膜分离技术-电渗析PPT课件.ppt

膜分离技术 第七章电渗析 1 电渗析 electrodialysis ED 渗透 由于化学位差的作用 纯溶剂 水 透过膜向溶液侧移动 使溶液变淡 或者低浓溶液中的溶剂透过膜进入浓度高的溶液 而溶质不透过膜 渗析 用膜把一容器隔成两部分 膜的一侧是溶液 另一侧是纯水 小分子溶质 或离子 透过膜向纯水侧移动 同时 纯水也可能透过膜向溶液侧移动的过程 或者溶质从浓度高的一侧透过膜扩散到浓度低的一侧的过程 电渗析 在电位差推动力的作用下 溶液中的带电离子选择性地透过离子交换 选择透过 膜 荷电膜 的过程 是从水溶液中分离离子的一种分离技术 2 电渗析优点 电渗析技术是20世纪50年代发展起来的一种膜分离技术 它具有以下优点 能量消耗少 不发生相变 只用电能来迁移水中已解离的离子 电渗析器主要由渗析器 离子交换膜和直流正负电极组成 设备结构简单 操作方便 离子交换膜不需要像离子交换树脂那样失效后用大量酸碱再生 可连续使用 3 电渗析膜的性能要求 2 较好的化学稳定性 3 较低的离子反扩散和渗水性 4 较高的机械强度 5 较低的膜电阻 4 电渗析膜的选择透过机理 在外加直流电场的作用下 根据异性电荷相吸的原理 溶液中带正电荷的阳离子可被阳膜吸引 传递而通过微孔进入膜的另一侧 同时带负电荷的阴离子受到排斥 溶液中带负电荷的阴离子可被阴膜吸引而传递透过 同时阳离子受到排斥 这就是离子交换膜具有选择透过性的主要原因 可见 离子交换膜并不是起离子交换作用 而是起离子选择透过的作用 更确切地说 应称为 离子选择性透过膜 双电层理论Gibbs Donnan平衡理论 5 电渗析的原理 在正负电极之间交替地平行放置阳膜和阴膜 依次形成浓水室和淡水室 当两膜所形成的隔室中充入含离子的水溶液 如NaCl溶液 并接上直流电源后 溶液中带正电荷的阳离子 如Na 向阴极方向迁移 溶液中带负电荷的阴离子 如Cl 向阳极迁移 由于离子交换膜具有离子选择透过性 使淡水室中的阴 阳离子通过相应的膜进入浓水室 而浓水室中的阴 阳离子不能迁移出去 结果使淡水室中的离子减少 起到脱盐的作用 浓水室中的离子增加 起到盐分浓缩的作用 将浓缩的盐水和淡水分别引出即达到了溶液分离的目的 6 电渗析中的传递过程 反离子迁移过程 阳膜上的固定基团带负电荷 阴膜上的基团带正电荷 与固定基团所带电荷相反的离子被吸引并透过膜的现象称为反离子迁移 例如 淡水室中的阳离子 如Na 穿过阳膜 阴离子 如Cl 穿过阴膜进入浓水室就是反离子迁移过程 电渗析器即借此过程进行海水的除盐 主要传递过程 同性离子迁移 与膜上固定基团带相同电荷的离子穿过膜的现象 称为同性离子迁移 由于离子交换膜的选择透过性不可能达到100 因此 也存在着少量与膜上固定基团带相同电荷的离子穿过膜的现象 这种迁移与反离子迁移相比 数量虽少 但降低了除盐效率 7 电渗析中的传递过程 电解质的浓差扩散 渗析 由于浓水室与淡水室的浓度差 产生了电解质由浓水室向淡水室的扩散过程 扩散速度随浓度差的增高而增加 这一过程虽然不消耗电能 但能使淡化室含盐量增高 影响淡水的质量 水的渗透过程 由于电渗析过程的进行中 浓水室的含盐量要比淡水室高 从另一角度讲 相当于淡水室中水的浓度高于浓水室中水的浓度 于是产生淡水室中的水向浓水室渗透 浓差愈大 水的渗透量愈大 这一过程的发生使淡水产量降低 水的分解 是由于电渗析过程中产生浓差极化或中性水离解成OH 和H 所造成 控制浓差极化可防止其产生 8 电渗析中的传递过程 水的电渗析过程 由于操作条件控制不良而造成极化现象 使淡水室中的水解离成H 和OH 在直流电场的作用下 分别穿过阴膜和阳膜进入浓水室 此过程的发生将使电渗析器的耗电量增加 淡水产量降低 压差渗透过程 由于淡化室与浓缩室的压力不同 造成高压侧溶液向低压侧渗漏 总之 电渗析器在运行时 同时发生着多种复杂过程 除反离子迁移是电渗析的主要过程外 其余几个过程均是电渗析的次要过程 但在这些次要过程的影响下 将使电渗析器的除盐或浓缩效率降低 电耗增加 因此 必须选择合适的离子交换膜和适宜的操作条件 以便抑制或改善这些不良因素的影响 9 电渗析器的组装及脱盐流程 膜对 由阴阳离子交换膜 淡水室 浓水室组成的基本单元 膜堆 一系列膜对组装在一起 级 一对电级之间的膜堆数称为级 电极对数就是电渗析器的级数 段 电渗析器中浓 淡水隔板水流方向一致的膜堆称为一段 水流方向每改变一次 段数就增加一段 台 将膜堆 电极等部件组装成一个电渗析器称为台 为了提高脱盐率 一般常采用串联形式 即将段与段串联 级与级串联 台与台串联 将多台电渗析器串联起来 成为一次脱盐流程的整体 叫做系列 10 电渗析过程的影响因素 电极反应 