第四章膜法水处理

1、第四章膜法水处理膜分离法 是利用选择性透过膜为分离介质当膜两侧存在某种推动力（如压力差、浓度差、电位差）时，使溶剂（通常是水）与溶质或微粒分离的方法。一般包括电渗析、反渗透、超滤、扩 散渗析等，其中的反渗透、超滤相当于过滤技术。用选择性透过膜进行分离时，使溶质通过膜的方法称为渗析；而使溶剂通过膜的方法则称为渗透。电渗析法是以电位差为推动力的膜分离法，用于从水溶液中脱除离子，主要用于苦咸水脱 盐或海水淡化。其膜是导电膜，即阳离子交换膜和阴离子交换膜。以压力差为推动力的膜分离法，根据溶质粒子的大小及膜的结构性质（超滤膜、纳滤膜、反渗透膜等），又可分为超滤、纳滤、反渗透等。反渗透法可用于溶剂的纯化和

2、溶液浓缩。反渗透 法大部分应用于水的纯化主要是苦咸水脱盐或海水淡化。反渗透法的另一个重要应用为制备 高纯水。膜是分离技术的核心。膜材料的化学性能、结构对膜分离法起着决定性的作用；一般是高 分子材料制成的膜，有纤维素膜、芳香聚酰胺类膜、杂环类膜、聚砜类膜、聚烯烃类膜和含氟 高分子膜等。膜分离法的特点： 不发生相变、常温进行、适用范围广（有机物、无机物等）、装置简单、 易操作和易控制等。膜法水处理具有适应性强、效率高、占地面积小、运行经济的特点。所 以，国内外已把电渗析法、反渗透法或膜分离法与离子交换相结合的方法应用于锅炉水处理。 第一节电渗析电渗析是膜分离技术的一种，它是在直流电场作用下，以电位

3、差为推动力，利用离子交换 膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的淡化、浓缩、精制或纯化的目 的。电渗析的进展：对电渗析基本概念的研究始于20世纪初，采用动物皮、膀胱膜或人造纤维、羊皮纸等进行实验室研究，但无工业应用价值；随着合成树脂的发展，1950年，朱达试制出具有高选择性的阴、阳离子交换膜后，才奠定了电渗析技术的实用基础；1954年美、英等国将电渗析首先用于生产实践中，淡化苦咸水、制备工业用水和饮用水。此后，电渗析技术逐步引入 中东和北非。1959年起，前苏联也开始研究和推广应用。日本主要利用电渗析法浓缩制盐，1969年日本国内食盐有 30%是用离于交换膜电渗析法生产的，1

4、970年才将电渗析技术用于苦咸水淡化。一、电渗析基本原理及过程1. 渗析过程(1) 渗析的原理渗析是最早被发现和研究的一种膜分离过程，它是一种自然发生的物理现象。当两种不同浓度的盐水用一张渗析膜 (半透膜或离子交换膜)隔开时，浓盐水中的电解质离子就会穿过膜扩 散到稀盐水中去，这种过程称为渗析过程，亦称扩散渗析。渗析过程的 推动力是浓度梯度，因此又称浓差渗析。1c17/.kJC1般2阴胆FeSQ图4-1渗析过程示意图图4-2浓差渗析回收酸渗析过程是缓慢进行的，随着盐分浓度梯度的降低盐的扩散也逐渐减少，直到膜两边浓 度相同，建立了平衡，盐分的迁移也就完全停止。(2) 渗析的应用 血液透析 从酸碱废

5、液中回收酸碱。浓差渗析回收酸见图 4-2。料液中由于 HSQ和FeSQ的浓度高，其中 Fe2+、H； SQ2-均有 向渗析液中扩散的趋势，由于使用阴离子交换膜作渗析膜，因此理论上阴膜只允许SQ2-透过膜进入渗析液，而H+离子由于水合离子半径小， 迁移速度快，故也能透过膜迁移到渗析液中。 H和1/2SQ42-等摩尔透过膜，以保持溶液的电中性。但是Fe2+离子则不透过阴膜。 经过一段时间的渗析后，料液中的 H2SQ即进入渗析液中，实现了FeSQ4和H2SQ的分离，即可实现回收废硫酸的目的。2. 电渗析过程电渗析过程是电解和渗析扩散过程的组合。电渗析制取淡水的基本过程：利用离子交换膜的选择透过性，即

6、阳膜理论上只允许阳离子通过，阴膜理论上只允许阴离子通过，在外加直流 电场作用下，阴、阳离子分别往阳极和阴极移动，它们最终会于离子交换膜，如果膜的固定电荷与离子的电荷相反，则离子可以通过，如果它们的电荷是相同的则离子被排斥，从而可以 制得淡水。电渗析运行时可能发生的过程见图4-3。阴膜，国离子讦翘Cl 同名离子迁移Sa 液差扩散H 0 _水的潘透H 0 一球的电灌透H 0 :水的压疹H 一水的电离阳膜图4-3电渗析运行时可能发生的过程(1) 反离子迁移离子交换膜具有选择透过性。反离子迁移是电渗析运行时发生的主要过程，也就是电渗析 的除盐过程，反离子迁移效应大于0.9。(2) 同名离子迁移与膜上固

7、定基团所带电荷相同的离子穿过膜的现象。即浓水中阳离子穿过阴膜，阴离子穿 过阳膜，进入淡室的过程，就是同名离子迁移。这是由于离子交换膜的选择透过性不可能达到100 %。当膜的选择性固定后，随着浓室盐浓度增加，这种同名离子迁移影响加大。(3) 电解质浓差扩散由于膜两侧溶液浓度不同，在浓度差作用下，电解质由浓室向淡室扩散，扩散速度随浓度 差的增高而增大。水的渗透在电渗析过程中，由于淡室水浓度低，基于渗透压的作用，会使淡室的水向浓室渗透。浓度差愈大，水的渗透量也愈大，这一过程会使淡水产量降低。(5)水的电渗透反离子和同名离子，实际上都是以水合离子形式存在，在迁移过程中携带一定数量的水分 子迁移，这就是

