膜分離技術(shù)電滲析

關(guān)于膜分離技術(shù)電滲析電滲析（electrodialysis，ED）

滲透：由于化學(xué)位差的作用，純?nèi)軇ㄋ┩高^膜向溶液側(cè)移動，使溶液變淡，或者低濃溶液中的溶劑透過膜進入濃度高的溶液，而溶質(zhì)不透過膜。滲析：用膜把一容器隔成兩部分，膜的一側(cè)是溶液，另一側(cè)是純水，小分子溶質(zhì)（或離子）透過膜向純水側(cè)移動，同時，純水也可能透過膜向溶液側(cè)移動的過程；或者溶質(zhì)從濃度高的一側(cè)透過膜擴散到濃度低的一側(cè)的過程。電滲析：在電位差推動力的作用下，溶液中的帶電離子選擇性地透過離子交換（選擇透過）膜（荷電膜）的過程，是從水溶液中分離離子的一種分離技術(shù)。第2頁,共21頁，2024年2月25日，星期天電滲析優(yōu)點電滲析技術(shù)是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種膜分離技術(shù)。它具有以下優(yōu)點:能量消耗少，不發(fā)生相變，只用電能來遷移水中已解離的離子；電滲析器主要由滲析器、離子交換膜和直流正負(fù)電極組成，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作方便；離子交換膜不需要像離子交換樹脂那樣失效后用大量酸堿再生，可連續(xù)使用。第3頁,共21頁，2024年2月25日，星期天電滲析膜的性能要求（2）較好的化學(xué)穩(wěn)定性（3）較低的離子反擴散和滲水性（4）較高的機械強度（5）較低的膜電阻第4頁,共21頁，2024年2月25日，星期天電滲析膜的選擇透過機理在外加直流電場的作用下，根據(jù)異性電荷相吸的原理，溶液中帶正電荷的陽離子可被陽膜吸引，傳遞而通過微孔進入膜的另一側(cè)，同時帶負(fù)電荷的陰離子受到排斥；溶液中帶負(fù)電荷的陰離子可被陰膜吸引而傳遞透過，同時陽離子受到排斥。這就是離子交換膜具有選擇透過性的主要原因?？梢姡x子交換膜并不是起離子交換作用，而是起離子選擇透過的作用，更確切地說，應(yīng)稱為“離子選擇性透過膜”。雙電層理論

