第七章離子交換膜和電滲析1第一頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日電滲析（ED）技術(shù)的發(fā)展概況對(duì)電滲析的基本概念的研究是從19世紀(jì)50年代開(kāi)始的。1854年Graham發(fā)現(xiàn)了滲析現(xiàn)象；1862年Dubrunfant制成了第一個(gè)膜滲析器，并成功地進(jìn)行了糖與鹽的分離；1940年Meyer和Strauss提出了具有實(shí)用意義的多隔室電滲析裝置的概念；1950年Juda試制成功了第一張具有選擇透過(guò)性的陽(yáng)、陰離子交換膜，奠定了ED技術(shù)的實(shí)用基礎(chǔ)，ED技術(shù)得到迅速發(fā)展。1952年美國(guó)Ionics公司制成了第一臺(tái)電滲析裝置；1954~1956年英、美將ED首先應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，主要應(yīng)用于苦咸水淡化、制備工業(yè)用水和飲用水，此后，ED技術(shù)逐步被引入北非、南非以及中東地區(qū)。2Electrodialysis第二頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日1959年前蘇聯(lián)開(kāi)始研究和推廣應(yīng)用ED技術(shù)；1966年美國(guó)DuPont公司研制全氟磺酸離子交換膜；1970年日本將電滲析器用于苦咸水淡化；1972年美國(guó)Ionics公司推出頻繁倒極電滲析(EDR)裝置；1974年日本在野島建造了日產(chǎn)飲用水120t的海水淡化ED裝置；1982年日本成功開(kāi)發(fā)了全氟陰離子交換膜（AEM）；1991年我國(guó)研制成功了無(wú)極水全自動(dòng)控制ED器，以城市自來(lái)水為進(jìn)水，單臺(tái)多級(jí)多段配置，脫鹽率為99%以上，原水利用率達(dá)70%以上。20世紀(jì)80年代中后期，常規(guī)ED技術(shù)在國(guó)外的發(fā)展進(jìn)入了萎縮階段，西歐已基本不用。3Electrodialysis第三頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日我國(guó)電滲析技術(shù)的發(fā)展概況1958年開(kāi)始電滲析技術(shù)的研究；1960年代初小型ED裝置投入海上試驗(yàn)；1965年在成昆鐵路上安裝了第一臺(tái)苦咸水淡化裝置；1966年開(kāi)始工業(yè)化試生產(chǎn)聚乙烯異相離子交換膜，從此ED技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用化階段；1967年異相離子交換膜投入生產(chǎn)，為電滲析技術(shù)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件；1970年代以來(lái)ED技術(shù)發(fā)展較快，離子交換膜生產(chǎn)已具相當(dāng)規(guī)模，全國(guó)共有44個(gè)膜品種，已商品化的有12類(lèi)19種，并已具有相當(dāng)高的水平。我國(guó)離子交換膜產(chǎn)量占世界第二。4Electrodialysis第四頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日一.電滲析(Electrodialysis)過(guò)程原理電滲析——指在直流電場(chǎng)作用下，溶液中的荷電離子選擇性地定向遷移，透過(guò)離子交換膜并得以去除的一種膜分離技術(shù)。采用電滲析過(guò)程脫除溶液中的離子，基于2個(gè)基本條件：1）離子交換膜的選擇透過(guò)性；2）直流電場(chǎng)。5Electrodialysis第五頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日離子交換膜（ionexchangemembrane）是電滲析器的主要部件，有“電滲析的心臟”之稱(chēng)。它是一種由高分子材料制成的具有離子交換基團(tuán)的薄膜。在這里，離子交換膜的作用并不是起離子交換的作用，而是起著離子選擇透過(guò)的作用，所以更確切地說(shuō)應(yīng)稱(chēng)之為“離子選擇性透過(guò)膜”。