8、水的电渗透。随着溶液浓度的降低，水的电渗透量急骤增加。水的压渗当浓室和淡室存在着压力差时，溶液由压力大的一例向压力小的一侧渗漏，称为水的压渗, 因此操作时应保持两侧压力基本平衡。(7) 水的电离电渗析运行时， 由于电流密度相液体流速不匹配， 电解质离子未能及时地补充到膜的表面， 而造成淡室水的电离生成 H+和0H离子，它们可以穿过阳膜和阴膜。对电渗析各过程的评价电渗析器在运行时，同时发生着多种复杂过程：反离子迁移是电渗析除盐的主要过程 , 其它都是次要过程。这些次要过程会影响和干扰电渗析的主要过程：-同名离于迁移和电解质浓差扩散与主过程相反，会影响除盐效果；-水的渗透、电渗透和压渗会影响淡室产

9、水量，也会影响浓缩效果；-水的电离会使耗电量增加，导致浓室极化结垢，从而影响电渗析的正常远行。因此必须选择优质离子交换膜和最佳的电渗析操作条件，以便消除或改善这些次要过程的 影响。3. 电渗析法脱盐的基本原理 把阳离子交换膜和阴离子交换膜交替排列于正负两个电极之间，并用特制的隔板将其隔开，组成脱盐 (淡化 ) 和浓缩两个系统。当向隔室通入盐水后，在直流电场作用下，阳离子向阴极迁移，阴离子向阳极迁移，但由 于离子交换膜的选择透过性，而使淡室中的盐水淡化，浓室中盐水被浓缩，实现脱盐目的。电渗析法原理示意图电渗析上两极的反应 以 NaCl 溶液为例在阳极上：2CI- - 2e t Cl 2T+H2O

10、 t H+ + OH-4OH- 4e t O2 + 2H 2O产生的氯气又有一部分溶于水中：Cl2 + H2O t HCl + HClOHClOtHCl + O阳极反应有氧气和氯气产生， 氯气溶于水又产生 HCl 及初生态氧 O ，阳极呈酸性反应，应 当注意阳极的氧化和腐蚀问题。在阴极上：H 2O - t H+ + OH-H + + 2e - t 2H2T+ -Na + + OH- - t NaOH在阴极室由于 H+离子的减少，放出氢气，极水呈碱性反应，当极水中含有、Mg+和CO32- 等离子时，会生成 CaCO和Mg(OH)等沉淀物，在阴极上形成结垢。在极室中应注意及时排除电极反应产物，以保

11、证电渗析过程的安全运行，考虑到阴膜容易 损坏， 并为了防止 Cl -离子透过阴膜进入阳极室， 所以在阳极附近一般不用阴膜， 而改用阳膜或 惰性多孔保护膜。4. 电渗析技术的特点(1) 能量消耗低。电渗析除盐过程中，只是用电能来迁移水中的盐分，而大量的水不发生相的变化，其耗电 量大致与水中的含盐量成正比，尤其是对含盐量为数千 mg/L 的苦咸水，其耗电量更低。(2) 药剂耗量少环境污染小常规的离子交换处理水时，树脂失效后需用酸、碱进行再生，再生后生成大量酸、碱再生 废液，水洗时还要排放大量酸、碱性废水。电渗析法处理水时，仅酸洗时需要少量的酸。因此电渗析法是耗用药剂少，环境污染小的 一种除盐手段。

12、(3) 对原水含盐量变化适应性强电渗析除盐可按需要进行调节。产水量可按需要从每日几 m5至上万m3变化。可根据设计一 台电渗析器中的段数、 级数或多台电渗析器的串联、并联或不同除盐方式 (直流式、循环式或部 分循环式 ) 来适应。(4) 操作简单，易于实现机械化、自动化 电渗析器一般是控制在恒定直流电压下运行，不需要通过频繁地调节流速、电流及电压来适应水质、温度的变化。因此，容易做到机械化、自动化操作。(5) 设备紧凑耐用预处理简单电渗析器是用塑料隔板、 离子交换膜及电极组装而成， 其抗化学污染和抗腐蚀性能均良好， 隔板相膜多层更加在一起，运行时通电即可制得淡水，因此设备紧凑耐用。由于电渗析中

13、水流是在膜面平行流过，而不需透过膜，因此进水水质不像反渗透控制的那 样严格，一般经砂滤即可，相对而言预处理比较简单。(6) 水的利用率较高电渗析器运行时，浓水和极水可以循环使用，与反渗透相比，水的利用率较高，可达到70%- 80，国外可高达 90。废弃的水量少，再利用和后处理都比较简单。电渗析的缺点 电渗析只能除去水中的盐分而对水中有机物不能去除，某些高价离子和有机物还会污染 膜。电渗析运行过程中易发生浓差极化而产生结垢(用频繁倒极电渗析可以避免 ) ，这些都是电渗析技术较难掌握而又必须重视的问题。与反渗透相比，由于它的脱盐率较低，装置比较庞大且组装要求高，因此它的发展不如反渗透快。二、电渗析

