第四講 電滲析法淡化與除鹽

1、 電電 廠廠 化化 學(xué)學(xué) 電滲析、反滲透、超濾以及滲析統(tǒng)稱為膜分離法。所謂膜電滲析、反滲透、超濾以及滲析統(tǒng)稱為膜分離法。所謂膜分離系指在某種推動(dòng)力作用下，利用特定膜的透過(guò)性能，達(dá)到分離系指在某種推動(dòng)力作用下，利用特定膜的透過(guò)性能，達(dá)到分離水中離子或分子以及某些微粒的目的分離水中離子或分子以及某些微粒的目的。 膜分離的推動(dòng)力可以是膜兩側(cè)的壓力差、電位差或濃度差膜分離的推動(dòng)力可以是膜兩側(cè)的壓力差、電位差或濃度差。這種分離方法可在室溫、無(wú)相變條件下進(jìn)行，具有廣泛的適。這種分離方法可在室溫、無(wú)相變條件下進(jìn)行，具有廣泛的適用性。各種膜分離法的推動(dòng)力與分離對(duì)象如下表所示。用性。各種膜分離法的推動(dòng)力與分離對(duì)

2、象如下表所示。 膜能使溶劑膜能使溶劑(水水)透過(guò)的現(xiàn)象稱為滲透，膜能使溶質(zhì)透過(guò)透過(guò)的現(xiàn)象稱為滲透，膜能使溶質(zhì)透過(guò)的現(xiàn)象為滲析。的現(xiàn)象為滲析。 離子交換膜是電滲析器的重要組成部分，按其選擇透過(guò)性離子交換膜是電滲析器的重要組成部分，按其選擇透過(guò)性能，主要分為陽(yáng)膜與陰膜、按其膜體結(jié)構(gòu)，可區(qū)分為異相膜、能，主要分為陽(yáng)膜與陰膜、按其膜體結(jié)構(gòu)，可區(qū)分為異相膜、均相膜、半均相膜均相膜、半均相膜3種。異相膜的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度好、價(jià)格低，種。異相膜的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度好、價(jià)格低，缺點(diǎn)是膜電阻大、耐熱差、透水性大。均相膜則相反。缺點(diǎn)是膜電阻大、耐熱差、透水性大。均相膜則相反。 異相模通常是具有交換基團(tuán)的聚合電異相模通常

3、是具有交換基團(tuán)的聚合電解質(zhì)解質(zhì)(樹(shù)脂樹(shù)脂)與成膜材料與成膜材料(粘合劑粘合劑)粘合生成薄粘合生成薄膜，井加入襯網(wǎng)而制成膜，井加入襯網(wǎng)而制成。 這種膜中的聚合電解質(zhì)并不是連續(xù)的這種膜中的聚合電解質(zhì)并不是連續(xù)的，它的化學(xué)性能不均勻，如下圖所示，在，它的化學(xué)性能不均勻，如下圖所示，在沒(méi)合電解質(zhì)之間為成膜材料所充滿，故叫沒(méi)合電解質(zhì)之間為成膜材料所充滿，故叫異相膜，異相膜， 膜中離子的遷移或靠聚合電解膜中離子的遷移或靠聚合電解質(zhì)顆粒之間的接觸，或借顆粒之間存在的質(zhì)顆粒之間的接觸，或借顆粒之間存在的溶液，成當(dāng)兩者同時(shí)存在時(shí)發(fā)生。溶液，成當(dāng)兩者同時(shí)存在時(shí)發(fā)生。 均相膜指整張膜完全是按離子交換樹(shù)脂的制造工藝制

4、成的，均相膜指整張膜完全是按離子交換樹(shù)脂的制造工藝制成的，是將樹(shù)脂的母體連接起來(lái)，成為連續(xù)的膜狀物，在這種膜中聚合是將樹(shù)脂的母體連接起來(lái)，成為連續(xù)的膜狀物，在這種膜中聚合電解質(zhì)和成膜材料之間發(fā)生了化學(xué)結(jié)合電解質(zhì)和成膜材料之間發(fā)生了化學(xué)結(jié)合而成為共聚體。而成為共聚體。 如下圖所示。由于這種膜的化學(xué)性能是均勻的，膜的各部分如下圖所示。由于這種膜的化學(xué)性能是均勻的，膜的各部分具有相同特性，是單相的，故叫均相膜。具有相同特性，是單相的，故叫均相膜。 半均相膜的聚合電解質(zhì)與成膜材料混合得十分均勻，它的半均相膜的聚合電解質(zhì)與成膜材料混合得十分均勻，它的化學(xué)性能的均勻性可以大為提高，但兩者之間沒(méi)有化學(xué)結(jié)合。