6Electrodialysis第六頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日電滲析原理7Electrodialysis第七頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日電滲析過(guò)程示意圖8Electrodialysis第八頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日++++++陽(yáng)極－－－－－－陰極Cl-Na＋陽(yáng)膜陽(yáng)極室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋濃縮室淡化室濃縮室陰極室陰膜陽(yáng)膜陰膜電滲析過(guò)程原理圖9Electrodialysis第九頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日陽(yáng)極反應(yīng)：陰極反應(yīng)：10Electrodialysis第十頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日電滲析運(yùn)行時(shí)可能發(fā)生的過(guò)程11Electrodialysis第十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日電滲析過(guò)程中的其他遷移過(guò)程同名離子遷移電滲析的濃差擴(kuò)散水的滲透水的電滲透壓差滲漏水的解離12Electrodialysis第十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日Arrangementofmembranesforelectrodialysis陽(yáng)極陰極2，4，6，8——淡化室；3，5，7——濃縮室13Electrodialysis第十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日二、離子交換膜的選擇透過(guò)性可由以下幾個(gè)方面加以說(shuō)明：孔隙作用——只有當(dāng)被選擇的離子的水合半徑小于孔隙半徑時(shí)，該離子才能透過(guò)膜。靜電作用——根據(jù)同電性相斥、異電性相吸的靜電作用規(guī)律，陽(yáng)膜選擇吸附陽(yáng)離子；陰膜選擇吸附陰離子。擴(kuò)散作用——膜對(duì)溶解離子具有傳遞遷移能力。由吸附~解吸~遷移的方式，把離子從膜的一端輸送到另一端。14Electrodialysis第十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日三、電滲析過(guò)程的基本傳質(zhì)過(guò)程對(duì)流傳質(zhì)——離子在隔室主體溶液和擴(kuò)散邊界層之間的傳遞；擴(kuò)散傳質(zhì)——離子在膜兩側(cè)的擴(kuò)散邊界層中的傳遞；這是控制電滲析傳質(zhì)速率的主要因素。電遷移傳質(zhì)——離子通過(guò)離子交換膜的傳遞。15Electrodialysis第十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)離子交換膜的分類(lèi)及組成應(yīng)注意，ED中所用的離子交換膜，實(shí)際上并不是起離子交換作用（這點(diǎn)與通常據(jù)說(shuō)的離子交換樹(shù)脂不同），而是起離子選擇透過(guò)作用，因此，更確切地應(yīng)稱(chēng)之為離子選擇性透過(guò)膜?？山怆x出陽(yáng)離子，對(duì)陽(yáng)離子具有選擇透過(guò)性——陽(yáng)膜可解離出陰離子，對(duì)陰離子具有選擇透過(guò)性——陰膜16Electrodialysis第十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日2.離子交換膜的組成離子交換膜膜的主體增強(qiáng)材料(保證膜的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性)活動(dòng)部分固定部分高分子骨架(基膜)離子交換基團(tuán)(固定荷電基團(tuán))反離子唐納滲透離子溶劑(如水)17Electrodialysis第十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日18Electrodialysis第十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日按膜體宏觀結(jié)構(gòu)(制造工藝)不同可分3類(lèi)：非均相(異相)離子交換膜——指由離子交換樹(shù)脂的細(xì)粉末和起粘合作用的高分子材料經(jīng)加工制成的離子交換膜。（樹(shù)脂分散在粘合劑中，因而在膜結(jié)構(gòu)上是不連續(xù)的，固稱(chēng)為異相膜）均相離子交換膜——由具有離子交換基團(tuán)的高分子材料直接制成的連續(xù)膜，或是在高分子膜基上直接接上活性基團(tuán)而成的。（膜中離子交換基團(tuán)與成膜的高分子材料發(fā)生化學(xué)結(jié)合起來(lái)，其組成完全均一，故稱(chēng)之為均相膜）半均相離子交換膜——成膜的高分子材料與離子交換基團(tuán)組合得十分均勻，但它們之間并沒(méi)有形成化學(xué)結(jié)合。3.離子交換膜的分類(lèi)19Electrodialysis第十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日離子交換膜功能示意圖20Electrodialysis第二十頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日離子交換膜工作原理示意圖21Electrodialysis第二十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)離子交換膜的制備一、異相膜的制備把粉狀樹(shù)脂與膠粘劑混合后制成片狀膜。