第七章離子交換膜與電滲析電滲析的研究始于上世紀(jì)初的德國。1952年美國Ionics公司制成了世界上第一臺(tái)電滲析裝置，用于苦咸水淡化。至今苦咸水淡化仍是電滲析最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。在鍋爐進(jìn)水的制備、電鍍工業(yè)廢水的處理、乳清脫鹽和果汁脫酸等領(lǐng)域，電滲析都達(dá)到了工業(yè)規(guī)模。另外，在上世紀(jì)50年代末，由日本開發(fā)的海水濃縮制食鹽的應(yīng)用，雖僅限于日本和科威特等國，但也是電滲析的一大市場。目前，電滲析以其能量消耗低，裝置設(shè)計(jì)與系統(tǒng)應(yīng)用靈活，操作維修方便，工藝過程潔凈、無污染，原水回收率高，裝置使用壽命長等明顯優(yōu)勢而被越來越廣泛地用于食品、醫(yī)藥、化工、工業(yè)及城市廢水處理等領(lǐng)域。我國的電滲析技術(shù)的研究始于1958年。1965年在成昆鐵路上安裝了第一臺(tái)電滲析法苦咸水淡化裝置。1981年我國在西沙永興島建成日產(chǎn)200噸飲用水的電滲析海水淡化裝置。幾十年來，在離子交換膜、隔板、電極等主要部件方面不斷創(chuàng)新，電滲析裝置不斷向定型化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。第一節(jié)、電滲析基本原理一、電滲析的工作原理電滲析是在直流電場作用下，溶液中的帶電離子選擇性地通過離子交換膜的過程。主要用于溶液中電解質(zhì)的分離。圖7-1是電滲析工作原理示意圖。流程說明：在淡化室中通入含鹽水，接上電源，溶液中帶正電荷的陽離子，在電場的作用下，向陰極方向移動(dòng)到陽膜，受到膜上帶負(fù)電荷的基團(tuán)的異性相吸引的作用而穿過膜，進(jìn)入右側(cè)的濃縮室。帶負(fù)電荷的陰離子，向陽極方向移動(dòng)到陰膜，受到膜上帶正電荷的基團(tuán)的異性相吸引的作用而穿過膜，進(jìn)入左側(cè)的濃縮室。淡化室鹽水中的氯化鈉被不斷除去，得到淡水，氯化鈉在濃縮室中濃集。Fl幌屯曲圖7-1電滲析工作原理示意圖電滲析過程除我們希望的反離子遷移外，還可能發(fā)生如圖7-2所示的其它遷移過程：同名離子遷移同名離子指與膜的固定活性基所帶電荷相同的離子。根據(jù)唐南(Donnan)平衡理論，離子交換膜的選擇透過性不可能達(dá)到100%,再加上膜外溶液濃度過高的影響，在陽膜中也會(huì)進(jìn)入個(gè)別陰離子，陰膜中也會(huì)進(jìn)入個(gè)別陽離子，從而發(fā)生同名離子遷移。電解質(zhì)的濃差擴(kuò)散也稱為滲析，指電解質(zhì)離子透過膜的現(xiàn)象。由于膜兩側(cè)溶液濃度不同，受濃度差的推動(dòng)作用，電解質(zhì)由濃水室向淡水室擴(kuò)散，其擴(kuò)散速度隨兩室濃度差的提高而增加。⑶水的滲透淡水室的水，由于滲透壓的作用向濃縮室滲透，滲透量隨濃度差的提高而增加。

陰.稅rijtjI]'主#辻蛭史*過科-r止*陰.稅rijtjI]'主#辻蛭史*過科-r止*%塑■I.：(E［：O)一日芒宙干壬屢*￥rt(HjO)_(W*O)Nt*圖7-2電滲析工作時(shí)發(fā)生的各種過程水的電滲透反離子和同名離子，實(shí)際上都是水合離子，由于離子的水合作用，在反離子和同名離子遷移的同時(shí)，將攜帶一定數(shù)量的水分子遷移。壓差滲漏溶液透過膜的現(xiàn)象。當(dāng)膜的兩側(cè)存在壓差時(shí)，溶液由壓力大的一側(cè)向壓力小的一側(cè)滲漏。因此在操作中，應(yīng)使膜兩側(cè)壓力趨向平衡，以減小壓差滲漏損失。水的解離也稱為極化。是指在一定電壓作用下，溶液中離子未能及時(shí)補(bǔ)充到膜表面時(shí)，膜表面的水分子解離成H+和0H-的現(xiàn)象。當(dāng)中性的水解離成H+和0H-以后，它們會(huì)透過膜發(fā)生遷移，從而擾亂濃、淡水流的中性性質(zhì)。這是電滲析裝置的非正常運(yùn)行方式，應(yīng)盡力避免。二、 離子交換膜的選擇透過性離子交換膜對(duì)離子選擇性透過機(jī)理和離子在膜中的遷移歷程可以由膜的孔隙作用、靜電作用和擴(kuò)散作用加以說明?？