1、第七章離子交換膜與電滲析,電滲析的發(fā)展概述 電滲析基本原理 離子交換膜的組成及分類 離子交換膜的制備 離子交換膜的主要性能 電滲析器 電滲析的脫鹽過程 新型的電滲析過程 電滲析在廢水處理中的應(yīng)用,主要內(nèi)容,3. 山東東岳集團(tuán)上周傳出喜人消息：“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃“全氟離子交換膜工程技術(shù)研究”項(xiàng)目的4個(gè)課題全部通過了山東省科技廳組織的專家審核驗(yàn)收。國(guó)產(chǎn)全氟離子膜關(guān)鍵技術(shù)、工程放大及裝備技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目的完成，以及在萬噸級(jí)電解裝置上成功應(yīng)用，改寫了我國(guó)氯堿工業(yè)長(zhǎng)期受制于人的歷史。,我國(guó)2010年度膜產(chǎn)業(yè)十大新聞,電滲析的發(fā)展概述,電滲析研究源于德國(guó)，與1952年美國(guó)Ionics公司制備世界第一臺(tái)

2、電滲析裝置，用于苦咸水淡化； 20世紀(jì)50年代末，日本開發(fā)海水濃縮制食鹽； 我國(guó)電滲析技術(shù)研究始于1958年，目前在電滲析主要裝置部件及結(jié)構(gòu)方面都有巨大的創(chuàng)新，僅離子交換膜產(chǎn)量就占到了世界的1/3； 1981年，我國(guó)由國(guó)家海洋局杭州水處理技術(shù)開發(fā)中心研發(fā)出200m3/d規(guī)模的海水淡化電滲析裝置。,第一節(jié)電滲析基本原理,一、電滲析的工作原理 電滲析（electrodialysis，簡(jiǎn)稱ED）是指在直流電場(chǎng)的作用下，溶液中的帶電離子選擇性定向遷移，透過離子交換膜并得以去除的一種膜分離技術(shù)。 電位差為推動(dòng)力，利用陰、陽離子交換膜對(duì)溶液中陰、陽離子的選擇透過性(即陽膜只允許陽離子通過，陰膜只允許陰離子

3、通過），而使溶液中的溶質(zhì)與水分離的一種物理化學(xué)過程。從而實(shí)現(xiàn)溶液的濃縮、淡化、精制和提純的一種膜過程。,工作原理示意圖,陽模帶負(fù)電荷，陰膜帶正電荷 與膜所帶電荷相反的離子透過膜的現(xiàn)象稱為反離子遷移 高選擇性滲透率、低電阻力、優(yōu)良的化學(xué)和熱穩(wěn)定性以及一定的機(jī)械強(qiáng)度,2,3,4,陽膜組成的電滲析器 陰膜組成的電滲析器,二、電滲析過程中的傳遞現(xiàn)象,1）主要過程： 反離子遷移 2）次要過程： 同名離子遷移（陽模-陰離子）、電解質(zhì)滲析（濃差擴(kuò)散）、水滲透（滲透壓）、水的電滲透（離子水合） 3）非正常過程： 壓差滲漏（溶液）、水的解離（極化）,三、電滲析過程的兩個(gè)基本條件,直流電場(chǎng)的作用 使溶液中正、負(fù)離

4、子分別向陰極和陽極作定向遷移 離子交換膜的選擇透過性 使溶液中的帶電離子在膜上實(shí)現(xiàn)反離子遷移,離子交換膜為什么具有選擇透過性呢,四、離子交換膜的選擇透過性,膜的靜電作用、孔隙作用和擴(kuò)散作用 帶大量電荷的膜吸引反離子、排斥同名離子；膜中固定離子越多，吸引力越強(qiáng)，選擇性越好 水合離子半徑小于孔隙大小才能通過 膜對(duì)溶解離子所具有的傳遞遷移能力，吸附-解吸-遷移,注意！離子交換膜的作用并不是起離子交換的作用，而是起離子選擇性透過作用！,靜電作用、孔隙作用和擴(kuò)散作用,第二節(jié)離子交換膜的組成及分類,一、離子交換膜的組成 樹脂、膠黏劑、增塑劑、著色劑、抗氧化劑、脫模劑等 二、離子交換膜的分類 離子交換膜是膜