14、器的结构及设备电渗析器由交替排列的膜和隔板以及两端电极组装而成。在电渗析器中，一张阴膜、淡水隔板、阳膜、浓水隔板组成一个膜对，若干膜对组合成膜 堆；一对电极之间的膜堆称为一级，淡水水流方向相同的膜堆称为段。根据对水量和水质的要求，可采用一级一段、多级一段、一级多段和多级多段的不同组合 方式。电渗析器的主要部件和辅助设备1. 离子交换膜离子交换膜，又称离子选择透过性膜。它是由对离子具有选择透过性的高分子材料制成的 薄膜。按膜中的活性基团可分为：阳离子交换膜(简称阳膜)：强酸性磺酸型阳膜， 活性基团为-SQH或-SOsNa等，其反离子为 H或Na等；阴离子交换膜(简称阴膜)：强碱性季铵型阴膜， 活

15、性基团为-N(CHs) 3OH或-N(CHs) 3CI等，其 反离子为OH和Cl等。离子交换膜是一种高聚物电解质薄膜，当浸入电解质溶液后，其中的活性集团在溶剂的作用下发生离解：R-SOf HH4固宦基团解离离子須-0H固定基团解离离子季胺型膜磺舉型阳膜产生的反离子进入水溶液，在膜上留下带有一定电荷的固定基团。由于磺酸基团和季铵基 团具有亲水性，使膜在水中溶胀，膜体结构变松，从而形成细微、弯曲和贯通膜两面的通道， 使通道中留下带有一定电荷的固定基团而形成内电场。在外电场作用下，由于内电场存在离 子交换膜只允许与其内电场电荷相反的离子通过，而与内电场电荷相同的离子不能通过。离子 交换膜的这种选择透

16、过性，是电渗析除盐的基础。(3) 离子交换膜是电渗析器中的关键材料，故对离子交换膜的物理、 化学和电化学性能有一定的要求： 具有较高的选择透过性溶液的浓度增高时，离子交换膜的选择透过性下降。阳离子交换膜对阳离子的选择性迁移数应大于 0.9 ，对阴离子迁移数应小于 0.1 。 较好的化学稳定性 耐化学腐蚀、耐氧化、耐一定温度、耐辐射和抗水解的性能。 离子的反扩散和渗水性较低 无论是同名离子迁移，还是浓差扩散及水的各种渗透过程，都不利于水的脱盐，或引起脱 盐率下降。 具有较高的机械强度 膜应光滑平整，无针孔，厚度均匀。在受到一定压力或拉力时，不会发生变形裂纹，具有 较高的机械强度和韧性。 具有较低

17、的膜电阻 膜的电阻应小于溶液的电阻，否则由膜本身所引起的电压降增大不利于最佳电流条件，使 电渗析效率下降。可通过减少膜的厚度，提高膜的交换容量和降低膜的交联度来降低膜电阻。 膜的原料丰富、价格低廉、工艺简单。膜的处理中的注意事项 ：组装前对膜的处理：将膜放在操作溶液中浸泡2448小时，使之与膜外溶液平衡，然后才裁减打孔。膜的尺寸应比隔板周边小 1mm比隔板水孔大1mm 停运后，应在电渗析器中充满溶液，防止膜发霉变质或干燥收缩变形甚至破裂。2. 隔板它置于阳膜、阴膜之间，起着分隔和支撑阳膜、阴膜的作用，并形成水流通道，构成浓、 淡水室。隔板上有进出水孔、配水槽和集水槽、流水道。隔板材料为聚氯乙烯

18、、聚丙烯、合成橡胶等非导体材料，能耐酸碱腐蚀，尺寸稳定具有一 定的弹性，以便于密封。根据水流在隔板中的流动状况，分为有回路和无回路两类形式。a. 有回路隔板：依靠弯曲而细长的通道，达到以较小流量提高平均流速的效果，并且在膜面引 起搅动，产生紊流现象。一般只有一个进水孔和一个出水孔。水流从一个进水孔经配水槽进入 隔板，在流水道中来回流动，从另一出水孔流出，因此又称为折流式隔板。它多用于水量少而 除盐要求较高的水处理中。b. 无回路隔板：使液体沿整个膜面流动，利用不同形式的隔网使液流产生紊流。水流是由一个 或多个进水口经配布水槽直线地流过隔板，再由对应的出水口流山，又称直流式隔板。它多用于水量大而

19、除盐要求不高的水处理场合。3. 极区向电渗析器输入直流电，并将浓淡水引入膜堆，以及送入和引出极水。极区由电极、导水 板和极水室组成。 电极：电极放在膜堆两端，连接直流电源后，阳极与阴极间产生的电位差成为电渗析的推动力。电极材料有钛涂钉、 石墨、不锈钢等。Cl- v 100mg/L时用1Cr18Ni9Ti ; Cl - > 100 mg/L 时用钛涂钉电极或经过防腐处理过的细晶粒石墨电极。电极应具备的条件：化学和电化学稳定性好；导电性好，电阻小；机械性能好，便于加工和装卸；价格便宜。 导水板：引入和导出浓、淡水，也可作引入和导出极水用。 极水室：由供极水流动的隔板构成，对极水室的要求是极水

20、畅通，并能及时排去电极反应产生的气体和沉淀物，这也是电渗析过程进行的必要条件。4. 压紧装置用来夹极室、保护室极膜堆的装置，其作用是使电渗析器在运行时，不致于产生水的内漏和外漏现象。有钢板或槽钢组合板或铸铁压板两种。钢板或槽钢组合板用螺杆锁紧；铸铁压板 也可用液压锁紧。电議祈器的内部结构阴膜；2-浓水I畐板框；3制畐板网；4-阳£-攒水陽板框;厂勺-機水讲出方向；水进出方耐图4-4电渗析器的内部结构5. 电渗析器的辅助设备（1）电渗析器的直流电源 采用无级调压硅整流器或可控硅整流器，直流输出应有正、 负极开关， 或自动倒电极装置。整流器容量 （ 输出电压和电流的额定值 ）是根据电渗析