紫蹲饔秒x子交換膜具有貫穿膜體內(nèi)部的彎曲孔隙，其孔徑多為幾十納米至幾百納米，這些孔隙形成的通道可以使被選擇吸附的離子從膜的一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)?？紫蹲饔玫膹?qiáng)弱主要取決于孔隙度的大小與均勻程度。而且只有當(dāng)被選擇的離子的水合半徑小于孔隙半徑時(shí)，才有可能使離子透過膜。靜電作用離子交換膜上分布著大量帶電荷的基團(tuán)。因此，膜內(nèi)構(gòu)成強(qiáng)烈的電場：陽膜為負(fù)電場；陰膜為正電場。根據(jù)靜電效應(yīng)的原理，膜與帶電離子將發(fā)生同電性相斥，異電性相吸的靜電作用。結(jié)果是陽膜只能選擇吸附陽離子，陰膜只能選擇吸附陰離子。它們都分別排斥與各自電場性質(zhì)相同的同名離子。對(duì)于兩性膜，因?yàn)樗鼈兺瑫r(shí)存在正、負(fù)電場，對(duì)陰、陽離子選擇透過能力就取決于正負(fù)電場之間強(qiáng)度的大小。擴(kuò)散作用膜對(duì)溶解離子所具有的傳遞遷移能力，稱為擴(kuò)散作用。它依賴于膜內(nèi)活性離子交換基和孔隙的存在，而離子的定向遷移則是外加電場力推動(dòng)的結(jié)果。離子交換膜的透過現(xiàn)象，可以分為選擇吸附、交換解吸、傳遞轉(zhuǎn)移三個(gè)階段。由膜孔穴形成的通道口和內(nèi)壁上分布著活性離子交換基，對(duì)進(jìn)入膜相的溶解離子繼續(xù)進(jìn)行著鑒別選擇。這種吸附-解吸-遷移的方式，把離子從膜的一端輸送到另一端，完成了膜對(duì)溶解離子定向擴(kuò)散的全過程。三、 電滲析過程的基本傳質(zhì)方程電滲析的傳質(zhì)過程主要由對(duì)流傳質(zhì)、擴(kuò)散傳質(zhì)和電遷移傳質(zhì)等部分組成。離子在隔室主體溶液和擴(kuò)散邊界層之間的傳遞，主要靠流體微團(tuán)的對(duì)流傳質(zhì)。離子在膜兩側(cè)的擴(kuò)散邊界層中主要靠擴(kuò)散傳質(zhì)。離子通過離子交換膜是靠電遷移傳質(zhì)。其中擴(kuò)散傳質(zhì)是控制電滲析傳質(zhì)速率的主要因素。1?對(duì)流傳質(zhì)包括因濃度差、溫度差以及重力場作用引起的自然對(duì)流和機(jī)械攪拌引起的強(qiáng)制對(duì)流傳質(zhì)。若只考慮強(qiáng)制對(duì)流，離子i在X方向，即垂直于膜面方向上的對(duì)流傳質(zhì)速率為：CVixCVix式中J 離子i在x方向上的對(duì)流傳質(zhì)速率，mol/cm2.s；i(c)C 溶液中離子i的濃度，mol/cm3；iV* 流體在X方向上的平均流速，cm/so2?擴(kuò)較傳質(zhì)若溶液中某一組分存在著濃度梯度時(shí)，必然存在著化學(xué)位梯度。在該化學(xué)位梯度的作用下離子 i在x方向上的擴(kuò)散速率為：d\iJ=-CU—(7-2)i(d)「「dX式中J 離子i在x方向上的擴(kuò)散速率，mol/cm2.s；i(d)U——溶液中離子i的淌度，mol.cm2/J.s；id\x 離子i在x方向上的化學(xué)位梯度，J/mol.cm。ax根據(jù)實(shí)際溶液離子i的化學(xué)位以及能斯特-愛因斯坦方程,由式(7-2)可以得到式(7-3)odC(7-3)J=-D(—丄+——M(7-3)i(d)「dxdx式中f是離子i的活度系數(shù)，對(duì)于理想溶液f=1式(7-3)擴(kuò)i i散速率則轉(zhuǎn)變?yōu)镕ick第一定律的形式：dC(7-4)D—衣(7-4)1dx3.電遷移傳質(zhì)當(dāng)存在電位梯度時(shí)，離子在電場力的作用下發(fā)生遷移，由于正負(fù)離子帶相反符號(hào)的電荷，其運(yùn)動(dòng)方向相反。因此，正負(fù)離子在X方向上的遷移速率分別為:U血+dxU匹U血+dxU匹-dx(7-5)(7-6)式中C、C 正負(fù)離子的濃度，mol/cm3；+_V、U'——正負(fù)離子的化學(xué)淌度，CH12/V.S;+—(P——電位，V。對(duì)于理想溶液，淌度與擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系可以用能斯特-愛因斯坦方程來描述：Uf=^J-Z (7-7)+RT+U' -￡z (7-8)-RT-式中D+、D.