水的除鹽與咸水淡化(下)

1、33電滲析法淡化與除鹽一、離子交換膜及其作用機理：二、電滲析原理及過程三、電滲析器的構(gòu)造與組裝四、電流效率與極限電流密度五、極化與沉淀六、電滲析法水處理除鹽工藝系統(tǒng)七、電滲析技術(shù)的新發(fā)展1 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力作用下，利用特定膜的透過性能，達到分離水中離子或分子以及某些微粒的目的。 膜分離的推動力可以是膜兩側(cè)的壓力差、電位差或濃度差。這種分離方法可在室溫、無相變條件下進行，具有廣泛的適用性。各種膜分離法的推動力與分離對象如下表所示。 膜能使溶劑(水)透過的現(xiàn)象稱為滲透，膜能使溶質(zhì)透過的現(xiàn)象為滲析。2一、離子交換膜及其作用機理：1，離子交換膜：

2、離子交換膜是電滲析器的重要組成部分，按其選擇透過性能，主要分為陽膜與陰膜、按其膜體結(jié)構(gòu)，可區(qū)分為異相膜、均相膜、半均相膜3種。異相膜的優(yōu)點是機械強度好、價格低，缺點是膜電阻大、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的聚合電解質(zhì)(樹脂)與成膜材料(粘合劑)粘合生成薄膜，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，它的化學(xué)性能不均勻，如下圖所示，在沒合電解質(zhì)之間為成膜材料所充滿，故叫異相膜， 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溶液，成當(dāng)兩者同時存在時發(fā)生。3 均相膜指整張膜完全是按離子交換樹脂的制造工藝制成的，是將樹脂的母體連接起來，成為連

3、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，它的化學(xué)性能的均勻性可以大為提高，但兩者之間沒有化學(xué)結(jié)合。4(1)選擇透過率：離子交換膜的選擇透過性實際上并不是那樣理想的，因為總是有少量的同號離子(即與膜上的固定活性基電荷符號相同的離子)同時透過。例如，陽膜對陽離子的選擇透過性可由如下指標(biāo)表示：5(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cm 2。62

4、，離子交換膜的作用機理：道南平衡理論：7道南平衡理論：（C1+X）X=（C2-X）2 X=C22/（C1+2C2）平衡狀態(tài)下，膜兩側(cè)的Cl-濃度比值：即，當(dāng)膜一側(cè)NaZ濃度非常大時，X趨近于0，此時膜另一側(cè)的Cl-幾乎不能透過膜來。8離子交換膜的選擇透過性解釋：把離子交換膜和溶液的界面看作半透膜，固定于離子 交換膜上的活性基團相當(dāng)于不擴散離子Z-， 可交換離子為Na+；膜中含有大量的活性基團：C1很大，Cl-幾乎進不了膜內(nèi)，即膜對離子具有選擇透過性。增大溶液中NaCl濃度C2，進入膜內(nèi)的Cl-增加，膜的選擇透過性相應(yīng)降低。陰離子交換膜原理相同。9二、電滲析原理及過程：電滲析法：外加直流電場作用

5、下，利用離子交換膜的選擇透過性，使水中陰陽離子做定向遷移，從而達到離子從水中分離的一種物理化學(xué)過程。以最基本的雙膜電滲析槽為例：10 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。 在電滲析過程中，電能的消耗主要用來克服電流通過溶液、膜時所受到的阻力以及進行電極反應(yīng)。運行時，進水分別地不斷流經(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，被室出水不斷排除電極過程的反應(yīng)物質(zhì)，以保證電滲析的正常進行。11三、電滲析器的構(gòu)造與組裝：1、構(gòu)造：122、組裝：13四、電流效率與極限電流密度：1，電流效率：142，極限電流密度：電流密度i：電滲析器運行時