21、器所需操作参数选定，并要有一定裕度， 一般直流输出电压和电流比正常工作时大两倍左右。（2）酸洗系统、水箱、水泵 酸洗系统包括酸箱、循环泵和管道，均应耐腐蚀。（3）监测仪表 应设置浓、谈、极水进出口的流量计和压力表；电流、电压表及电导仪、 pH 计等。有条件 时，可安装在线检测仪器自动测量、 记录和控制、 报警等系统。 新型的频繁倒极电渗析器 （EDR）， 对水流和电流都安装了控制和保护系统，可以定时自动倒换电极极性，同时相应地切换浓、淡 水的阀门，并在发生故障时发出信号，将其停运。三、电渗析法水处理除盐工艺系统 电渗析法水处理除盐工艺系统可以分两种：1. 电渗析器本体的工艺系统 选择经济合理的

22、电渗析工艺系统 （即除盐方式 ） ，是设计电渗析除盐水处理工艺的一个重要 部分。一般应根据原水水质、用水水量、用水水质要求等，通过技术经济比较后确定。常用的除盐方式有直流式、循环式和部分循环式三种。（1）直流式除盐：原水流经一台或多台串联的电渗析器后，即能达到要求的水质。适用于产水 量和原水浓度恒定的条件。该法的优点是可连续制水、管道简单；缺点是定型设备的出水水质 随原水含盐量而变。（2）循环式除盐： 将原水在电渗析器和水箱中多次循环，以达到所需出水的水质。优点是不论原水浓度如何变化，都可以将原水处理到要求的任一水平，且流速大，除盐速度快，电渗析器体积小。其缺 点是需设置循环水泵和水箱，只能间

23、歇供水，电耗大。适用于制水量小，原水含盐量高，出水 水质要求高的小型装置。（3）部分循环式除盐 : 是直流式和循环式除盐相结合的一种方式。在部分循环式除盐工艺系统中，电渗析器的出口淡水分成两路，一路连续出水供用户使用；另一路返回电渗析器与水相中水相混，继续进行 除盐。其特点是用定型设备，可适应不同水质和水量的要求。在原水含盐量变化时，可调节循 环量去保持出水水质稳定，但系统较复杂，电耗大。适用于大规模的水处理系统。除盐水原水电褚析器除盐水部分循坏式除盐水辑电潼析器除盐水O1 11 1水箱泵泵直涼式除盐循环式除盐图4-5电渗析器的除盐方式2. 电渗析器与其他水处理设备的组合除盐系统电渗析一般用于

24、含盐量较高的苦咸水、高硬度水的部分除盐，以作深度除盐的顶处理。由于电渗析法除盐有其适用范围，在应用中，应根据原水水质和除盐水水质要求，与离子交换水处理技术等相结合，使其在水处理工艺中各自发挥其优势，以达到合理的技术经济效果，并能稳定运行。其常用的组合除盐水处理系统如下。（1）预处理-电渗析-离子交换这种将电渗析器和离子交换器组合使用的系统在国内外应用较早，也较广泛。其组合原理是根据电渗析制水时，当其水的电阻率为20x 104 q cm以上时，电渗析器易极化而无法继续适应；反之，离子交换却能适应处理低含盐量的水，可以制取高纯水。所以在 这种组合水处理系统中，电渗析作为离子交换水处理的前级处理，用

25、以去除原水中的绝大部分 （60 %90% ）盐分，剩下的少部分盐份再由离子交换进一步去除，即可制取除盐水。根据对除盐水用水的水质要求，离子交换可以是单床、复床、混合床或其他不同的组合形 式。这种系统特点是保证出水水质高，系统运行稳定，再生剂耗用少对原水含盐量变化的适 应性强，适用于苦咸水或沿海地区受海水倒灌影响的情况。这种组合除盐水处理系统已广泛应用于电力、化工、轻工、电子等领域。（2）预处理一离子交换一电渗析这种组合除盐系统在电渗析器之前设置离子交换器（钠型离子交换器），其目的是去除原水中易结垢的硬度离子（钙、镁），防止在电渗析器内产生沉淀结垢，降低除盐率，而影响正常运行。（3）预处理一离子

26、交换（软化）一电渗析一离子交换（软化）这种组合系统中，在电渗析前后均有离子交换软化处理，这是因为预软化可以防止电渗析 器中的结垢、堵塞，提高电渗析的除盐效率；电渗析后的离子交换软化处理，可进一步降低水中的硬度和相对碱度，以保证中、低压锅炉给水的水质。电渗析在水处理方面的应用A.电镀废水；B.造纸工苦咸水及海水淡化、海水浓缩制盐、纯水的制备、工业废水的处理( 业废水；C.重金属废水)、放射性废水、离子隔膜电解、在其它方面 四、电渗析器的运行1.电渗析器运行的工艺参数运行工艺参数符号单位物理意义计算公式淡水产量Q淡水m/h单位时间的淡水产量除盐量£%原水与淡水含盐量之差占原 水含盐量的百

27、分率Cj - Cp) /Cj原水利用率n水%淡水产量占原水总用量的百 分率Q淡水/ Q原水操作电流IA电渗析器的工作电流操作电压VV供给电渗析器的直流电压水流压降 pMpa电渗析器进岀口水流压力差电流效率n%通入电渗析器电流在脱盐过 程中得到有效利用的百分率26.8Q 淡水(Cj-Cc)/(nl)电耗W3kW- h/m单位淡水产量的耗电量-3VI*10 /(Q 淡水 n )浓缩倍数K-浓水与原淡水含盐量之比(q+Q £ )/q2.极化和极限电流密度有离子交换膜的极化和电极的极化膜的极化：在电渗析运行过程中，由于反离子在膜内迁移速度大于在溶液中的迁移速度，因而淡水室膜面的溶液浓度下降，