——正負(fù)離子的擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s；Z、Z——正負(fù)離子的價(jià)數(shù)；+_F 法拉第常數(shù)。將式(7-7)、(7-8)代入式(7-5)、(7-6),得Z空+dx(7-9)DFZ空+dx(7-9)DF乙d申RT-dx(7-10)若以Z.表示正負(fù)離子的代數(shù)價(jià)，以上兩式可以寫成:(7-11)'j罟罟(7-11)Nemst-planck離子滲透流率方程對(duì)于離子通過離子交換膜的傳質(zhì)過程，可以近似認(rèn)為是垂

直于膜面X方向上的傳質(zhì)。描述離子在流體對(duì)流、化學(xué)位梯度、電位梯度影響下，離子在電滲析過程中一維的 Nemst-planck方程，即離子x方向上的傳質(zhì)速率為：(7-12)J1=J1(c)(7-12)J1=J1(c)+J1(d)+J1(e)Fd7C ''RTdxd1dx(7-13)式中人 離子i在膜內(nèi)的傳質(zhì)速率，mol/cms.s；Di——離子i在膜內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)，CH12.s；

C離子i在膜相中的濃度，mol/cms；if 離子i在膜相中的活度系數(shù)，mol/cm3；iVi——在離子交換膜微孔中，液體重心的運(yùn)動(dòng)速度，cm/so電滲析過程一般不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在穩(wěn)態(tài)條件下，A=0在離子交換膜中，各種離子滿足電中性條件，即szC+?C=0 (7-14)ii式中Zi——離子i的代數(shù)價(jià)；C 離子i在膜內(nèi)的濃度，mol/cm3；iC 膜中固定活性基團(tuán)的濃度，mol/cni3；f——膜中固定活性基團(tuán)的電荷數(shù)。i第二節(jié)離子交換膜的分類及組成一、離子交換膜的分類離子交換膜是電滲析器的核心部件，是一種膜狀的離子交換樹脂。但必須指出，在電滲析中使用的離子交換膜，實(shí)際上并不是起離子交換作用，而是起離子選擇透過作用，更確切地應(yīng)稱為離子選擇性透過膜。由陽離子交換材料組成的膜含有酸性活性基團(tuán)，可解離出陽離子，它對(duì)陽離子具有選擇透過性，稱為陽離子交換膜，簡稱為陽膜;由陰離子交換材料組成的膜含有堿性活性基團(tuán)，可解離出陰離子，它對(duì)陰離子具有選擇透過性，稱為陰離子交換膜，簡稱為陰膜。圖7-3是離子交換膜的分類。｛強(qiáng)酸型：磺酸型中酸型：磷酸型、麟酸型弱酸型：竣酸型、酚型混合型：苯酚磺酸J r強(qiáng)堿型：季胺型、毗喘季胺型離子交換說陰離子交換膜［中、弱堿酸型：伯胺型、仲胺型、叔胺型L混合型：混合胺型廣表面涂層膜J 雙極膜特殊離子交換膜［兩性膜鑲嵌膜其它膜圖7-3離子交換膜的分類二、離子交換膜的組成在宏觀形態(tài)上離子交換膜是片狀薄膜，而離子交換樹脂是顆粒狀的，但微觀結(jié)構(gòu)基本相同。離子交換膜的組成見圖7-4。j高分子骨架結(jié)構(gòu)部分

固定部分彳離子交換基團(tuán)（固定荷電基團(tuán)）離子交換膜彳「反離子（對(duì)立離子）

活動(dòng)部分彳唐納滲透離子（同名離子）離子交換膜彳I溶劑（如水）增強(qiáng)材料圖7-4離子交換膜的組成膜主體的固定部分由體型或線型長鏈高分子材料組成，在高分子鏈上錨有離子交換基團(tuán)，當(dāng)膜投入水中時(shí)，發(fā)生吸水溶脹，使活性基團(tuán)離解。如磺酸型陽膜的活性基團(tuán)一so3h可以離解為：R-SO?"1-H+季胺型陰膜的活性基團(tuán)一N(CH3)3。H可以離解為：R-CH.N+(CHJ」-OH—產(chǎn)生的H+和0H-進(jìn)入水溶液中，膜上留下一定電荷的固定基團(tuán)，它可吸附溶液中的正離子和負(fù)離子，這些離子是可移動(dòng)的。第三節(jié)離子交換膜的制備離子交換膜中的主體組分是樹脂相，根據(jù)需要還可加入粘結(jié)劑、增塑劑、著色劑、防老劑、抗氧化劑、脫膜劑等。