6、，單位面積的膜通過的電流稱電流密度。極限電流密度iLim：膜表面發(fā)生濃差極化現(xiàn)象時的電流密度稱極限電流密度。濃差極化：電滲析器在運轉(zhuǎn)中，膜兩邊出現(xiàn)濃度差的膜界面現(xiàn)象稱濃差極化。15五、極化與沉淀：16（一）極化的危害極化是電滲析器運行中常見問題，其危害如下。 (1)降低電流放率 由于極化時、導(dǎo)致水分子大量解離，在電場作用下，水的解離造成H和OH離子的遷移，可見其部分電能消耗在水的解離和與脫鹽無關(guān)的H和OH離子遷移上，使電流放率下降。 (2)降低除鹽率和產(chǎn)率 極化會在濃水室陰膜表面上產(chǎn)生沉淀，形成水垢，對運行帶來不良的影響。 (3)淡水pH值下降。17防止和消除結(jié)垢的主要措施：18六、電滲析法水

7、處理除鹽工藝系統(tǒng) 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)電滲析器木體的工藝系統(tǒng) 選則經(jīng)濟合理的電滲析工藝系統(tǒng)(即除鹽方式)，是設(shè)計電滲析除鹽水處理工藝的一個重要部分。一般應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)、用水水量、用水水質(zhì)要求等，通過技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。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。19 1直流式除鹽 原水流經(jīng)一臺或多臺串聯(lián)的電滲析器后，即能達到要求的水質(zhì)。該法的優(yōu)點是可連續(xù)制水、管道簡單；缺點是定型設(shè)備的出水水質(zhì)隨原水含鹽量而變。 2循環(huán)式除鹽 將原水在電滲析器和水箱中多次循環(huán)，以達到所需出水的水質(zhì)

8、。其缺點是需設(shè)置循環(huán)水泵和水箱，并只能間歇供水。 3. 部分循環(huán)式除鹽 它是直流式和循環(huán)式除鹽相結(jié)合的一種方式：在部分循環(huán)式除鹽工藝系統(tǒng)中，電滲析器的出口淡水分成兩路，一路連續(xù)出水供用戶使用；另一路返回電滲析器與水箱中水相混，繼續(xù)進行除鹽。其特點是用定型設(shè)備可適用不同水質(zhì)和水量的要求。在原水含鹽量變化時，可調(diào)節(jié)循環(huán)量去保持出水水質(zhì)穩(wěn)定，但系統(tǒng)較復(fù)雜。20 (二)電滲析器與其他水處理設(shè)備的組合除鹽系統(tǒng) 電滲析一般用于含鹽量較高的苦咸水、高硬度水的部分除鹽，以作深度除鹽的頂處理。由于電滲析法除鹽有其適用范圍在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)和除鹽水水質(zhì)要求，與離子交換水處理技術(shù)等相結(jié)合，使其在水處理工藝中各

9、自發(fā)揮其優(yōu)勢，以達到合理的技術(shù)經(jīng)濟效果，并能穩(wěn)定運行。其常用的組合除鹽水處理系統(tǒng)如下。 1“預(yù)處理電滲析離子交換”的組合除鹽系統(tǒng) 2“預(yù)處理離子交換電滲析”的組合除鹽系統(tǒng) 3“預(yù)處理離子交換(軟化)電滲析離子交換(軟化)”的組合除鹽系統(tǒng) 21七、電滲析技術(shù)的新發(fā)展： (1)頻繁倒極電滲析工藝：配有自動化控制，每小時倒換電極2-3次，對于消除和防止結(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，使水利用率提高到7090。 (3)高溫電滲析：將進水加熱到7075，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、強度好。 (4)不解體清洗的電滲析：研

10、制出有效的化學(xué)清洗液，用以清除膜面附著物(軟垢)，可使裝置在23年內(nèi)不必拆開清洗。 (5)鼓泡式電滲析：借助于放入氣泡的攪動作用來提高傳質(zhì)效果，并能清除膜面污染，該裝置不設(shè)置隔網(wǎng)，預(yù)處理亦可簡化，由于借空氣的提升力，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)范圍更廣的電滲析離子交換除鹽系統(tǒng)。2234反滲透與超濾一、反滲透（RO）：1，滲透現(xiàn)象與滲透壓：半透膜：只能通過水分子，但不能通過溶質(zhì)分子的膜。滲透現(xiàn)象： 用只能讓水分子透過，而不允許溶質(zhì)透過的半透膜將純水與咸水分開，則水分子將從純水一側(cè)通過膜向咸水一側(cè)透過。結(jié)果使咸水一側(cè)的液面上升，直

