电渗析设备与操作.doc

电渗析设备与操作2008-08-06 21:031)、电渗析器的基本构造 电渗析器多采用板框式。图1020是板框式电渗析器组装时的排列方式。它的左右两端分别为阴、阳电极室，中间部分自左向右为很多个依次由阳膜、淡化室隔板(构成淡化室)、阴膜、浓缩室隔板(构成浓缩室)构 成的组件，呈阴阳离子交换膜与相应的浓缩室和淡化室交替排列，用压紧部件将上述组件压紧，即构成电渗析器。要淡化的原水从右端的导水极水板进入，沿贯穿整 个电渗析器诸膜对的淡水通道流人各淡化室，然后并联流过淡化室。在淡化室中在直流电场作用下水中的阴阳离子分别通过两侧的阴阳离子交换膜进入浓缩室，使水 得到淡化。自淡化室流出的淡水汇总后由左端的导水极水板流出。浓水的流动情况与淡化类似，但由左端的导水极水板进入，沿浓水通道流动而后并联流过浓缩室， 汇总后由右端导水极水板流出。 2)、电渗析器的主要部件 、隔板：隔板置于阴膜和阳膜之间，起着支撑和分隔阴膜和阳膜的作用，并构成浓缩室和淡化室，形成水流通道，对隔板的要求是使阴膜与阳膜间的距离均一，水流分布均匀，小走短路，水流保持较高流速和湍流程度，使浓度边界层薄。为此在隔板中常加各种形状的隔网。 隔板按水流型式有回流式和直流式两种，如图1021。回流式隔板中水呈折流多次流动，水的流程长，流速大，湍流程度高，浓差极化影响小，水的停留时间长，流经隔板一次的脱盐率高，缺点是流动阻力大。直流式隔板中水的流程短，阻力小，但是流速小。 隔板应该用耐酸碱的非导体和非吸湿性材料制作。要求材料尺寸稳定，有一定弹性以便于密封。通常采用聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、天然橡胶制作。隔板的厚度一般为0.52.5mm。 、电极室：电极室置于电渗析器膜对的两侧，由电极与极水隔板组成，电极应该具有良好的化学与电化学稳定性，同时应具有良好的导电与电化学性。 常用的电极材料有不锈钢、石墨、铅和涂钌的钛电极。电极的形式有板状、网状和栅状(棒或丝做成)数种。 极水隔板用水形成极室，它比浓淡水隔板厚，以利于排除废气与废液。为了强化极室中的搅拌，可加鱼鳞状隔网。 3）、电渗析器的流程： 为了减轻浓差极化的影响，在电渗析器的淡化室中电流密度不能很高，应低于极限电流密度，而水流则应保持较高的速度(一般隔室中水的流速为5cms一15cms)，所以水流通过淡化室一次能够除去的离子量是有限的，因此用电渗析器脱盐时应根据原水含盐量与脱盐要求采用不同的操作流程。对于含盐量很少和脱盐要求不高的情况，水流通过淡化室一次即可达到要求，否则盐水需通过淡化室多次才能达到要求。为此可采用以 下的电渗析器结构和操作流程。 、二段电渗析器：如图1022所示。含盐原水经淡化室淡化一次后，再串联流经另一组淡化室淡化，以提高脱盐率。 、多台电渗析器串联连续操作：图1023是三台电渗析器脱盐后又继续在第2、3台电渗析器中进一步脱盐，以期达到较高的脱盐率。 、循环式脱盐：图1024是间歇循环式脱盐流程。原水一次加入循环槽，用泵送人电渗析器进行脱盐，从电渗析流出的水回循环槽，然后再用泵送人电渗析器。如此原水每经电渗析器一次脱盐率提高一步，直到脱盐率达到要求为止。 循环式脱盐也可以连续操作，此时循环水的一部分作为淡化水连续导出，同时连续加入原水。10.4.4、电渗析的应用 电渗析过程是利用离子能选择性地通过离子交换膜的性质使离子从各种水溶液中分离出来的过程，这一基本特征使它成为将能电离成离子的物质与水(和其它非电解质)分离的一种有效手段。另方面也可以利用这一特征来实现某些化学反应。因此，它的应用范围十分广泛，遍及化工、医药、食品、电子、冶金等工业部门，包括原料与产品的分离精制和废水废液处理，以除去有害杂质与回收有用的物质等。 