按照離子交換膜的主體組分可以將其分為均相膜和異相膜。在均相膜的主體組分中，各成分以分子狀態(tài)均勻分布，不存在相界面；而異相膜是通過粘結(jié)劑把粉狀樹脂制成片狀膜，樹脂與粘結(jié)劑等組分間存在相界面。為保證離子交換膜的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，一般還需要網(wǎng)布作為增強(qiáng)材料。一、異相膜的制備異相膜是把粉狀樹脂與粘結(jié)劑混合后制成的片狀膜。粘結(jié)劑可以采用熱塑性的線性聚烯炷及其衍生物，也可以采用聚氯乙烯、聚過氯乙烯、聚乙烯醇等可溶于溶劑的聚合物，還可以采用天然或合成橡膠。根據(jù)粘結(jié)劑的性能，異相膜的制備方法有以下幾種：延壓和模壓法成膜將粉狀離子交換樹脂和粘結(jié)劑及其它輔料混合后通過延壓和模壓方式成膜。表7-1是典型的異相膜配方。表7-1異相膜配方原料名稱陽膜配料%陰膜配料%聚乙烯2123陽離子交換樹脂粉73.70陰離子交換樹脂粉070聚異丁烯4.25.8硬脂酸鈣1.11.2駄青藍(lán)0.1表7-1中的聚乙烯是粘合劑，樹脂粉是膜的基體，聚異丁烯起粘合、增柔作用，賦予膜彈性，硬脂酸鈣為脫模劑和穩(wěn)定劑，酉太菁藍(lán)是染料，使陰膜帶上天藍(lán)色，以區(qū)別于陽膜的本色。還可以根據(jù)使用要求，適當(dāng)添加防老劑、抗氧化劑等成分。異相膜制備的工藝流程如下：I樹脂I—*干燥—*過篩—*磨粉—*過篩—旨粉I配料雙車?yán)セ鞜捓泳W(wǎng)熱壓?屏相膜將聚乙烯放人雙車?yán)セ鞜挋C(jī)中，在110—120°C下混煉，塑化完全后，加入聚異丁烯進(jìn)行機(jī)械接枝?；旌暇鶆蚝蠹尤胗仓徕}，然后加進(jìn)樹脂粉，反復(fù)混煉均勻。將其在延壓機(jī)上拉成所需厚度的膜片。再將兩張尼龍網(wǎng)分別覆蓋在膜片的上下,送入熱壓機(jī)中，于10.0-15.0MPa壓力下熱壓約45min,即成實(shí)用的異相膜。溶液型粘合劑法成膜先將線型高聚物粘合劑溶解在溶劑中，制成粘合劑溶液，再將粉狀離子交換樹脂分散在粘結(jié)劑溶液中，澆鑄后，將溶劑蒸發(fā)掉成膜。將粉狀離子交換樹脂分散在僅部分聚合的成膜聚合物中，澆鑄成膜后，再完成聚合過程。由于異相膜樹脂與粘結(jié)劑僅是機(jī)械結(jié)合，在使用過程中樹脂容易發(fā)生脫落。二、半均相膜的制備首先用粘合劑吸浸單體進(jìn)行聚合，然后導(dǎo)入活性交換基團(tuán)制成含粘合劑的熱塑性離子交換樹脂，最后像上述異相膜那樣的工藝加工成膜。這種方法可以使離子交換樹脂非常均勻地分散在粘合劑中，形成互相纏繞的結(jié)構(gòu)，不易脫落，另一方面，可以省去磨粉工序，簡化制膜工藝，而且可以避免粉塵對(duì)環(huán)境的污染和樹脂的損失。圖7-5是制備聚氯乙烯半均相膜工藝流程示意圖。犬聚氯乙烯I二氯乙烷溶脹I懸浮聚合1IHSO磺化"111氯甲醴氯化11磺酸氯里樹脂1季錢型樹脂NaOH力卜壬甲1HC1處理1磺酸鈉型樹脂季錢氯型樹脂混帀拉片I加網(wǎng)熱壓I圖7-5制備聚氯乙烯半均相膜工藝流程示意圖。三、 均相膜的制備均相離子交換膜的制造方法，實(shí)際上就是直接使離子交換樹脂薄膜化。即使離子交換樹脂的合成與成膜工藝相結(jié)合。均相膜的制造大致分為四個(gè)過程：膜材料的合成反應(yīng)過程、成膜過程、引入可反應(yīng)基團(tuán)、與反應(yīng)基團(tuán)發(fā)生作用形成荷電基團(tuán)。均相膜有以下幾種制備方法。從聚合反應(yīng)開始制膜例如，可以將苯酚磺酸與苯酚、甲醛先進(jìn)行部分縮聚反應(yīng)，然后將其吸浸于多孔支撐材料中或涂布于網(wǎng)布上，再進(jìn)一步縮聚形成陽離子交換膜。還可以將含有環(huán)氧反應(yīng)基團(tuán)的料液刮于尼龍網(wǎng)上，上下襯以滌綸紙，在油壓機(jī)上加熱聚合形成基膜，把聚合反應(yīng)過程、成膜過程、引入反應(yīng)基團(tuán)過程三步合成一步，制成的基膜浸入三甲胺溶液，得到甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯陰膜。制成基膜后導(dǎo)入離子交換基團(tuán)對(duì)于含有反應(yīng)基團(tuán)的高聚物可以先將其制成基膜后，再經(jīng)活化反應(yīng)導(dǎo)入離子交換基團(tuán)，制成離子交換膜。