28、并与主体溶液形成浓度梯度。当工作电流增至一定值时，淡水室膜面的溶液浓度几乎下降为零，致使水分子大量电离， 使H+和0H一起传递电流的作用， 这一现象称为极化。当淡水室膜面的溶液浓度为零，则此时的工作电流称为极限电流。极限电流与膜的有效面积之比值称为 极限电流密度(i lim)，计算如下:Ill"(t-t) 5式中：Mm -极限电流密度，A/cm2； t -离子在膜中的迁移数；t -离子在溶液中的迁移数；c -淡水室中水的对数平均含盐量，mmol/L ；S -膜面扩散层厚度，cm; D -离子扩散系数，cm/s ；F -法拉第常数，96500 C/mol。电渗析器的极限电流密度(i l

29、im)与淡水室中的水流速度有关lim = k vm - cc = (cj - Cc)/2.3lg(c j/c c)式中 : v - 淡水室中的水流速度， cm/s ；c - 淡水室中水的对数平均含盐量， mmol/L ；m - 流速指数 (在 0.33-0.90 之间)；k - 水力学系数 ( 隔板特性综合系数 ) ；c j - 淡水室进水的含盐量， mmol/L ；c c - 淡水室出水的含盐量， mmol/L 。m与k可通过试验求得。有关试验表明，在设备、水温、水质确定时，v在520cm/s范围内，m与k是常数。在使用同种离子交换膜时，m k值越大的电渗析装置可获得较高的除盐率。电极极化：

30、主要包括电极表面存在的浓差极化和电化学反应。电极的浓差极化，是由于电极反应放电时放电离子在电极表面层的浓度低于电极液中的浓度。3. 极化的危害电阻增大而增加电耗淡室中的水电离而消耗电能，且电流效率下降引起结垢4. 稳定运行的措施(1) 原水的预处理原水预处理的目的是为了避免因电渗析设备堵塞和膜污染而引起的电渗析器脱盐率下 降、产水量降低和能耗增大。为此应对进水采取相应的预处理措施，控制电渗析器的进水水质 指标达到下列要求： 浊度 隔板厚度1.52.0mm, v 3mg/L,隔板焊度 0.5 0.9mm, v O.3mg/L; 耗氧量 v 3mg/L(高锰酸钾煮沸法测定，以Q计)； 游离性余氯含

31、量 v 0.2mg/L ； 铁、锰含量 铁含量v 0.3mg/L,锰含量v 0.1mg/L ; 水温540C； 淤塞密度指数 (SDI) 频繁倒极电渗析 (EDR), SDIv 7,电渗析 (ED) , SDIv 3 5。一般应根据阴板厚度和倒极时间实测出适宜的SDI，般v 10。(2) 确定合理的操作参数电渗析器运行中的操作参数包括流速、压力、电压、电流、进水水质、倒极时间间隔和酸 洗周期等。如果浓水是循环利用的,还要确定浓水的循环比例。为了保证电渗析器合理、安全、 有效地运行，确定合理的操作参数是非常重要的。 流速和压力淡水室流速过低，会造成微量悬浮物沉积，阻力损失增大，各隔室配水不均，膜

32、和水流界 面处的扩散层过厚，易产生局部极化。但流速也不可过大，这样会造成设备漏水和变形，出水 水质下降，动力消耗增大。一般流速510cm/s，进水压力不超过 0.3MPa为宜。进水压力过高，会使膜对变形、漏水; 进水压力过低，水流速度就降低； 电压和工作电流在确定适当的流速下，需要确定在什么直流电压下运行。这个电压参数的选取，应为与其 相对应的工作电流为极限电流的 70% 90%时的电压为宜，使其能防止产生极化而造成电流效率 降低和结垢。当原水含盐量、硬度和有机物含量高时取低值，反之则取高值。电渗析器运行时是控制直流电压而不是控制工作电流 。电渗析器有一个电压的限值，它是 由水温、浓度、膜对尺

33、寸和内管道面积确定的。电压超过限值，将有过大电流由电极通过邻近 的膜传到浓水管道，产生足够的热面损坏电极附近的隔板和膜。另一方面由于随运行时间的增 加，膜对电阻会有所上升，使电流下降，若为控制一定电流，必定要升高电压这样易超过电 压的限值。 确定倒极周期定期切换电极，即定期改变电极的极性，使浓、淡水室切换。此时由于极性的交换，离子 迁移方向也改变了，这样在原阴膜浓水侧生成的少量水垢在变换成淡水室后，会逐渐溶解，而 在另一面沉积起来。定期倒换电极，造成了沉淀水垢的不稳定状态，可起到减轻结垢的作用。 应根据水质和工艺操作条件，确定定时倒换电极的时间间隔，一般倒换电极的周期为l 4h。倒极操作时，要

34、防止浓水进入淡水箱而污染水质。频繁倒极电渗析是每 15 30min 自动倒换电极一次，并自动地操作进出水口阀门使浓、淡 水流自动切换。 确定酸洗周期当脱盐率下降 5%以后，应停机进行酸洗。采用倒极后， 一般能使下降的除盐率得到恢复， 但运行一断时间后， 除盐率仍有下降趋势， 可能是由于局部极化、有机物污染和泥浆沉积等原因。对于这种情况应辅以酸洗和反冲洗去消 除这种影响。酸洗通常用1%- 2%盐酸进行循环清洗 0.51h，再用水清洗至出水呈中性。 浓水循环的浓缩倍率确定用电渗析法淡化、脱盐时，要排掉几乎和淡水体积相等的浓水和少量的极水。为了提高水的利用率，通常采用浓水循环的方法。所谓浓缩倍率就是