5、狀的離子交換樹脂，含有活性基團(tuán)和能使離子透過的細(xì)孔 常用的離子交換膜按其選擇透過性可分為陽離子交換膜、陰離子交換膜、特殊離子交換膜三大類 陽膜含有酸性活性基團(tuán)，解離出陽離子，使膜呈負(fù)電性，選擇性透過陽離子 陰膜含有堿性活性基團(tuán)，與陽模相反,選擇性透過,特殊離子交換膜 雙極膜由一面陽膜和一面陰膜其間夾一層極薄的網(wǎng)布做成，具有方向性的電阻。當(dāng)陽膜面朝向陰極，陰膜面朝向陽極時(shí)，正、負(fù)離子都不能透過膜，顯示出很高的電阻。當(dāng)膜的朝向與上述相反時(shí)，膜電阻降低，膜兩側(cè)相應(yīng)的離子進(jìn)入膜中。,直流電場(chǎng)下，雙極性膜可將水離解，能夠?qū)⑺蛛x成H+與OH- 兩種離子，可作為H+與OH-的供應(yīng)源。,第三節(jié) 離子交換膜的

6、制備,按照離子交換膜的主體組分可分為均相膜和異相膜 均相膜中各成分以分子狀態(tài)均勻分布，不存在相界面 異相膜是通過膠黏劑把粉狀樹脂制成片狀膜，存在相界面 1.異相膜（壓延和模壓，溶液型膠黏劑，離子型交換樹脂） 2.半均相膜（膠黏劑吸浸單體后聚合制備樹脂，均勻分散） 3.均相膜（直接薄膜化，制備基膜后引入離子交換基團(tuán)或者先引入離子交換基團(tuán)后再成膜） 4.新型離子交換膜（雙極膜和螯合膜）,第四節(jié)離子交換膜的主要性能,交換容量（IEC）：每克干膜所含活性基團(tuán)的毫克當(dāng)量數(shù)，單位為meq/g 交換容量高，選擇透過性好，導(dǎo)電能力強(qiáng)，但溶脹度大，影響機(jī)械強(qiáng)度 一般約為23meq/g 含水量：膜內(nèi)與活性基團(tuán)結(jié)合

7、的內(nèi)在水，以每克干膜含水質(zhì)量表示，一般含水量為20-40% 膜電阻：關(guān)系工作所需電壓和電能消耗，通常越小越好 選擇透過度：常用反離子遷移數(shù)和膜的透過度來表示 一般要求大于85%，反離子遷移數(shù)大于0.9，并希望在高濃度電解質(zhì)中仍有良好的選擇透過性,離子交換膜的性能要求,選擇透過性高，要求在95%以上； 導(dǎo)電性好，要求其導(dǎo)電能力應(yīng)大于溶液的導(dǎo)電能力； 交換容量大； 溶脹率和含水率適量； 化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)； 機(jī)械強(qiáng)度大。,第五節(jié)電滲析器,一、電滲析器的主要結(jié)構(gòu) 電滲析器由膜堆、極區(qū)和壓緊裝置三部分組成 常用基本術(shù)語包括膜對(duì)、級(jí)、段等 膜對(duì)：由陽膜、濃（或淡）水室隔板、陰膜、淡（濃）水室隔板交替排列成濃水