Gibbs-Donnan平衡理論第5頁,共21頁，2024年2月25日，星期天電滲析的原理在正負(fù)電極之間交替地平行放置陽膜和陰膜，依次形成濃水室和淡水室，當(dāng)兩膜所形成的隔室中充入含離子的水溶液（如NaCl溶液）并接上直流電源后，溶液中帶正電荷的陽離子(如Na+)向陰極方向遷移,溶液中帶負(fù)電荷的陰離子(如Cl-)向陽極遷移。由于離子交換膜具有離子選擇透過性，使淡水室中的陰、陽離子通過相應(yīng)的膜進入濃水室；而濃水室中的陰、陽離子不能遷移出去。結(jié)果使淡水室中的離子減少，起到脫鹽的作用；濃水室中的離子增加，起到鹽分濃縮的作用。將濃縮的鹽水和淡水分別引出即達到了溶液分離的目的。第6頁,共21頁，2024年2月25日，星期天電滲析中的傳遞過程反離子遷移過程：陽膜上的固定基團帶負(fù)電荷，陰膜上的基團帶正電荷。與固定基團所帶電荷相反的離子被吸引并透過膜的現(xiàn)象稱為反離子遷移。例如：淡水室中的陽離子（如Na+）穿過陽膜，陰離子（如Cl-）穿過陰膜進入濃水室就是反離子遷移過程，電滲析器即借此過程進行海水的除鹽。（主要傳遞過程）同性離子遷移：與膜上固定基團帶相同電荷的離子穿過膜的現(xiàn)象，稱為同性離子遷移。由于離子交換膜的選擇透過性不可能達到100%，因此，也存在著少量與膜上固定基團帶相同電荷的離子穿過膜的現(xiàn)象。這種遷移與反離子遷移相比，數(shù)量雖少，但降低了除鹽效率。第7頁,共21頁，2024年2月25日，星期天電滲析中的傳遞過程電解質(zhì)的濃差擴散（滲析）：由于濃水室與淡水室的濃度差，產(chǎn)生了電解質(zhì)由濃水室向淡水室的擴散過程，擴散速度隨濃度差的增高而增加，這一過程雖然不消耗電能，但能使淡化室含鹽量增高，影響淡水的質(zhì)量。水的滲透過程：由于電滲析過程的進行中，濃水室的含鹽量要比淡水室高。從另一角度講，相當(dāng)于淡水室中水的濃度高于濃水室中水的濃度，于是產(chǎn)生淡水室中的水向濃水室滲透，濃差愈大，水的滲透量愈大，這一過程的發(fā)生使淡水產(chǎn)量降低。水的分解：是由于電滲析過程中產(chǎn)生濃差極化或中性水離解成OH-和H+所造成，控制濃差極化可防止其產(chǎn)生。第8頁,共21頁，2024年2月25日，星期天電滲析中的傳遞過程水的電滲析過程：由于操作條件控制不良而造成極化現(xiàn)象，使淡水室中的水解離成H+和OH-，在直流電場的作用下，分別穿過陰膜和陽膜進入濃水室。此過程的發(fā)生將使電滲析器的耗電量增加，淡水產(chǎn)量降低。壓差滲透過程。由于淡化室與濃縮室的壓力不同，造成高壓側(cè)溶液向低壓側(cè)滲漏?？傊?，電滲析器在運行時，同時發(fā)生著多種復(fù)雜過程，除反離子遷移是電滲析的主要過程外，其余幾個過程均是電滲析的次要過程。但在這些次要過程的影響下，將使電滲析器的除鹽或濃縮效率降低，電耗增加。因此，必須選擇合適的離子交換膜和適宜的操作條件，以便抑制或改善這些不良因素的影響。第9頁,共21頁，2024年2月25日，星期天電滲析器的組裝及脫鹽流程膜對：由陰陽離子交換膜、淡水室、濃水室組成的基本單元。膜堆：一系列膜對組裝在一起。級：一對電級之間的膜堆數(shù)稱為級，電極對數(shù)就是電滲析器的級數(shù)。段：電滲析器中濃、淡水隔板水流方向一致的膜堆稱為一段，水流方向每改變一次，段數(shù)就增加一段。臺：將膜堆、電極等部件組裝成一個電滲析器稱為臺。

為了提高脫鹽率，一般常采用串聯(lián)形式，即將段與段串聯(lián)、級與級串聯(lián)、臺與臺串聯(lián)。將多臺電滲析器串聯(lián)起來，成為一次脫鹽流程的整體，叫做系列。第10頁,共21頁，2024年2月25日，星期天電滲析過程的影響因素電極反應(yīng)：

電極反應(yīng)是指存在于溶液中的離子在電極表面上得到或失掉電子而產(chǎn)生的氧化、還原反應(yīng)。以食鹽水溶液的電滲析過程為例。陽極H2O←→H++OH-

陰極H2O←→H++OH-2OH--2e-→H2O+O2↑2H++2e-←→H2↑2Cl--2e-→Cl2↑Na++OH-=NaOHCl-+H+=HCl其結(jié)果是在陽極室OH-減少，水呈酸性，并產(chǎn)生氧氣、氯氣等腐蝕性氣體，因此，應(yīng)選用耐腐蝕的陽極材料；陰極室H+減少，水呈堿性，若水中含有Ca2+、Mg2+、HCO3-等離子時，會產(chǎn)生CaCO3、Mg(OH)2等沉淀物，結(jié)集在陽極上形成水垢，同時有氫氣放出。因此，要不斷向極室通入極水，以便能不斷排出電極反應(yīng)產(chǎn)物，保證電滲析的正常運行。