如含有多甕基的纖維素、聚乙烯醇基膜，都能進(jìn)行?；王セ磻?yīng)，使離子交換基團(tuán)直接導(dǎo)人膜內(nèi)。這類的高聚物材料很多，如聚苯乙烯、聚氯乙烯、氯化聚醸、聚乙烯亞胺、丁苯乳膠、氯醇橡膠等都可以先制成聚合物薄膜,再導(dǎo)入離子交換基團(tuán)，成為離子交換膜。高聚物中導(dǎo)入離子交換基團(tuán)后再成膜如聚硯或聚醸硯經(jīng)磺化后制成磺化聚硯和磺化聚醸硯，把磺化后聚醸硯溶于二甲基甲酰胺中，涂于網(wǎng)布上，待溶劑揮發(fā)后即成陽膜。四、 新型離子交換膜早期的離子交換膜主要用于電滲析和電化學(xué)工藝過程中，隨著科學(xué)研究的深入和技術(shù)進(jìn)步，離子交換膜的種類不斷增加的同時(shí)，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。雙極膜雙極膜是一種復(fù)合膜，它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。在直流電場的作用下，雙極膜可以將水離解，在膜兩側(cè)分別得到H+和0H-,它可以形成一種新型的膜過程。雙極膜已有商品問世。雙極膜的制備方法有：將陰膜、陽膜加熱、加壓使其成型的方法；在陰膜、陽膜中間涂敷黏合劑使之相互黏合的方法；在同一基膜兩側(cè)分別引入陽離子和陰離子交換基團(tuán)的方法；使陽離子層在陰離子交換膜上流延的方法等。在實(shí)驗(yàn)室，由雙極膜和陽膜組成的二室模型，可以使葡萄糖酸鈉、古龍酸鈉等有機(jī)酸鹽向葡萄糖酸、古龍酸等有機(jī)酸轉(zhuǎn)化，同時(shí)得到堿液。在環(huán)保方面，雙極膜和陽膜的組合可以使NaHSOs轉(zhuǎn)化為N^SOs，而Na2SO3又可重新與煙道氣中SO?反應(yīng)生成NaHSC^，達(dá)到除硫的目的。一般離子交換膜對(duì)同性離子的分離效果不太理想，采用雙極膜則大大改善分離效果。如分離1、2價(jià)陽離子時(shí)，采用在陽膜表面覆涂一層陰膜薄層的復(fù)合膜，由于它的固定荷電基團(tuán)帶正電，對(duì)二價(jià)離子的排斥力比一價(jià)離子強(qiáng)，因此在電場作用下使一價(jià)離子更容易穿過阻擋層進(jìn)入陽膜，達(dá)到分離不同價(jià)態(tài)同性離子的目的。雙極膜的研究重點(diǎn)是降低膜電阻、提高選擇性、化學(xué)穩(wěn)定性和膜強(qiáng)度；另外還希望雙極膜除了具有由陰離子交換層和陽離子交換層組成的兩層結(jié)構(gòu)外，在兩層之間加入第三層物質(zhì)以促進(jìn)水的解離。螯合膜螯合膜上具有兩個(gè)或兩個(gè)以上對(duì)金屬離子有很大親和力的功能基團(tuán)，如磺酸-竣酸、磺酸-磷酸、麟酸-竣酸等功能基團(tuán)都屬于螯合型膜。這類膜一般對(duì)特定離子具有選擇性透過或吸附的能力。如對(duì)聚丙烯-聚苯乙烯微孔膜進(jìn)行氯甲基化、胺化及氯醋酸處理，可以得到對(duì)CU2+、Hg2+及Cd2+有選擇性的螯合膜等。新型離子交換膜還有同時(shí)帶有陽離子交換基團(tuán)和陰離子交換基團(tuán)的兩性膜，它們大多具有生物膜的功能；利用陽離子高聚物電解質(zhì)同陰離子高聚物電解質(zhì)相互交錯(cuò)、組合而成的鑲嵌離子交換膜?？刮廴灸?、抗極化膜、無機(jī)離子交換膜等也是近年新型離子交換膜的研究領(lǐng)域。第四節(jié)離子交換膜的主要性能一、交換容量交換容量是表征離子交換膜質(zhì)量的基本指標(biāo)。交換容量的定義為每克干膜所含活性基團(tuán)的毫克當(dāng)量數(shù)，其單位為meq/go一般交換容量高的膜，選擇透過性好，導(dǎo)電能力強(qiáng)。但是由于活性基團(tuán)一般具有親水性，因此活性基團(tuán)含量越高，膜的溶脹度越大，從而影響膜的強(qiáng)度。有時(shí)也會(huì)因膜體結(jié)構(gòu)過于疏松，而使膜的選擇性下降。一般膜的交換容量約為2—3meq/go不同類型的離子交換膜所含的活性基團(tuán)不同，交換容量的測試體系也各有所異。下面僅舉兩例。