下面从几个方面来说明电渗析的应用。 1)、水的纯化 包括海水、苦咸水和普通自然水的纯化以制取饮用水、初级水(锅炉或医药用)和高纯水等。与其它纯水(或淡化水)的方法比较，电渗析法纯化水的特点是： 、电渗析法脱盐的能耗(耗电量)与脱除的盐量成正比，原水的含盐量高，淡化的成本高。图1025表 示电渗析、反渗透与多效蒸发的脱盐费用与原水盐浓度的关系，原水盐浓度低时，电渗析脱盐的费用最低。原水盐浓度高时，则电渗析脱盐的费用较其它两种方法 高，所以电渗析不大适合于盐含量高的海水淡化，而适用于含盐量低的苦咸水等的脱盐。但是，由于电渗析法设备简单，操作方便，在海岛与渔船上使用仍然有实用 价值。西沙永兴岛使用的海水淡化装置就使用我国自己开发的电渗析器，年产淡水6万吨。 、 当原水中盐浓度过低时，溶液电阻大，用电渗析也不经济。所以不能只用电渗析法制取纯度较高的水。通常为了制取高纯水采用电渗析与离子交换联合联用的方法。 原水先用电渗析法脱除大部分盐以后，再用离子交换法除去余留的盐。这样两种技术联合使用，用其所长、避其所短、可以达到最佳的技术经济效果。图1026是电渗析与离子交换联用制取高纯水的流程示意图。原水先经预处理除去部分机械杂质，再经电渗析除去部分盐分，然后用离子交换法除去残留的盐分，最后用微滤或超滤除去菌体和离子交换树脂碎裂下来的微 2)、海水、盐泉卤水浓缩制盐 用电渗法浓缩海水制盐与常规盐田法制盐比较，具有占地少、投资省、劳动力省以及不受地理气候条件限制等优点。对于缺少盐田的国家是一种有意义的制盐方法。日本是世界上第一个采用电渗析法浓缩海水制盐的国家，已取得成功，我国西南地区盐泉卤水冬浓夏淡，采用电渗析法浓缩卤水，使NaCl含量稳定提高到120gl，与原来的单纯熬盐法比较可增加产量，降低成本。 3)、医药、食品工业中的应用 电渗析在这些工业部门中的应用可归纳为几种类型。 、脱除有机物(在电场中不离解为离子的物质)中的盐分。将含盐与有机物的溶液进入电渗析器的淡化室中，盐的阴阳离子通过膜进入两侧，留下有机物得到纯化。这种方法应用甚广，例如医药工业生产中葡萄糖、甘露醇、氨基酸、维生素C等溶液的脱盐；食品工业中牛乳、乳清的脱盐，酒类产品脱除酒石酸钾等。 、有机物中酸的脱除或中和。有机物中的酸可以令其 和酸根从脱盐室两侧的阳、阴膜渗析出来而除去。 为了除去果汁中引起酸味的过量柠檬酸，可将它通人两侧均为阴膜的脱酸室中，使酸根从一侧渗出，而从另一侧渗入 与 中和。 、有机酸盐取代反应制有机酸。例如柠檬酸盐可在两侧均为阳膜的转化室中使Na从一侧渗出，而从另一侧渗入H，即可得柠檬酸。氨基酸盐也可以用这种转化成游离氨基酸。 、利用离子的可渗性分离氨基酸等。例如从蛋白质中水解液和发酵液中分离氨基酸。 4)、废水处理 用电渗析处理某些工业废水，既可使废水得到净化和重新使用，又可以回收其中有价值的物质。含有酸、碱、盐的各种废水均可以用电渗析法处理、以除去和回收其中的酸、碱盐。 例如： 、从金属酸洗废水中回收酸与金属。 、电镀废水中回收铜、锌、镍、铬等金属。 、从合成纤维厂的废水回收 、 等。 、从造纸废水中回收碱、亚硫酸钠和木质素等。 、放射性废水处理。 5)离子膜电解 应用离子膜电解盐类水溶液可以制得相应的酸和碱。目前最重要的应用是电解食盐制造氢氧化钠，其基本原理如图l027所示。在阳极与阴极之间装一张全氟阳离子交换膜，构成两室电解槽。向阳极室送人饱和 溶液，阴极室送人纯水，在直流电场作用下 离子通过膜进入阴极室，电极反应的结果，在阳极室生成氯气，在阴极室生成氢气与氢氧化钠溶液。用这种方法可以制得高纯度的氢氧化钠，又没有水银法的汞污染问题。