11、至到達某一高度，此即所謂滲透過程，如右圖所示。23滲透現(xiàn)象的熱力學(xué)解釋：24滲透壓：滲透平衡時，兩邊液面高度形成的壓力差稱滲透壓，。滲透壓由溶質(zhì)種類和濃度大小而定，還與溫度有關(guān)。252，反滲透：向咸水一側(cè)施壓P則可阻止?jié)B透的進行，如果P ,則咸水溶液中的水分子向純水一邊遷移,此過程稱反滲透.26理論耗能量:理論上用反滲透法從海水中生產(chǎn)單位體積淡水所耗費的最小能量. Wlim=ARTS/VA系數(shù)，0.000537R理想氣體常數(shù)S海水鹽度，一般34.3，代入分子值V水的偏摩爾體積，1.8*105M3/mol實際耗能量比理論值大的多。273，反滲透膜及其透過機理：反滲透膜 反滲透膜是一種只允許水通過

12、而不允許溶質(zhì)透過的半透膜。用于水的淡化除鹽的膜按物理形態(tài)可分為：對稱膜、不對稱膜和復(fù)合膜。對稱膜又稱均質(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；不對稱膜指膜的斷面為不對稱結(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(CA膜)的斷面可分成表皮層、過渡層和支撐層三部分。表皮層結(jié)構(gòu)致密，孔徑0.8lnm，厚約0.25um，起脫鹽的關(guān)鍵作用。表皮層下面為孔徑約20nm的過渡層，其下為結(jié)構(gòu)疏松、孔徑為100400nm的多孔支撐層，膜總厚度約100um，含水量占60左右。 28反滲透膜要求具有下列性能單位膜面積的透水速度決。脫鹽率高機械強度好，耐壓密化學(xué)穩(wěn)定性

13、好，能耐酸堿和微生物的侵蝕。能耐污染使用壽命長，性能衰降小制膜容易，價格低廉，原料充沛，特殊場合要求耐溶劑、耐高溫等29透過機理 選擇性吸著毛細管流機理是以吉布斯吸附式為依據(jù)，認為膜表面由于親水性原因，能選擇吸附水分子而排斥鹽分，因面在固液界面上形成厚度為兩個水分子(1nm)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毛細管流過反滲透膜(見上圖)。膜表皮層具有大小不同的極細孔隙，當(dāng)其中的孔隙為純水層厚度的一倍(2nm)時，稱為膜的臨界孔徑，可達到理想的脫鹽效果。 當(dāng)孔隙大于臨界孔徑，透水性增大，但鹽分容易從孔隙中透過，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

14、。30 板框式裝置由一定數(shù)量的多孔隔板組合而成，每塊隔板兩面裝有反滲透膜。 管式裝置分為內(nèi)壓管式和外壓管式兩種。4，反滲透淡化裝置、工藝流程與布置系統(tǒng)：裝置： 卷式、中空纖維式膜組件(元件)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；而對含懸浮物、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4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)了絕大多數(shù)天然水的脫鹽和海水淡化市場。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。31 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合，用粘合劑沿三邊把兩

15、層膜粘結(jié)密封，另一開放邊與中間淡水集水管聯(lián)接，再卷繞一起。 含鹽水由一端流入導(dǎo)流隔網(wǎng)，從另一端流出，透過膜的淡化水沿多孔支撐材料流動，由中間集水管引出。 中空纖維式裝置是把一束外徑50100 m、壁厚1225m的中空纖維彎成U形，裝于耐壓管內(nèi)，纖維開口端固定在環(huán)氧樹脂管板中，并露出管板。透過纖維管壁的淡化水沿空心通道從開口端引出。該裝置特點是，膜的裝填密度最大而且不需外加支撐材料。324，反滲透淡化裝置、工藝流程與布置系統(tǒng)：工藝流程： 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。 預(yù)處理要求進水水質(zhì)達到規(guī)定指標(biāo)，并且應(yīng)加酸調(diào)節(jié)進水pH值到5.56.2，以防止某些溶解固體沉積膜面而影響