5、化學(xué)性能的均勻性可以大為提高，但兩者之間沒(méi)有化學(xué)結(jié)合。(2)膜電阻：膜電阻與電滲析所需要的電壓有密切的關(guān)系。電阻膜電阻：膜電阻與電滲析所需要的電壓有密切的關(guān)系。電阻越小，所需電壓越低。膜電阻一般用膜的電阻率乘以膜的厚度越小，所需電壓越低。膜電阻一般用膜的電阻率乘以膜的厚度表示，單位為表示，單位為cm 2。)(21)(21221212CCCCCCCxxCClCl即，當(dāng)膜一側(cè)NaZ濃度非常大時(shí)，X趨近于0，此時(shí)膜另一側(cè)的Cl-幾乎不能透過(guò)膜來(lái)。 為降低電極反應(yīng)在總能量消耗中所占的比例，工業(yè)生產(chǎn)為降低電極反應(yīng)在總能量消耗中所占的比例，工業(yè)生產(chǎn)中組成多膜電滲析槽，稱為電滲析器。中組成多膜電滲析槽，稱為

6、電滲析器。 在電滲析過(guò)程中，電能的消耗主要用來(lái)克服電流通過(guò)溶液、在電滲析過(guò)程中，電能的消耗主要用來(lái)克服電流通過(guò)溶液、膜時(shí)所受到的阻力以及進(jìn)行電極反應(yīng)。運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水分別地不斷膜時(shí)所受到的阻力以及進(jìn)行電極反應(yīng)。運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水分別地不斷流經(jīng)濃室、淡室以及極室。流經(jīng)濃室、淡室以及極室。 淡室出水即為淡化水，濃室出水即為濃鹽水，被室出水不斷淡室出水即為淡化水，濃室出水即為濃鹽水，被室出水不斷排除電極過(guò)程的反應(yīng)物質(zhì)，以保證電滲析的正常進(jìn)行。排除電極過(guò)程的反應(yīng)物質(zhì)，以保證電滲析的正常進(jìn)行。極化是電滲析器運(yùn)行中常見(jiàn)問(wèn)題，其危害如下。極化是電滲析器運(yùn)行中常見(jiàn)問(wèn)題，其危害如下。 (1)降低電流放率降低電流放率 由于

7、極化時(shí)、導(dǎo)致水分子大量解離，在電由于極化時(shí)、導(dǎo)致水分子大量解離，在電場(chǎng)作用下，水的解離造成場(chǎng)作用下，水的解離造成H和和OH離子的遷移，可見(jiàn)其部分離子的遷移，可見(jiàn)其部分電能消耗在水的解離和與脫鹽無(wú)關(guān)的電能消耗在水的解離和與脫鹽無(wú)關(guān)的H和和OH離子遷移上，離子遷移上，使電流放率下降。使電流放率下降。 (2)降低除鹽率和產(chǎn)率降低除鹽率和產(chǎn)率 極化會(huì)在濃水室陰膜表面上產(chǎn)生沉淀，極化會(huì)在濃水室陰膜表面上產(chǎn)生沉淀，形成水垢，對(duì)運(yùn)行帶來(lái)不良的影響形成水垢，對(duì)運(yùn)行帶來(lái)不良的影響。 (3)淡水淡水pH值下降。值下降。 電滲析法水處理除鹽工藝系統(tǒng)可以分兩種：一種是電滲析器本體的工藝電滲析法水處理除鹽工藝系統(tǒng)可以分