磺酸陽膜磺酸氫型陽膜能與等量的NaCl交換，可以對(duì)其釋放出的H+用O.lmol/LNaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，然后計(jì)算交換容量。步驟：對(duì)經(jīng)過處理轉(zhuǎn)為磺酸氫型的陽膜樣品，用濾紙拭去表面附著的水分，精確稱取樣品1.5g,放入250ml的三角瓶中，加入約1mol/LNaCl溶液約50ml,間斷振搖，使膜沉入水溶液中，放置過夜。以酚酉太為指示劑，用0.1mol/LNaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，至粉紅色為終點(diǎn)。交換容量按下式計(jì)算。亠込、曰 NaOH毫升數(shù)xNaOH當(dāng)量濃度父換容重(meq/g)二 樣品質(zhì)量％一含水率％) 7-15季錢氯型陰膜該膜能與NaNC^或Na2SO4進(jìn)行等量交換，對(duì)其釋放出的氯離子用0.1mol/LAgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，然后計(jì)算交換容量。步驟：對(duì)經(jīng)過預(yù)處理的季錢氯型陰膜樣品，用濾紙拭去表面附著的水分，精確稱取樣品1.5g,放入250ml的三角瓶中，加入約1

mol/LNaNO3或Na2SO4溶液約50ml,間斷振搖，使膜沉入水溶液中，放置過夜。以10%酚輅酸鉀溶液為指示劑，用0.1mol/LAgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，至橙紅色不變?yōu)榻K點(diǎn)。交換容量按下式計(jì)算。交換容量(meq/g)=7-16AgNO毫升數(shù)xAgNO當(dāng)量濃度交換容量(meq/g)=7-16 3 5 樣品質(zhì)量X(1-含水率％)二、含水量含水量指膜內(nèi)與活性基團(tuán)結(jié)合的內(nèi)在水，以每克干膜所含水的克數(shù)表示(％)。膜的含水量與其交換容量和交聯(lián)度有關(guān)，隨著交換容量提高、交聯(lián)度下降，膜的含水量增加。提高膜內(nèi)含水量，可使膜的導(dǎo)電能力增加，但由于膜的溶脹會(huì)使膜的選擇透過性下降。一般膜的含水率約為20%—40%左右。濕膜重量-干膜重量

濕膜重量xlOO%7-17濕膜重量-干膜重量

濕膜重量xlOO%7-17三、膜電阻膜電阻對(duì)電滲析器工作時(shí)所需要的電壓和電能消耗有直接影響。在實(shí)際應(yīng)用中，膜電阻常用面電阻表示，其單位為Q?cm2。也可以用電阻率(Q?cm)或電導(dǎo)率(Q-i?cm1)來表示。一般在不影響其他性能的情況下電阻越小越好，以降低電能消耗。通常規(guī)定在25°C下，于O.lmol/LKC1溶液或O.lmol/LNaCI溶液中測定的膜電導(dǎo)作為比較標(biāo)準(zhǔn)。四、選擇透過度7-18常用反離子遷移數(shù)和膜的透過度來表示膜的離子選擇透過性。膜內(nèi)離子遷移數(shù)即某一種離子在膜內(nèi)的遷移量與全部離子在膜內(nèi)遷移量的比值?？梢杂秒x子遷移所攜帶電量之比來表示。例如，在陰膜-NaCI溶液體系中膜內(nèi)離子的遷移數(shù)為：同名離子遷移數(shù)^Na+=QNa+/QNa++Qcf7-18式中QNa+ Na+離子所負(fù)載的電量QCI CI-離子所負(fù)載的電量某種離子在膜中的遷移數(shù)可由膜電位計(jì)算：t=（E十Eo）/2Eo 7-20gvm m7 m式中Emo——在一定條件（一般是25°C,膜兩側(cè)溶液分別為O.lmol/LKCI和0.2mol/LKC1）下，理想膜的膜電位，可由奈恩斯特公式計(jì)算；Em——在以上條件下的實(shí)測膜電位。膜的選擇透過度為反離子在膜內(nèi)遷移數(shù)實(shí)際增值與理想增值之比。gg s 7-21式中tg——反離子在膜中遷移數(shù)；tg——反離子在溶液中的遷移數(shù)，可從有關(guān)手冊查至7g0——反離子在理想膜中的遷移數(shù)，即100%。用以上方法計(jì)算所得到的反離子遷移數(shù)和選擇透過度，在一定程度上能客觀地反映離子交換膜選擇透過性的好壞。