具體方法有：延壓和模壓法溶液型膠粘劑法離子型交換樹(shù)脂法二、半均相膜的制備先用膠粘劑吸浸單體進(jìn)行聚合，然后導(dǎo)入活性交換基團(tuán)制成含膠粘劑的熱塑性離子交換樹(shù)脂。22Electrodialysis第二十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日三、均相膜的制備實(shí)際上是直接使離子交換樹(shù)脂薄膜化。大致過(guò)程為：①膜材料的合成反應(yīng)過(guò)程、②成膜過(guò)程、③引入可反應(yīng)基團(tuán)、④與反應(yīng)基團(tuán)發(fā)生作用形成荷電基團(tuán)。四、新型離子交換膜雙極膜——復(fù)合膜，即由具有兩種相反電荷的離子交換層緊密相鄰或結(jié)合而成的新型離子交換膜。螯合膜——其膜上具有兩個(gè)或兩個(gè)以上對(duì)金屬離子有很大親和力的官能團(tuán)。23Electrodialysis第二十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日雙極膜（Bipolarmembranes）雙極性膜由層壓在一起的陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜及兩層膜之間的中間層構(gòu)成。當(dāng)在陽(yáng)極和陰極間施加電壓時(shí)，電荷通過(guò)離子進(jìn)行傳遞，如果沒(méi)有離子存在，則電流將由水解離出來(lái)的OH-和H+傳遞。24Electrodialysis第二十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日第四節(jié)離子交換膜的主要性能交換容量——每克干膜所含活性基團(tuán)的毫克當(dāng)量數(shù)含水量——指膜內(nèi)與活性基團(tuán)結(jié)合的水，以每克干膜所含水的質(zhì)量（克）來(lái)表示（%）。膜電阻——影響到ED器所需的電壓和電耗。常用面電阻表示。選擇透過(guò)度——以某一種離子在膜內(nèi)的遷移量與全部離子在膜內(nèi)遷移量的比值來(lái)表示。25Electrodialysis第二十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日第五節(jié)電滲析器主要由極區(qū)、膜堆和夾緊裝置構(gòu)成。極區(qū)分為陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)，分別位于電滲析器兩側(cè)，包括電極和極水隔板。電極與直流電源相連，為電滲析器供電。膜堆位于電滲析器的中間，由若干膜對(duì)構(gòu)成，一個(gè)膜對(duì)由陰陽(yáng)離子交換膜和兩個(gè)隔板交替構(gòu)成，在膜和隔板上開(kāi)有若干個(gè)孔，當(dāng)膜和隔板多層重疊時(shí)，這些孔便成了濃/淡室液流的通道，分別與濃/淡室相通。有時(shí)為了密封，各隔板與膜之間加塑料或橡膠墊片。電滲析器的最外側(cè)用不銹鋼、鑄鐵或厚塑料板夾緊。26Electrodialysis第二十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日GeneralviewofacommercialEDIinstallationproducedbyIonicsInc.27Electrodialysis第二十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)際應(yīng)用的電滲析器28Electrodialysis第二十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日電滲析器的結(jié)構(gòu)29Electrodialysis第二十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日30Electrodialysis第三十頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日電滲析器的操作模式電滲析器的組裝方式有串聯(lián)、并聯(lián)及串并聯(lián)相結(jié)合幾種方式，常用術(shù)語(yǔ)“級(jí)”和“段”來(lái)表示。“級(jí)”是指電極對(duì)數(shù)目，一對(duì)電極稱(chēng)為一級(jí)；“段”是指水流方向，每改變一次水流方向稱(chēng)為一段。31Electrodialysis第三十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日一級(jí)一段——即并聯(lián)形式。特點(diǎn)是若膜對(duì)數(shù)目多，則產(chǎn)水量大；整臺(tái)設(shè)備的脫鹽率就是一張隔板流程長(zhǎng)度的脫鹽率。多用于大中型制水場(chǎng)地。