8、兩種：一種是電滲析器本體的工藝系統(tǒng)；另一種是電滲折器和其他水處理設(shè)備的組合系統(tǒng)。系統(tǒng)；另一種是電滲折器和其他水處理設(shè)備的組合系統(tǒng)。 (一一)電滲析器木體的工藝系統(tǒng)電滲析器木體的工藝系統(tǒng) 選則經(jīng)濟(jì)合理的電滲析工藝系統(tǒng)選則經(jīng)濟(jì)合理的電滲析工藝系統(tǒng)(即除鹽方式即除鹽方式)，是設(shè)計(jì)電滲析除鹽水處理，是設(shè)計(jì)電滲析除鹽水處理工藝的一個(gè)重要部分。一般應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)、用水水量、用水水質(zhì)要求等，工藝的一個(gè)重要部分。一般應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)、用水水量、用水水質(zhì)要求等，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。常用的除鹽方式有直流式、循環(huán)式和部分循環(huán)式通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。常用的除鹽方式有直流式、循環(huán)式和部分循環(huán)式三種，如下圖所示。三種

9、，如下圖所示。 (1)頻繁倒極電滲析工藝：配有自動(dòng)化控制，每小時(shí)倒換電極頻繁倒極電滲析工藝：配有自動(dòng)化控制，每小時(shí)倒換電極2-3次，對(duì)于次，對(duì)于消除和防止結(jié)垢有良好效果。消除和防止結(jié)垢有良好效果。 (2)提高電滲析器的水利用率：采用濃水循環(huán)并加入少量鹽酸的方法，使提高電滲析器的水利用率：采用濃水循環(huán)并加入少量鹽酸的方法，使水利用率提高到水利用率提高到7090。 (3)高溫電滲析：將進(jìn)水加熱到高溫電滲析：將進(jìn)水加熱到7075，電滲析工效大為提高，電耗顯，電滲析工效大為提高，電耗顯著下降，但要求膜能耐高溫、耐化學(xué)侵蝕、強(qiáng)度好。著下降，但要求膜能耐高溫、耐化學(xué)侵蝕、強(qiáng)度好。 (4)不解體清洗的電滲析

10、：研制出有效的化學(xué)清洗液，用以清除膜面附著不解體清洗的電滲析：研制出有效的化學(xué)清洗液，用以清除膜面附著物物(軟垢軟垢)，可使裝置在，可使裝置在23年內(nèi)不必拆開(kāi)清洗。年內(nèi)不必拆開(kāi)清洗。 (5)鼓泡式電滲析：借助于放入氣泡的攪動(dòng)作用來(lái)提高傳質(zhì)效果，并能清鼓泡式電滲析：借助于放入氣泡的攪動(dòng)作用來(lái)提高傳質(zhì)效果，并能清除膜面污染，該裝置不設(shè)置隔網(wǎng)，預(yù)處理亦可簡(jiǎn)化，由于借空氣的提升力，除膜面污染，該裝置不設(shè)置隔網(wǎng)，預(yù)處理亦可簡(jiǎn)化，由于借空氣的提升力，即可注入水，給水泵亦可省去。即可注入水，給水泵亦可省去。 (6)與其它脫鹽技術(shù)相組合的除鹽工藝研究：如與離子交換聯(lián)合組成適應(yīng)與其它脫鹽技術(shù)相組合的除鹽工藝研究

11、：如與離子交換聯(lián)合組成適應(yīng)范圍更廣的電滲析離子交換除鹽系統(tǒng)。范圍更廣的電滲析離子交換除鹽系統(tǒng)。 用只能讓水分子透過(guò)，而不允許溶質(zhì)透過(guò)的半透膜將純水用只能讓水分子透過(guò)，而不允許溶質(zhì)透過(guò)的半透膜將純水與咸水分開(kāi)，則水分子將從純水一側(cè)通過(guò)膜向咸水一側(cè)透過(guò)。與咸水分開(kāi)，則水分子將從純水一側(cè)通過(guò)膜向咸水一側(cè)透過(guò)。結(jié)果使咸水一側(cè)的液面上升，直至到達(dá)某一高度，此即所謂滲結(jié)果使咸水一側(cè)的液面上升，直至到達(dá)某一高度，此即所謂滲透過(guò)程，如右圖所示。透過(guò)程，如右圖所示。 反滲透膜是一種只允許水通過(guò)而不允許溶質(zhì)透過(guò)的半透膜。反滲透膜是一種只允許水通過(guò)而不允許溶質(zhì)透過(guò)的半透膜。用于水的淡化除鹽的膜按物理形態(tài)可分為：對(duì)稱

