膜普通膜如图2b所示。它的上部有A、B2个孔与其它隔板、极板的A、B孔对齐形成A、B2条水道;下部有A′、B′、C′3个孔与各水道隔板的A′、B′、C′孔对齐形成浓水、淡水、极水3条水道。其中A、B与A′、B′水道的浓、淡品质是可以由人工互换的。普通阳膜呈淡黄色,普通阴膜呈淡蓝色。3.3.6中隔膜中隔膜如图4所示。它的上半部没有孔,因此电渗析组件右半部分A、B水道在这里不能向左流通,必须经过塑料水道隔板形成的16条弓形水道下行(参见图5),汇集到下半部的A′、B′水道才可以通过中隔膜下部的A′与B′孔与电渗析组件左半部分的A′、B′水道相通。3.4电渗析器运行的工艺参数3.4.1电流效率电渗析析器运行时实际除盐量与理论除盐量之比称为电渗析器的电流效率。3．4.2电流密度与极化现象电渗析器工作时，单位膜面积上通过的电流称为电流密度。运行时，当电流密度达到一定值时，界面层离子的迁移速度远低于膜内离子迁移速度，迫使膜界面处水分子发生电离，依靠氢离子和氢氧根离子来传递电流，这种膜界面现象称为浓差极化，此时的电流密度称为极限电流密度。极化包括浓差极化和电极极化。极化发生后在阳膜淡室的一侧富集着过量的氢氧根离子，阳膜浓室的一侧富集着过量的氢离子;而在阴膜淡室的一侧富集着过量的氢离子，阴膜浓室的一侧富集着过量的氢氧根离子。由于浓室中离子浓度高，则在浓室阴膜的一侧发生碳酸钙等沉淀，从而增加膜电阻，加大电能消耗，减小膜的有效面积，降低出水水质，影响正常运行。4.电渗析的一般应用电渗析装置已被广泛应用于电力、化工、电子、环保、医药、纺织、食品等行业，获得令人满意的经济效益，具体用途主要有：1、海水、苦咸水淡化制取生活饮用水。2、制取啤酒、汽水、纯净水等饮料用水。3、制取低压锅炉用水。4、电渗析和离子交换法联合使用，制取蒸馏水、高纯水、超纯水，这种制水方法可节约酸碱80~90%，避免树脂的频繁再生，并大大降低制水成本。5、联合其他不同的处理单元，可制成满足电子、医药、食品、化工等更高档次的行业用水。6、电镀、电子等工业废水（液）中Au、Ag、Cu等贵重金属5.结语电渗析技术在膜分离技术领域里是一项比较成熟的技术,由于其具有环保、节能、对原水的水质要求相对较低等优点,而被广泛地用于食品、医药和化工等领域。近年来,随着对传统电渗析过程的改进,使电渗析技术成为新的热门研究领域。而研究离子交换膜的污染规律,建立起有效地缓解和清除膜污染措施,是解决电渗析技术更广泛应用的一个关键问题。笔者认为研究开发具有高化学和热稳定性、高选择渗透性、抗污染强的离子交换膜是电渗析技术发展的重要方向。