第11頁,共21頁，2024年2月25日，星期天電滲析過程的影響因素電極電位：電極電位是電極與電解質(zhì)溶液之間的電位差。電極反應(yīng)達到平衡時的電位稱為平衡電極電位。為使電極反應(yīng)向一個方向進行，電極電位必須偏離平衡電位，兩者之差稱為過電位。降低電極的過電位可以降低電滲析的能耗。極化現(xiàn)象：在直流電場的作用下，水中陰、陽離子分別在膜間進行定向遷移，各自傳遞著一定數(shù)量的電荷，形成電滲析的操作電流。當(dāng)操作電流增大到一定程度時，膜內(nèi)離子遷移被強化，就會在膜附近界面內(nèi)造成離子的“真空”情況，迫使水離解成H+和OH-，補充承擔(dān)傳遞電流的任務(wù)。這就是極化現(xiàn)象。第12頁,共21頁，2024年2月25日，星期天電滲析過程的影響因素極化現(xiàn)象：產(chǎn)生的危害：1）電解出來的H+和OH-受電場作用分別穿過陽膜和陰膜，使陽膜的濃縮室側(cè)pH值升高，而產(chǎn)生CaCO3、Mg(OH)2等沉淀物，這些沉淀物附著在膜表面或滲入到膜內(nèi)，容易堵塞通道，使膜電阻增大，降低了有效膜面積。2）極化時部分電流消耗在與脫鹽無關(guān)的OH-遷移上，使電流效率下降，二者都將導(dǎo)致電耗上升。3）水的pH值變化及沉淀的產(chǎn)生，使膜容易老化，縮短膜的使用壽命。極化臨界點所施加的電流稱為極限電流，其數(shù)值大小是電滲析器性能的重要標(biāo)識。防止極化現(xiàn)象的有效方法是控制電滲析器在極限電流的70-90%內(nèi)操作。第13頁,共21頁，2024年2月25日，星期天電滲析過程的影響因素離子交換膜的選擇透過性：選擇透過性是衡量膜性能的主要指標(biāo)，因為它直接影響電滲析器的電流效率和脫鹽效果。一般要求實用的離子交換膜的選擇透過性大于85%，反離子遷移數(shù)大于90%，并希望在高濃度的電解液中膜仍具有良好的選擇透過性。第14頁,共21頁，2024年2月25日，星期天電滲析技術(shù)的應(yīng)用電滲析技術(shù)的最早應(yīng)用是在20世紀(jì)的50年代用于苦咸水淡化，60年代應(yīng)用于濃縮海水制鹽，70年代以來，電滲析技術(shù)已發(fā)展成為大規(guī)模的化工單元操作。它廣泛應(yīng)用于苦咸水脫鹽，在某些地區(qū)已成為飲用水的主要生產(chǎn)方法。隨著性能更為優(yōu)良的新型離子交換膜的出現(xiàn)，電滲析在食品、醫(yī)藥和化工領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。第15頁,共21頁，2024年2月25日，星期天咸水脫鹽制淡水苦咸水脫鹽制淡水是電滲析最早且至今仍是最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。這里用美國韋伯斯特市的電滲析脫鹽生產(chǎn)淡水的工廠為例作簡單介紹。該廠建于1961年，日產(chǎn)淡水1000噸以上，供應(yīng)該市2500余市民的用水。從井里取出的地下咸水，首先送人原水貯槽，加入高錳酸鉀溶液，被氧化的鐵和錳鹽經(jīng)過錳沸石過濾器濾除。濾液分兩部分：一部分作為脫鹽液從第一電滲析器按順序通過四個電滲析器，脫鹽達到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。得到的淡水再經(jīng)脫二氧化碳，使pH值在7~8之間，通入氯氣消毒，最后送入淡水貯槽。這樣的淡水就可以直接送到用水的地方；另一部分濾液作為濃縮液，送人濃縮液貯槽，用泵將濃縮液并列地送入四個電滲析器。除第一個電滲析器出來的濃縮液廢棄外，其余濃縮液再流回濃縮液貯槽，在濃縮液貯槽和電極液貯槽中加入硫酸，以防止?jié)饪s室及電極室中水垢的析出。第16頁,共21頁，2024年2月25日，星期天咸水脫鹽制淡水（美國韋伯斯特市）第17頁,共21頁，2024年2月25日，星期天海水濃縮制造食鹽Flux/.m-2.h-1Time/min電滲析法制鹽與以往的鹽田法制鹽不同，它是利用電力使海水中的氯化納濃縮，與鹽田法比較具有以下優(yōu)點：①不受自然條件的影響，一年四季均可生產(chǎn)；②占地面積小；③節(jié)省勞動力；④基建投資少；⑤鹵水的純度和濃度均高；⑥易于實現(xiàn)自動化，維修簡便。第18頁,共21頁，2024年2月25日，星期天純凈水的生產(chǎn)純凈水的水質(zhì)高于生活飲用水，必須將生活飲用水經(jīng)過處理，除鹽、滅菌、消毒后才能制得合格的飲用純凈水。采用電滲析操作的目的是促進水的軟化和除鹽，其工藝流程見下圖。第19頁,共21頁，2024年2月25日，星期天處理工業(yè)廢水利用電滲析技術(shù)濃縮和脫鹽的原理，能夠有效地濃縮工