12、膜、不對(duì)稱膜和用于水的淡化除鹽的膜按物理形態(tài)可分為：對(duì)稱膜、不對(duì)稱膜和復(fù)合膜。對(duì)稱膜又稱均質(zhì)模；復(fù)合膜通常是用兩種不同的膜材料，復(fù)合膜。對(duì)稱膜又稱均質(zhì)模；復(fù)合膜通常是用兩種不同的膜材料，分別制成表面活性層和多孔支撐層；不對(duì)稱膜指膜的斷面為不對(duì)分別制成表面活性層和多孔支撐層；不對(duì)稱膜指膜的斷面為不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，主要有醋酸纖維素膜和芳香族聚酰胺膜兩大類。稱結(jié)構(gòu)，主要有醋酸纖維素膜和芳香族聚酰胺膜兩大類。 醋酸纖維素膜醋酸纖維素膜(CA膜膜)的斷面可分成表皮層、過(guò)渡層和支撐層的斷面可分成表皮層、過(guò)渡層和支撐層三部分。表皮層結(jié)構(gòu)致密，孔徑三部分。表皮層結(jié)構(gòu)致密，孔徑0.8lnm，厚約厚約0.25um，起脫

13、鹽起脫鹽的關(guān)鍵作用。表皮層下面為孔徑約的關(guān)鍵作用。表皮層下面為孔徑約20nm的過(guò)渡層，其下為結(jié)構(gòu)疏的過(guò)渡層，其下為結(jié)構(gòu)疏松、孔徑為松、孔徑為100400nm的多孔支撐層，膜總厚度約的多孔支撐層，膜總厚度約100um，含水含水量占量占60左右。左右。 選擇性吸著毛細(xì)管流機(jī)理是以吉布斯吸附式為依據(jù)，認(rèn)選擇性吸著毛細(xì)管流機(jī)理是以吉布斯吸附式為依據(jù)，認(rèn)為膜表面由于親水性原因，能選擇吸附水分子而排斥鹽分，因?yàn)槟け砻嬗捎谟H水性原因，能選擇吸附水分子而排斥鹽分，因面在固液界面上形成厚度為兩個(gè)水分子面在固液界面上形成厚度為兩個(gè)水分子(1nm)的純水層。在的純水層。在施加壓力作用下，純水層中的水分于便不斷通過(guò)毛

14、細(xì)管流過(guò)反施加壓力作用下，純水層中的水分于便不斷通過(guò)毛細(xì)管流過(guò)反滲透膜滲透膜(見(jiàn)上圖見(jiàn)上圖)。膜表皮層具有大小不同的極細(xì)孔隙，當(dāng)其中。膜表皮層具有大小不同的極細(xì)孔隙，當(dāng)其中的孔隙為純水層厚度的一倍的孔隙為純水層厚度的一倍(2nm)時(shí)，稱為膜的臨界孔徑，可時(shí)，稱為膜的臨界孔徑，可達(dá)到理想的脫鹽效果。達(dá)到理想的脫鹽效果。 當(dāng)孔隙大于臨界孔徑，透水性增大，但鹽分容易從孔隙中當(dāng)孔隙大于臨界孔徑，透水性增大，但鹽分容易從孔隙中透過(guò)，導(dǎo)致脫鹽率下降。反之若孔隙小于臨界孔徑，脫鹽率透過(guò)，導(dǎo)致脫鹽率下降。反之若孔隙小于臨界孔徑，脫鹽率增大，而透水性則下降。增大，而透水性則下降。4，反滲透淡化裝置、工藝流程與布

15、置系統(tǒng)：，反滲透淡化裝置、工藝流程與布置系統(tǒng)：裝置：裝置： 卷式、中空纖維式膜組件卷式、中空纖維式膜組件(元件元件)由于膜的充填密度大、單位由于膜的充填密度大、單位體積膜組件的處理量大，常用于大水量的脫鹽處理；而對(duì)含懸體積膜組件的處理量大，常用于大水量的脫鹽處理；而對(duì)含懸浮物、粘度較高的溶液，則主要采用管式及板式膜組件。浮物、粘度較高的溶液，則主要采用管式及板式膜組件。 目前反滲透裝置有板框式、管式、卷式和中空纖維式目前反滲透裝置有板框式、管式、卷式和中空纖維式4種類型。種類型。 工業(yè)上應(yīng)用最多的是卷式和中空纖維式膜組件，它占據(jù)了絕大工業(yè)上應(yīng)用最多的是卷式和中空纖維式膜組件，它占據(jù)了絕大多數(shù)天