所以从1975年第一台工业离子膜电解槽投入运行以来，发展很快，有逐步取代传统的隔膜法和水银法的趋势。粒等，即得高纯水。张维润 樊雄 杭州水处理技术研究开发中心第四节 电渗析10.4.1、电渗析原理 渗析是指用膜把一容积隔成两部分，膜的一侧是溶液，另一侧是纯水，小分子溶质透过膜向溶液侧移动的过程；或者膜的两侧是浓度不同的溶液时，溶质从浓度高的一侧透过膜扩散到浓度低的一侧的过程。但如果仅仅是纯水透过膜向溶液侧移动，使溶液变淡或者仅仅是低浓度溶液中的溶剂透过膜进入高浓度的溶液，而溶质不透过膜，则此过程称之为渗透。电渗析是指在直流电场的作用下，溶液中带电离子选择性地透过离子交换膜的过程， 目前电渗析主要应用于溶液中电解质的分离。 以盐水中NaCl的脱除来阐述电渗析过程原理。在正、负两电极之间交替地平行放置阳离子交换膜(简称阳膜，以符号C表示)和阴离子交换膜(简称阴膜，以A表示)。阳膜常含有带负电荷的酸性活性基团，能选择性地使溶液中的阳离子透过，而溶液中的阴离子则因受阳膜上所带负电荷基团的同性相斥作用不能透过阳膜。阴膜通常含有带正电荷的碱性活性基团，能选择性地使阴离子透过，而溶液中的阳离子则因阴膜上所带正电荷基团的同性相斥作用不能透过阴膜。阴、阳离子交换膜之间用特别的隔板隔开，组成浓缩和脱盐两个系统。 当向电渗析器各室引人含有NaCl等电解质的盐水并通人直流电流时，阳极和阴极室即分别发生氧化和还原反应。阳极室产生氯气、氧气和次氯酸等。阳极电化反应为： (1020) (1021) (1022) (1023) 因此阳极水呈现酸性，并产生新生态氧和氯，通常在阳极加一张惰性多孔膜或阳极以保护电极。 阴极室产生氢气和氢氧化钠，其反应为 (1024) (1025) (1026) 可见阴极水呈碱性。当溶液中存在其它杂质时，还会发生相应的副反应，如 、 之类的离子存在时就会生成 。和 等水垢。电极反应消耗的电能为定值， 与电渗析器中串联多少对膜关系不大，所以两电极间往往采用很多膜对串联的结构，通常有200300对膜，甚至多达1000对。在直流电流电场作用下，淡化室中带正电荷的阳离子(如 )向阴极方向移动透过阳膜进入右侧的浓缩室，带负电荷的阴离子(如 )向阳极方向移动并透过阴膜进入左侧的浓缩室，因而淡化室中的电解质(NaCl)浓度逐渐减小，最终被除去。在浓缩室中，阳离子，包括从左侧淡水室中透过阳膜进来的阳离子，在电场作用下趋向阴极时，立即受到阴膜的阻挡留在此浓缩室中；阴离子，包括从右侧淡水室中透过阴膜进来的阴离子，趋向阳极时立即受到阳膜的阻挡也留在浓缩室中，这样，此浓缩室中的电解质(NaCl)浓度逐渐增加而被浓集。将各淡化室互相连通引出即得到淡化水，将诸浓缩室互相连通即可得到浓盐水。10.4.2、离子交换膜及其性质 电渗析过程的关键在于离子交换膜，占设备总成本的40。 离子交换膜与球状或不定形状粒子交换树脂具有相同的化学结构，可以分为基膜和活性基团两大部分。基膜即具有立体网状结构的高分子化合物，活性基团是由具有交换作用的阳(或阴)离子和与基膜相连的固定阴(或阳)离子所组成。 磺酸型阳膜可示意为： (1027)基膜 活性基团 基膜 固定离子 可交换离子 又如季胺型阴膜可示意为： (1028) 基膜 活性基团 基膜 固定离子 可交换离子 基膜的立体网状结构的高分子骨架中存在许许多多网孔，这些网孔相互沟通形成细微孔径，微观看来就是一些迂回曲折的通道，通道的长度远大于膜的厚度，如图1019所示，正因为细微孔的存在，使离子有可能从膜的一侧运动到膜的另一侧。 离子交换膜的种类很多，可以按照不同方法分类。 按膜中活性基团种类可分为阳离子交换膜，阴离子交换膜和特殊离子交换膜三大类。 