35、浓水含盐量与原水含盐量之比。由物 料平衡原理，可得浓缩倍率公式如下：K = ( q + Qe ) /qK 值的确定应以保证浓水系统不形成碳酸盐和硫酸盐垢为原则, 同时也不显著降低电流效率，应根据原水水质和所用的膜，通过试验确定。浓缩倍率的控制是通过改变给水的补充量来达到的。我国浓缩倍率一般为45，水的利用率为75%85%五、常见故障1. 漏水( 1)原因：a. 隔板、夹紧板、导水板或膜厚度不均、变形；b. 一级膜对数太多，不易紧固；c. 未夹紧或锁紧时用力不均匀；d. 运行中浓水、淡水、极水压力不平衡等。(2)解决方法 重视电渗析器各部件的选材和加工，组装时应装齐装平。锁紧时要用力均匀，对于膜

36、对数较多的装置可采用分次组装或分次压紧的办法。运行时应严格操作规程。对已变形部件和不合 格部件要更换。2水流阻力上升、进水流量下降(1)产生原因原水中悬浮物和胶体物质大量沉积在配水槽和离子交换膜面；严重极化产生沉淀(2)解决方法应设置必要的预处理装置和反冲洗系统， 在进水管道中设排污阀， 防止启动时将管道内的杂 质带入电渗析器中；运行时应采取防止极化的措施。3淡水水质下降 一般电渗析器正常运行中，淡水水质有一定的下降倾向，通过倒极和定期酸洗可使除盐率回升。而运行中水质突然下降，或除盐率明显降低则应视为故障，水质下降的主要原因如下：(1) 工作电压过高或倒极、酸洗周期太长，致使严重极化，造成膜面

37、沉积水垢，膜堆电阻增加，工作电流下降；(2) 预处理不当，进水带入的沉积物会使水流阻力上升，膜电阻增加从而影响水质，进水中 有机物对膜的污染以及细菌微生物的生长也会造成类似的结果；(3) 离子交换膜使用时间过长，或由于其他原因，如进水中氧化物质的作用，膜已老化，膜电阻增加；(4) 组装时膜与隔板装错，运行中膜的损坏造成浓、淡水互漏，同时电流效率也下降；(5) 电极损坏，电路系统等发生电气故障。4 膜出现胀缩电渗析器运行后，由于膜的质量原因，膜会出现胀缩，通常是阳膜缩短，阴膜变长,胀缩差异不大，可用 1 %2%盐酸溶液浸泡、洗净后再行组装。胀缩太大，则可用纯水浸泡阳膜使其伸展：阴膜可用稍浓盐水浸

38、泡使其收缩后，再行组装。六、电渗析法适用范围适用范围含盐量单位含盐量变化范围耗电量，kWh/m备注进水出水海水淡化mg/L2500035000500 100013 25适用于海船或海岛，因耗 电量大，只采用中小容量 的电渗析器苦咸水淡化mg/L100010000500 100015适用于苦咸水和沿海地区自来水初级除盐mg/L5001000500 1000约1制备初级纯水代替蒸馏 水，适于作低压锅炉用水较高硬度盐水的除盐总硬度mmol/L电导率卩S/cm3870010000.015 0.031约1适用于水源硬度较高的低压锅炉用水及化学分析用水制备高纯水电导率卩S/cm10000170000.2

39、0.312适用于电站高压锅炉用 水及电子工业用水。制备 方法：电渗析-一级复床- 混床；离子交换-电渗析七、电渗析最新研究进展1.倒极电渗析70年代以来，美国Ionics公司推出了倒极电渗析，简称EDR我国从1985年也发展了自己的 EDR系统.1988年我国还引进了美国 Ionics 公司的两套 50卅巾的EDR EDR的出现是电渗析技术的一次重大突破，大大推动了电渗析技术的发展， 扩展了它的应用领域。(1) EDR原理ED法由于结垢问题，因此发展速度缓慢。EDR的原理和BD法基本是相同的，只是在运行过程中，EDR每隔一定的时间(一般为1520min)，正负电被极性相互倒换一次(国内电渗析器

40、一 般24h倒换一次），因此称现行的倒极电渗行为频繁倒极电渗析。它能自动清洗离子交换膜和电极表面形成的污垢，确保离子交换膜效率的长期稳定性及淡 水的水质相水量。2. 填充床电渗析又称电脱离子法（Electrodeio-nizationo简称EDI）.它是将电渗析法与离子交换法结合起来的一种新型水处理方法。利用电渗析过程中极化现象对离子交换填充床进行电化学再生，它巧妙地集中了电渗析与 离子交换这两种方法的优点，并且克服了它们的缺点，即电渗析过程的极化现象和离子交换的 化学再生过程。一般水中含盐量为 5015000mg/L时都可使用，而对含盐量低的水更为适宜。这种方法基 本上能够除去水中全部离子，