一般要求離子交換膜選擇透過度大于85%,反離子遷移數(shù)大于0.9,并希望膜在高濃度電解質(zhì)中仍有良好的選擇透過性。另外對(duì)離子交換膜的機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性等也應(yīng)有一定的指標(biāo)要求，以滿足正常使用。第五節(jié)電滲析器一、電滲析器的主要結(jié)構(gòu)電滲析器的主要由膜堆、級(jí)區(qū)及夾緊裝置組成，見圖7-6。圖7-6電滲析器的基本結(jié)構(gòu)及組裝形式1-壓緊板；2-墊板;3-電極;4-墊圈;5-導(dǎo)水、極水板；6-陽膜;7-淡水隔板框；8-陰膜；9-濃水隔板框一極水；一濃水；淡水在電滲析器中“膜對(duì)”是最小電滲析工作單元，它由陰膜、淡水隔板、陽膜和濃水隔板組成。由若干個(gè)膜對(duì)組成的總體稱為“膜堆”。置于電滲析器夾緊裝置內(nèi)側(cè)的電極稱為“端電極”。在電滲析器膜堆內(nèi)，前后兩極共同的電極稱為"共電極”。電滲析器的組裝方式有串聯(lián)、并聯(lián)及串-并聯(lián)相結(jié)合的幾種形式。常用“級(jí)”和“段”來表示「'級(jí)”是指電極對(duì)的數(shù)目「'段”是指水流方向，水流通過一個(gè)膜堆后，改變方向進(jìn)入后一個(gè)膜堆，即增加一段。電滲析器的組裝方式有一級(jí)一段、一級(jí)多段、多級(jí)多段等。圖7-7是電滲析器的組裝方式示意圖。一級(jí)一段電滲析器即一臺(tái)電滲析器僅含一段膜堆，由于只有一對(duì)端電極，通過每個(gè)膜對(duì)的電流強(qiáng)度相等。水流通過膜堆時(shí)，是平行地向同一方向通過各膜對(duì)，實(shí)際上這樣的膜堆是以并聯(lián)的形式組成一段。這種電滲析器的產(chǎn)水量大，整臺(tái)脫鹽率就是1張隔板流程長度的脫鹽率，多用于大、中型制水場地。國內(nèi)一級(jí)一段電滲析器一般含有200?360個(gè)膜對(duì)。一級(jí)多段電滲析器通常含有2?3段，使用一對(duì)電極，膜堆中通過每個(gè)膜對(duì)的電流強(qiáng)度相等。這類電滲析器段與段之間的水流方向圖7-7電滲析器的“級(jí)”和“段”示意圖相反，內(nèi)部必須裝有用來改變水流方向的導(dǎo)向隔板，使水流從一段出來改變方向流入另一段，這種方式實(shí)際是串聯(lián)組裝。在級(jí)內(nèi)分段是為了增加脫鹽流程長度，以提高脫鹽率。這種形式的電滲析器單臺(tái)產(chǎn)水量較小，壓降較大，脫鹽率較高，適用于中、小型制水場地。多級(jí)多段電滲析器使用共電極使膜堆分級(jí)。一臺(tái)電滲析器含有2?3級(jí)、4?6段。將一臺(tái)電滲析器分成多級(jí)多段進(jìn)行組裝，是為了獲得更高的脫鹽率，多用于小型海水淡化器和小型純水裝置。二、電滲析器的性能指標(biāo)淡水產(chǎn)量Qd=0.0036nvdb 7-22式中 Qd——單臺(tái)電滲析器在單位時(shí)間內(nèi)的淡水產(chǎn)量，ma/h；并聯(lián)的膜對(duì)數(shù)；v 除鹽室中的流速，cm/s；d 隔板厚度，cm；b 隔板流水道寬度，cm；脫鹽率：f=(C.-Cd)/C.X100% 7-23式中f——脫鹽率，%；C. 進(jìn)水含鹽量，mmol/L；Cd 出水含鹽量，mmol/L；電流效率電流效率=理論耗電量/實(shí)際耗電量X100%=26.8xQd(C-Cd)/(In)xlOO% 7-24式中I——電流，A；J其它符號(hào)同前。電能消耗電能消耗=動(dòng)力電耗+電滲析本體電耗=0.00272Hdm/i］動(dòng)+UIxlOs(Qdn電)7-25式中U——操作電壓，V； 力 電I 電流，A；H 水泵總揚(yáng)程，m；d 原水比重，t/m3；n+ 水泵總效率；動(dòng)I］由——整流器的效率，一般為0.95；電m——水泵供給的總水量Q與淡水產(chǎn)量的比值。第六節(jié)電滲析的脫鹽過程常用的電滲析脫鹽流程主要有連續(xù)式和循環(huán)式兩大類。一、連續(xù)式脫鹽過程一級(jí)多段一次脫鹽使用單臺(tái)電滲析器就能達(dá)到制水產(chǎn)量和質(zhì)量要求。系統(tǒng)可以連續(xù)供水，輔助設(shè)備少，動(dòng)力消耗低。