按膜体结构(或按制造工艺)可分为异相膜、均相膜和半均相膜三大类。异相膜是直接用磨细的离子交换树脂加入粘合剂而制的薄膜，均相膜则不会含粘结剂，通常是在高分子基膜上直接接上活性基团，或用含活性基团的高分子树脂的溶液直接制得的膜。半均相膜是将离子交换树脂和粘合剂同溶于溶剂中再成膜，其外观、结构和性能均介于异相膜和均相膜之间。 离子交换膜具有选择透过性，这一过程可由双电层理论或GibbsDonnan膜平衡理论予以解释。 如同其它膜过程一样，电渗析过程的浓差极化现象十分严重。电渗析器运行时，在直流电场作用下，水中阴、阳离子分别通过阴膜和阳膜作定向移动，并各自传递一定的电荷。反离子在膜内的迁移数大于其溶液中的迁移数，因此在膜两侧形成反离子的浓度边界层。这种浓差极化对电渗析过程产生极为不利的影响，主要表现在： 、极化时淡化室附近的离子浓度比溶液的主体的浓度低得多，将引起很高的极化电位； 、当发生极化时，淡化室阳膜侧的水离解产生的 离子透过阳膜进入浓缩室，使膜面处呈碱性，当溶液中存在 ， ， 等离子时，易在阳膜面上形成 ，或 ：沉淀。淡化室阴膜侧水解产生的 离子透过阴膜进入浓缩室，则在浓缩室的阴膜侧易生成 和 ；等沉淀。 、浓差极化使水离解，产生的 与 代替反离子传递部分电流，使电流效率降低。 、由于浓差极化将引起溶液电阻、膜电阻以及膜电位增加，使所需操作电压增加，电耗增大，在电压一定的条件下，则电流密度将下降，使水的脱盐率下降或产水量降低。 此外，浓差极化引起溶液pH值的变化，将使离子膜受到腐蚀而影响其使用寿命。 为避免极化的产生，可采用以下措施减轻浓差极化的影响：严格控制操作电流，使其低于极限电流密度，提高淡化室两侧离子的传递速率，并定期清洗沉淀或采用防垢剂和倒换电极等措施来消除沉淀，也可以对水进行预处理，除去 ， ，防止沉淀的产生，提高温度可以减小溶液粘度，减薄滞流层厚度，提高离子扩散系数，有利于减轻极化的影响，使电渗析有可能在较高的电流密度下操作。10.4.3、电渗析设备与操作 1)、电渗析器的基本构造 电渗析器多采用板框式。图1020是板框式电渗析器组装时的排列方式。它的左右两端分别为阴、阳电极室，中间部分自左向右为很多个依次由阳膜、淡化室隔板(构成淡化室)、阴膜、浓缩室隔板(构成浓缩室)构成的组件，呈阴阳离子交换膜与相应的浓缩室和淡化室交替排列，用压紧部件将上述组件压紧，即构成电渗析器。要淡化的原水从右端的导水极水板进入，沿贯穿整个电渗析器诸膜对的淡水通道流人各淡化室，然后并联流过淡化室。在淡化室中在直流电场作用下水中的阴阳离子分别通过两侧的阴阳离子交换膜进入浓缩室，使水得到淡化。自淡化室流出的淡水汇总后由左端的导水极水板流出。浓水的流动情况与淡化类似，但由左端的导水极水板进入，沿浓水通道流动而后并联流过浓缩室，汇总后由右端导水极水板流出。 2)、电渗析器的主要部件 、隔板：隔板置于阴膜和阳膜之间，起着支撑和分隔阴膜和阳膜的作用，并构成浓缩室和淡化室，形成水流通道，对隔板的要求是使阴膜与阳膜间的距离均一，水流分布均匀，小走短路，水流保持较高流速和湍流程度，使浓度边界层薄。为此在隔板中常加各种形状的隔网。 隔板按水流型式有回流式和直流式两种，如图1021。回流式隔板中水呈折流多次流动，水的流程长，流速大，湍流程度高，浓差极化影响小，水的停留时间长，流经隔板一次的脱盐率高，缺点是流动阻力大。直流式隔板中水的流程短，阻力小，但是流速小。 隔板应该用耐酸碱的非导体和非吸湿性材料制作。要求材料尺寸稳定，有一定弹性以便于密封。通常采用聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、天然橡胶制作。隔板的厚度一般为0.52.5mm。 