16、然水的脫鹽和海水淡化市場(chǎng)。其中卷式膜組件是在天然水多數(shù)天然水的脫鹽和海水淡化市場(chǎng)。其中卷式膜組件是在天然水脫鹽中使用最廣泛的反滲透組件。脫鹽中使用最廣泛的反滲透組件。 卷式裝置如右圖所示，把導(dǎo)流卷式裝置如右圖所示，把導(dǎo)流隔網(wǎng)、膜和多孔支撐材料依次迭隔網(wǎng)、膜和多孔支撐材料依次迭合，用粘合劑沿三邊把兩層膜粘合，用粘合劑沿三邊把兩層膜粘結(jié)密封，另一開(kāi)放邊與中間淡水結(jié)密封，另一開(kāi)放邊與中間淡水集水管聯(lián)接，再卷繞一起。集水管聯(lián)接，再卷繞一起。 含鹽水由一端流入導(dǎo)流隔網(wǎng)，含鹽水由一端流入導(dǎo)流隔網(wǎng)，從另一端流出，透過(guò)膜的淡化水從另一端流出，透過(guò)膜的淡化水沿多孔支撐材料流動(dòng)，由中間集沿多孔支撐材料流動(dòng)，由中間

17、集水管引出。水管引出。 中空纖維式裝置是把一束外徑中空纖維式裝置是把一束外徑50100 m、壁厚壁厚1225mm的中空纖維彎成的中空纖維彎成U形，裝于耐壓管內(nèi)，纖維開(kāi)口端固定在形，裝于耐壓管內(nèi)，纖維開(kāi)口端固定在環(huán)氧樹(shù)脂管板中，并露出管板。透過(guò)纖維管壁的淡化水沿空心環(huán)氧樹(shù)脂管板中，并露出管板。透過(guò)纖維管壁的淡化水沿空心通道從開(kāi)口端引出。該裝置特點(diǎn)是，膜的裝填密度最大而且不通道從開(kāi)口端引出。該裝置特點(diǎn)是，膜的裝填密度最大而且不需外加支撐材料。需外加支撐材料。 反滲透法工藝流程由預(yù)處理、膜分離以及后處理反滲透法工藝流程由預(yù)處理、膜分離以及后處理3部分組成。部分組成。 預(yù)處理要求進(jìn)水水質(zhì)達(dá)到規(guī)定指標(biāo)，

18、并且應(yīng)加酸預(yù)處理要求進(jìn)水水質(zhì)達(dá)到規(guī)定指標(biāo)，并且應(yīng)加酸調(diào)節(jié)進(jìn)水調(diào)節(jié)進(jìn)水pH值到值到5.56.2，以防止某些溶解固體沉積，以防止某些溶解固體沉積膜面而影響產(chǎn)水量。膜面而影響產(chǎn)水量。 根據(jù)生產(chǎn)用水的使用要求，后處理方法有根據(jù)生產(chǎn)用水的使用要求，后處理方法有pH調(diào)整、調(diào)整、殺菌、終端混床、微孔過(guò)濾或超濾等工序。殺菌、終端混床、微孔過(guò)濾或超濾等工序。越濾分離的特性有：越濾分離的特性有： (1)分離過(guò)程不發(fā)生相變化、耗能量少；分離過(guò)程不發(fā)生相變化、耗能量少； (2)分離過(guò)程可以在常溫下進(jìn)行，適合一些熱敏性物質(zhì)如果汁、分離過(guò)程可以在常溫下進(jìn)行，適合一些熱敏性物質(zhì)如果汁、生物制劑及某些藥品等的濃縮或者提純；生物制劑及某些藥品等的濃縮或者提純； (3)分離過(guò)程僅以低比壓泵提供的壓力作為推動(dòng)力。