膜堆采用一級(jí)多段。這種流程對(duì)產(chǎn)水量和脫鹽率的調(diào)節(jié)能力小，多在產(chǎn)水量小而脫鹽率要求較高的情況下使用。對(duì)于一級(jí)一段的電滲析器，可以由給定的產(chǎn)水量計(jì)算所需膜對(duì)數(shù)N。N=1000Q/twv 7-26式中 Q——淡水流量，L/s；t 隔室水流道厚度，cm；w 隔室水流道寬度，cm；v 除鹽室中的流速，cm/s；多級(jí)多段一次脫鹽原水經(jīng)過多臺(tái)電滲析器后，一次達(dá)到脫鹽要求，直接得到成品水，如圖7-8所示。具有連續(xù)出水、管道簡單等優(yōu)點(diǎn)，但操作彈性小，原水含鹽量變化時(shí)適應(yīng)性差。適應(yīng)于中、大型脫鹽場地。圖7-8—次連續(xù)式脫鹽流程示意圖（ED為電滲析器）當(dāng)串聯(lián)的一級(jí)一段電滲析器的膜對(duì)數(shù)相等，隔室流速相同，則在極限電流下每級(jí)的脫鹽率基本不變，系統(tǒng)的總脫鹽率f為：/=!-（!-/” 7-27P式中f——單級(jí)電滲析器脫鹽率，%;P——電滲析器的串聯(lián)級(jí)數(shù)。二、循環(huán)式脫鹽過程循環(huán)式間歇脫鹽濃水和淡水分別通過體外循環(huán)槽進(jìn)行循環(huán)，當(dāng)循環(huán)脫鹽達(dá)到成品水質(zhì)指標(biāo)后，輸送至成品水槽，如圖7-9所示。該流程適應(yīng)性強(qiáng),適用于脫鹽深度大，特別是給水水質(zhì)經(jīng)常變化，并要求成品水質(zhì)穩(wěn)定的的場合，如流動(dòng)式野外淡水車、船用脫鹽裝置和小批量工業(yè)產(chǎn)品料液的濃縮、提純、分離和精制。但該流程需要較多的輔助設(shè)備,動(dòng)力消耗大，且只能間歇供水。圖7-9循環(huán)式間歇脫鹽流程示意圖1-淡水槽；2-濃水槽在循環(huán)式脫鹽過程中，系統(tǒng)的工藝參數(shù)將隨淡水循環(huán)槽濃度的變化而變化。循環(huán)式連續(xù)脫鹽這種過程也稱為部分循環(huán)式脫鹽，如圖7-10所示。在電滲析系統(tǒng)出口的成品水中，有一部分要返回到系統(tǒng)的淡水進(jìn)水槽，使淡水濃度降低，以減少電滲析器的串聯(lián)級(jí)數(shù)或段數(shù)。圖7-10部分循環(huán)式連續(xù)脫鹽流程示意圖部分循環(huán)式脫鹽過程的淡水流量不等于產(chǎn)水量，一部分淡水要參加回流。操作過程比較靈活，但配管復(fù)雜、動(dòng)力消耗較大。原料逍0水聲4TT!暫頫斗穿ift離交M塗B*合于鹽胸益-憩渥離京樹遼■blo/,5>極

陽7-28f(1-f)產(chǎn)Q-7-28f(1-f)產(chǎn)Q-7-30量量(G+Q)相［1 口 相1Rdo根據(jù)物料平衡可以得到以下幾個(gè)關(guān)系式：電滲析器進(jìn)水濃度Q+C■R doQ+G回G=Q7-29水C/C水-1——di do—C/C—1式中 Cdi――電滲析器進(jìn)水濃度，mol/L；CR——原水濃度，mol/L；Cdo——淡水出口濃度，mol/L；Q——產(chǎn)水量，L/S； 圖7-12唐南滲析的原理G――回流量，L/s。第七節(jié)新型電滲析過程一、填充混合離子交換樹脂電滲析過程制高純水1983年Kedem.提出了填充混合離子交換樹脂的電滲析過程制圖7-11填充離子交換樹脂的電滲析過程去離子水。1987年推出產(chǎn)品。這是一種將電滲析和離子交換優(yōu)點(diǎn)巧妙結(jié)合的脫鹽方法，如圖7-11所示。在該過程中，離子交換樹脂顆粒填充在電滲析器的淡化室內(nèi)，被離子交換樹脂吸附的離子在電場力作用下不斷遷移入濃水室，這樣離子交換樹脂不需要再生，而原料液中的離子幾乎可完全被除去。這種過程與傳統(tǒng)的電滲析-離子交換系統(tǒng)相比，陰、陽離子交換樹脂所吸附的溶液中的陰、陽離子，由電滲析極化過程的OH-、H+連續(xù)再生，可以連續(xù)地脫除離子，不間斷地生產(chǎn)純水、超純水。為了降低膜堆電阻，可以填充離子導(dǎo)電網(wǎng)。二、含離子交換膜的唐南滲析一張陽離子交換膜將CuSO4與h2so4的混合