、电极室：电极室置于电渗析器膜对的两侧，由电极与极水隔板组成，电极应该具有良好的化学与电化学稳定性，同时应具有良好的导电与电化学性。 常用的电极材料有不锈钢、石墨、铅和涂钌的钛电极。电极的形式有板状、网状和栅状(棒或丝做成)数种。 极水隔板用水形成极室，它比浓淡水隔板厚，以利于排除废气与废液。为了强化极室中的搅拌，可加鱼鳞状隔网。 3）、电渗析器的流程： 为了减轻浓差极化的影响，在电渗析器的淡化室中电流密度不能很高，应低于极限电流密度，而水流则应保持较高的速度(一般隔室中水的流速为5cms一15cms)，所以水流通过淡化室一次能够除去的离子量是有限的，因此用电渗析器脱盐时应根据原水含盐量与脱盐要求采用不同的操作流程。对于含盐量很少和脱盐要求不高的情况，水流通过淡化室一次即可达到要求，否则盐水需通过淡化室多次才能达到要求。为此可采用以 下的电渗析器结构和操作流程。 、二段电渗析器：如图1022所示。含盐原水经淡化室淡化一次后，再串联流经另一组淡化室淡化，以提高脱盐率。 、多台电渗析器串联连续操作：图1023是三台电渗析器脱盐后又继续在第2、3台电渗析器中进一步脱盐，以期达到较高的脱盐率。 、循环式脱盐：图1024是间歇循环式脱盐流程。原水一次加入循环槽，用泵送人电渗析器进行脱盐，从电渗析流出的水回循环槽，然后再用泵送人电渗析器。如此原水每经电渗析器一次脱盐率提高一步，直到脱盐率达到要求为止。 循环式脱盐也可以连续操作，此时循环水的一部分作为淡化水连续导出，同时连续加入原水。10.4.4、电渗析的应用 电渗析过程是利用离子能选择性地通过离子交换膜的性质使离子从各种水溶液中分离出来的过程，这一基本特征使它成为将能电离成离子的物质与水(和其它非电解质)分离的一种有效手段。另方面也可以利用这一特征来实现某些化学反应。因此，它的应用范围十分广泛，遍及化工、医药、食品、电子、冶金等工业部门，包括原料与产品的分离精制和废水废液处理，以除去有害杂质与回收有用的物质等。 下面从几个方面来说明电渗析的应用。 1)、水的纯化 包括海水、苦咸水和普通自然水的纯化以制取饮用水、初级水(锅炉或医药用)和高纯水等。与其它纯水(或淡化水)的方法比较，电渗析法纯化水的特点是： 、电渗析法脱盐的能耗(耗电量)与脱除的盐量成正比，原水的含盐量高，淡化的成本高。图1025表示电渗析、反渗透与多效蒸发的脱盐费用与原水盐浓度的关系，原水盐浓度低时，电渗析脱盐的费用最低。原水盐浓度高时，则电渗析脱盐的费用较其它两种方法高，所以电渗析不大适合于盐含量高的海水淡化，而适用于含盐量低的苦咸水等的脱盐。但是，由于电渗析法设备简单，操作方便，在海岛与渔船上使用仍然有实用价值。西沙永兴岛使用的海水淡化装置就使用我国自己开发的电渗析器，年产淡水6万吨。 、当原水中盐浓度过低时，溶液电阻大，用电渗析也不经济。所以不能只用电渗析法制取纯度较高的水。通常为了制取高纯水采用电渗析与离子交换联合联用的方法。原水先用电渗析法脱除大部分盐以后，再用离子交换法除去余留的盐。这样两种技术联合使用，用其所长、避其所短、可以达到最佳的技术经济效果。图1026是电渗析与离子交换联用制取高纯水的流程示意图。原水先经预处理除去部分机械杂质，再经电渗析除去部分盐分，然后用离子交换法除去残留的盐分，最后用微滤或超滤除去菌体和离子交换树脂碎裂下来的微粒等，即得高纯水。 2)、海水、盐泉卤水浓缩制盐 用电渗法浓缩海水制盐与常规盐田法制盐比较，具有占地少、投资省、劳动力省以及不受地理气候条件限制等优点。对于缺少盐田的国家是一种有意义的制盐方法。日本是世界上第一个采用电渗析法浓缩海水制盐的国家，已取得成功，我国西南地区盐泉卤水冬浓夏淡，采用电渗析法浓缩卤水，使NaCl含量稳定提高