电极反应是指存在于溶液中的离子在电极表面上得到或失掉电子而产生的氧化 还原反应 以食盐水溶液的电渗析过程为例 阳极H2O H OH 阴极H2O H OH 2OH 2e H2O O2 2H 2e H2 2Cl 2e Cl2 Na OH NaOHCl H HCl其结果是在阳极室OH 减少 水呈酸性 并产生氧气 氯气等腐蚀性气体 因此 应选用耐腐蚀的阳极材料 阴极室H 减少 水呈碱性 若水中含有Ca2 Mg2 HCO3 等离子时 会产生CaCO3 Mg OH 2等沉淀物 结集在阳极上形成水垢 同时有氢气放出 因此 要不断向极室通入极水 以便能不断排出电极反应产物 保证电渗析的正常运行 11 2020 2 6 12 电渗析过程的影响因素 电极电位 电极电位是电极与电解质溶液之间的电位差 电极反应达到平衡时的电位称为平衡电极电位 为使电极反应向一个方向进行 电极电位必须偏离平衡电位 两者之差称为过电位 降低电极的过电位可以降低电渗析的能耗 极化现象 在直流电场的作用下 水中阴 阳离子分别在膜间进行定向迁移 各自传递着一定数量的电荷 形成电渗析的操作电流 当操作电流增大到一定程度时 膜内离子迁移被强化 就会在膜附近界面内造成离子的 真空 情况 迫使水离解成H 和OH 补充承担传递电流的任务 这就是极化现象 13 电渗析过程的影响因素 极化现象 产生的危害 1 电解出来的H 和OH 受电场作用分别穿过阳膜和阴膜 使阳膜的浓缩室侧pH值升高 而产生CaCO3 Mg OH 2等沉淀物 这些沉淀物附着在膜表面或渗入到膜内 容易堵塞通道 使膜电阻增大 降低了有效膜面积 2 极化时部分电流消耗在与脱盐无关的OH 迁移上 使电流效率下降 二者都将导致电耗上升 3 水的pH值变化及沉淀的产生 使膜容易老化 缩短膜的使用寿命 极化临界点所施加的电流称为极限电流 其数值大小是电渗析器性能的重要标识 防止极化现象的有效方法是控制电渗析器在极限电流的70 90 内操作 14 电渗析过程的影响因素 离子交换膜的选择透过性 选择透过性是衡量膜性能的主要指标 因为它直接影响电渗析器的电流效率和脱盐效果 一般要求实用的离子交换膜的选择透过性大于85 反离子迁移数大于90 并希望在高浓度的电解液中膜仍具有良好的选择透过性 15 电渗析技术的应用 电渗析技术的最早应用是在20世纪的50年代用于苦咸水淡化 60年代应用于浓缩海水制盐 70年代以来 电渗析技术已发展成为大规模的化工单元操作 它广泛应用于苦咸水脱盐 在某些地区已成为饮用水的主要生产方法 随着性能更为优良的新型离子交换膜的出现 电渗析在食品 医药和化工领域都有广阔的应用前景 16 咸水脱盐制淡水 苦咸水脱盐制淡水是电渗析最早且至今仍是最重要的应用领域 这里用美国韦伯斯特市的电渗析脱盐生产淡水的工厂为例作简单介绍 该厂建于1961年 日产淡水1000吨以上 供应该市2500余市民的用水 从井里取出的地下咸水 首先送人原水贮槽 加入高锰酸钾溶液 被氧化的铁和锰盐经过锰沸石过滤器滤除 滤液分两部分 一部分作为脱盐液从第一电渗析器按顺序通过四个电渗析器 脱盐达到饮用水标准 得到的淡水再经脱二氧化碳 使pH值在7 8之间 通入氯气消毒 最后送入淡水贮槽 这样的淡水就可以直接送到用水的地方 另一部分滤液作为浓缩液 送人浓缩液贮槽 用泵将浓缩液并列地送入四个电渗析器 除第一个电渗析器出来的浓缩液废弃外 其余浓缩液再流回浓缩液贮槽 在浓缩液贮槽和电极液贮槽中加入硫酸 以防止浓缩室及电极室中水垢的析出 17 咸水脱盐制淡水 美国韦伯斯特市 18 海水浓缩制造食盐 Flux m 2 h 1 Time min 电渗析法制盐与以往的盐田法制盐不同 它是利用电力使海水中的氯化纳浓缩 与盐田法比较具有以下优点 不受自然条件的影响 一年四季均可生产 占地面积小 节省劳动力 基建投资少 卤水的纯度和浓度均高 易于实现自动化 维修简便 19 纯净水的生产 纯净水的水质高于生活饮用水 必须将生活饮用水经过处理 除盐 灭菌 消毒后才能制得合格的饮用纯净水 采用电渗析操作的目的是促进水的软化和除盐 其工艺流程见下图 20 处理工业废水 利用电渗析技术浓缩和脱盐的原理 能够有效地浓缩工业废水中的金属盐 包括放射性物质 无机酸 碱及有机电解质等 使污水变清洁 同时又可以回收有用物质 所以这一方法在废水处理中的应用已日益受到人们的重视 如从冶金 机械 化工等工厂中排出的大量酸性废水中回收酸和金属 从碱法造纸废液中回收烧碱和木质素 从合成纤维工业废水中回收硫酸盐 从电镀废液中回收铬 铜 镍 锌 镉等有害的金属离子 21 食品工业中的应用 A 牛乳 乳清的脱盐 为使牛奶主要成分接近于人奶以用作婴儿食品 必须减少牛奶中无机盐的含量 可采用电渗析法 即经济又可以进行大规模生产 B 果汁的去酸 从柑桶和葡萄等水果