16、產(chǎn)水量。 根據(jù)生產(chǎn)用水的使用要求，后處理方法有pH調(diào)整、殺菌、終端混床、微孔過濾或超濾等工序。334，反滲透淡化裝置、工藝流程與布置系統(tǒng)：布置系統(tǒng)：345，反滲透系統(tǒng)的應(yīng)用 20世紀(jì)80年代初,美國政府實驗室就開發(fā)出第一張復(fù)合聚酰胺膜。與纖維素膜相比,具有高而多的水通量和鹽截留率,且耐污染，大大促進了反滲透技術(shù)的應(yīng)用。目前已從最初的海水、苦咸水脫鹽及各種純水制造向水污染控制領(lǐng)域發(fā)展。 反滲透已在城市污水、垃圾填埋場、電鍍、食品和制藥等行業(yè)的廢水處理或回用中獲得應(yīng)用。35二、超濾（UF）：用于截留水中膠體大小的顆粒，水和低分子量的溶質(zhì)則允許透過膜。對比：反滲透、超濾、微孔過濾均以壓力差為推動力，

17、電滲析以電壓為推動力，滲析以濃度差為推動力。36操作方式：與反滲透工作方式相同，水在膜表面流動，部分水透過膜，大部分水流走的同時將膜表面的截留物質(zhì)帶走。（微孔過濾是將全部進水?dāng)D壓濾過，因而膜微孔易堵塞）性能： 超濾雖無脫鹽性能，但對于去除水中的細菌、病毒、膠體，大分子等微粒相當(dāng)有效，而且與反滲透相比，操作壓力低，設(shè)備簡單，因此超濾技術(shù)用于純水終端處理是較為理想的處理方法。 此外，超濾亦廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)以及工業(yè)廢水處理等各個領(lǐng)域。37越濾分離的特性有： (1)分離過程不發(fā)生相變化、耗能量少； (2)分離過程可以在常溫下進行，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

18、； (3)分離過程僅以低比壓泵提供的壓力作為推動力。設(shè)備及工藝流程簡單、易于操作、管理及維修； 4)適用范圍廣，凡溶質(zhì)分子量為50050000道爾頓或者溶質(zhì)尺寸大小為501000埃左右，都可以利用超濾分離技術(shù)，此外采用系列化不同截留分了量的膜，能將不同分子量溶質(zhì)的混合液中各組分實行分子量分級。38 超濾膜種類： 目前超濾膜的種類有醋酸纖維素膜，聚砜膜以及聚酰胺膜等。超濾裝置如同反滲透裝置，有板框式、管式(內(nèi)壓列管式和外壓管束式)，卷式和中空纖維式等型式。膜的截留分子量（表示膜的孔徑特征的量）：對特定膜的進行超濾操作，計算被截留物質(zhì)（分子量不同）的截留率，以物質(zhì)的分子量為橫坐標(biāo)，截留率為縱坐標(biāo)，得一曲線，對于該膜的特定曲線，對應(yīng)于截留率為90%的分子量稱為該膜的截留分子量。超濾膜為多孔結(jié)構(gòu)，超濾機理歸結(jié)為篩出作用，即篩分機理。大于膜的截留分子量的分子幾乎全部的被膜截留。39膜的截留分子量（表示膜的孔徑特征的量）：40二、超濾：超濾過程的一般表達式： 水的通量（JW）、溶質(zhì)的通量（JS）、溶質(zhì)去除率（R）的表達式及他們之間的關(guān)系： 41二、超濾：超濾過程中的濃差極化：在膜分離過程中，水連同小分子透過膜，而大分子溶質(zhì)則被膜所阻攔并不斷積累