41、所以它在制备高纯水及处理放射性废水方面有着广泛的用途。填充床电渗析原理简单的三隔室电渗析器，中间淡水室装有混合阴、阳 离子交换树脂或装填离子交换纤维等两边是浓室（与极室在一起）。填充床电渗析的原理见图4-6。它的作用原理有以下几个过程。a. 电渗析过程：在外电场作用下，水中电解质通过离子交换膜进行选择性迁移，从而达到去除 离子的作用。b. 离子交换过程：此过程靠离子交换树脂对水中电解质离子的交换作用，达到去除水中的离子。c. 电化学再生过程：利用电渗析的极化过程产生的H+离子和0H离子及树脂本身的水解作用对树脂进行电化学再生。3. 高温电渗析高温电渗析的优点在于能使溶液的粘度下降，提高扩散速度

42、，溶液和膜的电导增大，从而 可以提高允许电流密度，提高设备的生产能力，或者降低动力消耗，从而降低处理费用。八、电渗析器在水处理方面的应用首先用于苦咸水淡化，逐渐扩大到海水淡化及制取饮用水和工业纯水的给水处理中，在重金属废水处理、放射性废水处理 等工业废水处理中部巳得到应用。第二节反渗透一、反渗透的原理（1）渗透的定义一种溶剂通过一种半透膜进入一种溶液或一种稀溶液向一种比较浓的溶液的自然渗透。渗透压：当稀溶液向浓溶液的渗透停止时的压力反渗透的定义：在浓液一边加上比自然渗透压更高的压力，扭转自然渗透方向，把浓溶液 中的溶剂压到半透膜的另一边稀溶液中，这和自然界正常渗透过程相反。反渗透的条件：高选择

43、性和高渗透性的选择性半透膜、高于溶液渗透压的操作压。反渗透原理图见图 4-7。正常渗透-渗透平衡反渗透反渗透原理图渗透压的计算根据渗透平衡时膜两侧水的化学位相等的条件，得出渗透压的计算公式，对于水的稀溶液,其计算式可近似为 Vant Hoff方程：n = R T 刀 Ci式中：n为渗透压，MpaR为气体常数，0.008039MPa L/(mol K);T为水的绝对温度，K;刀Ci为水中各种溶质的浓度之和，mol/L。渗透压是选择操作压力和设计反渗透的重要依据。25 C时部分典型溶液的渗透压数据组分浓度渗透压组分浓度渗透压mg/Lmmol/LMPapsimg/Lmmol/LMPapsiNaCl3

44、50000.602.8398MgSO10000.008310.0253.6海水32000-2.4340MgCb10000.01050.0689.7NaCl20000.03420.1622.8CaCL10000.0090.0588.3苦咸水2000-5000-0.105-0.2815-40蔗糖10000.002920.0071.05NaHCO10000.01190.0912.8葡萄糖10000.00550.0142.0NqSQ10000.007050.0426.0二、反渗透膜1. 反渗透膜的性能要求和指标(1) 膜的化学稳定性膜的化学稳定性主要指膜的 抗氧化性和抗水解性。膜材料都是高分子化合物，

45、而水溶液中含有次氯酸钠、溶解氧、双氧水、六价铬等氧化剂， 这些氧化剂会造成膜的氧化，影响膜的性能和寿命。因此若分离含氧化剂的水溶液，应尽量避 免用含键能很低的 0-0键或N-N键的膜，以提高膜的抗氧化能力，如，芳香聚酰胺膜中因有一 定的N- N键，在氧化剂含量较高时易断裂，故其抗氧化性不如醋酸纤维膜。膜的水解和氧化是同时发生的。当制备膜的高分子化合物中含一CON-、一 COO-、-CN-、 CNO等时，在酸或碱的作用下，易发生水解反应，使膜破坏，而聚砜、聚苯乙烯、 聚碳酸酯、聚苯醚等材料的抗水解性能优越，但由于其缺少亲水基团，故透水性差，常用做制 作膜表面有孔的超滤膜和微孔滤膜。(2) 膜的耐

46、热性和机械强度反渗透膜有时需在较高温度下使用，故需耐热。 膜的机械强度是高分子材料力学性质的体现，其中包括膜的耐磨性。在压力作用下，膜的 压缩和剪切蠕变以及表现出的压密现象，会导致膜的透过速度下降。如能将膜直接制作在高强 度的支撑材料上，会增加膜的机械强度。(3) 膜的理化指标膜材质允许使用的压力适用的 pH 范围耐O2和Cl2等氧化性物质的能力抗微生物、细菌的侵蚀能力 耐胶体颗粒及有机物、微生物的污染能力(4) 膜的分离透过特性指标膜的分离特性指标包括脱盐率(或盐透过率) 、产水率(或回收率) 、水通量及流量衰减系数 (或膜通量保留系数)等。 脱盐率( Salt Rejection )指给水

47、中总溶解固体物(TDS中的未透过膜部分的百分数。脱盐率=(1 产品水中总溶解固体物/给水中总溶解固体物)X 100% 产水率( Permeat Flow Rate/ Recovery)指渗透水流的比率，也可表示为回收率，即产水流量与给水流量之比。产水率=(产品水流量/给水流量)X 100 % 水通量( Flux )又称透水量，指单位面积膜的产品水流量，是设计和运行都要加以控制的重要指标，它取 决于膜和原水的性质、工作压力、温度。 通量衰减系数( Flux decline coefficient )指反渗透装置在运行过程中水通量衰减的程度，即运行一年后水通量与初始运行水通量下 降的比值。如，Hy

48、dranautics的膜以井水为原水时每年衰减4%7%。 膜通量保留系数( Membrane Flux RetentionCoefficient )指运行一定时间后水通量与初始水通量的比值。 盐透过率( Salt Passage )盐透过率=(1 脱盐率)X 100% 最大给水流量、最大压降、最低浓水流量使其给水与浓水压力降不会太大，设定最大给水流量用来保护容器中的第一个反渗透元件，否则，压力降高就可能使膜组件变形，损坏膜元件。设定最小的浓水流量以保证在容器末端的膜元件有足够的横向流速，从而减少了胶体在膜 表面上的沉淀，并且减少浓差极化对膜表面的影响。浓差极化指在膜表面上的盐浓度高于主体流体浓