8、室和淡水室，最小電滲析工作單元 膜堆由一系列膜對(duì)組成，位于電滲析器的中部。 極區(qū)由托板、電極、極框和彈性墊板組成 壓緊裝置由蓋板和螺桿組成，其作用是將極區(qū)和膜堆組成不漏水的電滲析器整體,電滲析裝置,膜堆,二、電滲析器的組裝,電滲析器的組裝依其應(yīng)用不同而有所不同。其組裝的情況是用級(jí)和段來表示的。 級(jí)：一對(duì)正、負(fù)電極之間的膜堆稱為一級(jí)； 段：具有同一水流方向的并聯(lián)膜堆稱為一段。,電滲析器的組裝示意圖,三、電滲析器的級(jí)與段,一級(jí)一段,一級(jí)兩段,兩級(jí)一段,兩級(jí)兩段,一對(duì)正、負(fù)電極之間的膜堆稱為一級(jí),具有同一水流方向的并聯(lián)膜堆稱為一段,并聯(lián),串聯(lián),一級(jí)一段特點(diǎn)是產(chǎn)水量與膜對(duì)數(shù)成正比，脫鹽率取決于一塊隔板

9、的流程長(zhǎng)度，常用于大、中制水廠，可含200360個(gè)膜對(duì)； 二級(jí)一段（多級(jí)一段）使操作電壓降低，便于低操作電壓下獲得高產(chǎn)水量； 一級(jí)兩段可增加脫鹽流程長(zhǎng)度，提高脫鹽率，適用于單臺(tái)電滲析器一次脫鹽，中、小型制水廠； 多級(jí)多段發(fā)揮兩者優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)滿足對(duì)產(chǎn)量和質(zhì)量的要求。,四、實(shí)際應(yīng)用的電滲析器,五、電滲析儀的性能指標(biāo),淡水產(chǎn)量 脫鹽率 電能消耗 電流效率,第六節(jié)電滲析的脫鹽過程,1.連續(xù)式脫鹽,2.循環(huán)式脫鹽,第七節(jié) 新型的電滲析過程,填充混合離子交換樹脂電滲析過程 含離子交換膜的Donnan滲析,雙極膜水解離電滲析,雙極膜是陰、陽膜緊密相鄰或結(jié)合而成，直流電場(chǎng)下可將水離解 雙極性膜單獨(dú)使用可實(shí)現(xiàn)電解

10、反應(yīng)；與陽膜和陰膜組合使用可實(shí)現(xiàn)離子交換反應(yīng)，可將鹽轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的酸與堿、可從氨基酸鹽制備氨基酸。,酸性氣體的清除與回收,第八節(jié)電滲析在廢水處理中的應(yīng)用,水的純化 海水、苦咸水、自來水制備初級(jí)和高級(jí)純水的重要方法，一般采用與離子交換樹脂組合工藝，但注意電滲析不能出去非電解質(zhì)雜質(zhì) 海水、鹽泉鹵水制鹽 電滲析濃縮海水蒸發(fā)結(jié)晶制備食鹽，不受地理氣候限制，易于自動(dòng)化和工業(yè)化 廢水處理 脫除有機(jī)物中的鹽分,目前，電滲析在廢水處理實(shí)踐中應(yīng)用最普遍的有： 造紙工業(yè)廢水處理，利用電滲析法處理造紙工業(yè)的亞硫酸紙漿廢液和洗漿廢水及堿法造紙黑液，從中回收化學(xué)藥品，已得到工業(yè)應(yīng)用。 從芒硝廢液中制取硫酸和氫氧化鈉。 從酸洗廢液中制取硫酸和沉淀重金屬離子。 電鍍廢水和廢液處理，含Cd2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr6+等重金屬離子和氰化物的電鍍廢水都適宜用電滲析法處理，其中應(yīng)用最成熟的是含鎳廢水處理。 從放射性廢水中分離放射性元素，然后將其濃縮液掩埋。,脫除有機(jī)物中的鹽分 醫(yī)藥：葡萄糖、甘露醛、氨基酸、維生素C，中草藥等 中草藥有效成分的分離和精制，可通過電滲析把中草藥提取液分離成無機(jī)陽離子和生物堿、無機(jī)陰離子和有機(jī)酸、中性化合物和高分子化合物三部分 食品：牛乳、乳清等,超濾、反滲透、電滲析組合工藝提取甘露醇,本章習(xí)題,掌握電滲析的工作原理及其組成示意圖 電滲析