一級(jí)多段——即串聯(lián)形式。特點(diǎn)是脫鹽率較高，壓降較大，但單臺(tái)產(chǎn)水量較小。適用于中小型制水場(chǎng)地。多級(jí)多段——即串并聯(lián)式。特點(diǎn)是能獲得更高的脫鹽率。多用于小型海水淡化器和小型純水裝置。32Electrodialysis第三十二頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日ED器的性能指標(biāo)淡水產(chǎn)量脫鹽率電流效率電能消耗33Electrodialysis第三十三頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日ED技術(shù)的特點(diǎn)能耗低在除鹽過(guò)程中，只是用電能來(lái)遷移水中的鹽分，而大量的水不發(fā)生相的變化。尤其適用于苦咸水淡化；藥劑耗量少，環(huán)境污染小僅在酸洗是時(shí)消耗少量酸；對(duì)原水含鹽量變化適應(yīng)性強(qiáng)可按需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)一臺(tái)ED器中的段數(shù)、級(jí)數(shù)或多臺(tái)ED器的串聯(lián)、并聯(lián)或不同除鹽方式（直流式、循環(huán)式或部分循環(huán)式）來(lái)適應(yīng)；操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化；設(shè)備緊湊耐用，預(yù)處理簡(jiǎn)單預(yù)處理一般經(jīng)砂濾即可；水的利用率高ED器運(yùn)行時(shí)，濃水和極水可循環(huán)使用，水的利用度可達(dá)70%~80%，國(guó)外可高達(dá)90%左右。34Electrodialysis第三十四頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日不足之處：只能除去水的鹽分，而不能除去其中的有機(jī)物，某些高價(jià)離子和有機(jī)物還會(huì)污染膜；易發(fā)生濃差極化而產(chǎn)生結(jié)垢（用EDR可以避免）；與RO相比，脫鹽率較低，裝置比較龐大且組裝要求高，因此它的發(fā)展不如RO快。ED技術(shù)的特點(diǎn)（續(xù)）35Electrodialysis第三十五頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日利用ED技術(shù)各種脫鹽流程C——濃縮室；D——脫鹽室第六節(jié)ED的脫鹽過(guò)程36Electrodialysis第三十六頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日第八節(jié)電滲析技術(shù)的應(yīng)用最主要的用途是由苦咸水淡化生產(chǎn)飲用水；放射性廢液處理；牛乳、乳清脫鹽；氨基酸脫鹽；海水濃縮；電鍍廢液中Ni和H2SO4回收；同位素、同價(jià)離子分離；酸的回收；果汁脫酸改性；無(wú)機(jī)和有機(jī)藥品制備酸/堿的制備脫鹽或純化濃縮或分離置換水解37Electrodialysis第三十七頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日苦咸水/海水的淡化如我國(guó)研制的日產(chǎn)淡水7m3和14m3的電滲析器，用于島嶼居民的海水制取飲用水；1981年在西沙永興島建成了日產(chǎn)200m3的ED海水淡化站；1988年在山東濰坊的渤海灣灘涂地區(qū)建成一座日產(chǎn)淡水100m3的ED苦咸水淡化站，將含鹽量為3500mg/L的苦咸水淡化為含鹽量為500mg/L左右的可飲用水。電廠和其他工業(yè)鍋爐用水的制備采用電滲析和離子交換組合工藝。生產(chǎn)工藝用水的除鹽、初級(jí)純水的制備純水、超純水的制備38Electrodialysis第三十八頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日ED技術(shù)用途歸納把溶液中部分電解質(zhì)離子轉(zhuǎn)移到另一溶液系統(tǒng)中去，并使其濃度增高，或參加反應(yīng)等，如從海水中抽取氯化鈉；從有機(jī)溶劑中去除電解質(zhì)離子，如乳清脫鹽、氨基酸提純等；電解質(zhì)溶液中，同電性但具有不同電荷的離子的分離，如從海水提取一價(jià)鹽等。39Electrodialysis第三十九頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日電滲析降低檸檬汁中酸含量40Electrodialysis第四十頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日杭州國(guó)家水處理中心生產(chǎn)EDI裝置41Electrodialysis第四十一頁(yè)，共四十八頁(yè)，2022年，8月28日利用ED技術(shù)實(shí)現(xiàn)氨基酸的分離pH＜IPpH=IPpH＞IP42Electrodialysis第四十二頁(yè)，