49、度的现象，易产生盐浓缩，因为横向流速 低，膜表面的盐的反向扩散速度就低，结果难溶盐沉淀的机会增多，而且更多的盐会透过膜表 面，导致产水量和脱盐率下降。(5) 反渗透膜的除盐分离特性1) 有机物比无机物容易分离。2) 电解质比非电解质易分离。对电解质来说，电荷高的分离性好，例如去除率大小顺序为：Al 3+> Mg > CaT> Na+; PQ3- > SQ2- > Cl-3) 无机离子的去除率受该离子的水合离子数及水合离子半径的影响水合离子半径越大的离子( 一般离子半径小的离子，其水合离子半径大 ) ，则越容易被去除。例如，某些阳离子的去除 率大小顺序为：Mg Ca

50、2+>Li +> Na+> K+,而阴离子的去除率大小顺序为：F- > C1- > Br- > NQ-。4) 对非电解质来说，分子愈大的愈易去除。5) 气体容易透过膜。例如：氨、氯、碳酸气、硫化氢氧等气体的去除率就很低。氨的分离性较差，但调pH值使之成为铵离子后，分离性就变好。6) 对弱酸诸如硼酸、有机酸的去除率低。 在有机化合物中，去除率大小顺序为：柠檬酸>酒石酸>乙酸，乙醛>乙醇>胺>酸。2. 膜运行条件的影响因素及膜表面的浓差极化(1) 膜的水通量和脱盐率膜的水通量和脱盐率是反渗透过程中关键的运行参数，这两个参数将受到压力

51、、温度、回 收率、给水含盐量、给水 pH值等因素的影响。压力给水压力升高使膜的水通量增大， 压力升高并不影响盐透过量， 在盐透过量不变的情况下， 水通量增大时产品水含盐量下降，脱盐率提高。温度 在提高给水温度而其他运行参数不变时，产品水通量和盐透过量均增加。给水含盐量 给水含盐量增加影响盐透过量和产品水通量，使产品水通量和脱盐量均下降。 回收率增大产品水的回收率，则产品水通量稍有下降趋势。因为浓水盐浓度增大，盐浓度高，则 渗透压增大，在给水压力不变的情况下，用于水通过膜的压力降低。给水pH值脱盐率和水通量在一定的 pH值范围内较为恒定，一般最大脱盐率的pH为8.5左右。（2）膜表面的浓差极化1

52、）定义反渗透过程中，水分子透过以后，膜界面中含盐量增大，形成较高浓度的浓水层，此层与 给水水流的浓度形成很大的浓度梯度，这种现象称为膜的浓差极化。2 ）浓差极化的危害 由于界面层中的浓度很高，相应地会使渗透压升高，导致原来运行条件下的产水量下降。 由于界面层中盐的浓度升高，膜两侧的盐浓度差增大，使产品水的盐透过量增大。 由于界面层的浓度升高，则易结垢的物质增加了沉淀的倾向，从而导致膜的垢物污染。 浓差极化也是促成膜表面胶体污染的重要原因（胶体扩散速度远小于盐）。3）消除浓差极化的措施 严格控制膜的水通量； 严格控制回收率； 严格按照膜生产厂家的设计导则进行系统的运行。 制造商对回收率的要求考虑

53、了膜表面冲洗的流速，对水通量的规定考虑了膜表面浓缩盐分应避免达到临界浓度。3. 膜的材料和结构特点按反渗透膜的材质、成膜工艺、结构和特性分类，主要有非对称反渗透膜、复合反渗透膜，包括被人们关注的耐氯膜、耐污染膜、动力膜、荷电膜、无机膜等。（1 ）非对称反渗透膜最早实际使用的反渗透膜，其结构特征是二层结构，上面一层是致密脱盐层，下面一层是多孔支撑层，真正起脱盐作用的是致密层最上面厚约0.10.2微米的一部分，叫活化层。致密层和多孔支撑层是在膜制备过程中同时形成的。目前应用最广泛的非对称反渗透膜是醋酸纤维膜（CA和芳香聚酰胺膜。 醋酸纤维素膜（CA有平膜和管式膜（中空纤维膜），通常膜的厚度为100

54、200卩m制膜时与空气相接触的丙 酮蒸发面在外观上有光泽，并有非常致密的构造，其厚度在0.251卩m,这层称为表面层或表面致密层，与除盐作用有关。表面层下有一较厚的多孔海绵层，支持着表面层，称为支持层。表面层含水率12%，支持层含水率 60%。表面层的细孔在 10nm以下，支持层的细孔在100nm-8 J3-ooOOO o o OO 0 o oOOO o o OO0 0000 0 o oOO O o QOOO o oCOO o DOO0 0 Q OO O o OOO O Q o O0Q o OO O 0 o OO0 o oooo « oaoo o O0OD半透膜优点：价格便宜，制备简单，透水性能好。膜在短时间内抗氯气的浓度可达20ppm。缺点：容易水解和生物降解，高分子的屈服压力只有 56kg/cm2,只能在较窄的pH值范围（47）、较低的原水温度（小于 30度）和较低的操作压力（低于50kg/cm2）下使用。应用：适用于苦咸水淡化、超纯水制备和中性水溶液的浓缩分离等方面。三醋酸纤维素、醋酸丙酸纤维素、醋酸丁酸纤维素等都可做成纤维素类膜。 芳香聚酰胺膜（PA70年代以前研究的主要是脂