第七章离子交换膜和电渗析ED

1、第第 七七 章章 2 电渗析（电渗析（ED）技术的发展概况）技术的发展概况 对电渗析的基本概念的研究是从对电渗析的基本概念的研究是从19世纪世纪50年代开始的。年代开始的。 1854年年 Graham发现了渗析现象；发现了渗析现象； 1862年年 Dubrunfant制成了第一个膜渗析器，并成功地进行了制成了第一个膜渗析器，并成功地进行了 糖与盐的分离；糖与盐的分离； 1940年年 Meyer和和Strauss提出了具有实用意义的多隔室电渗析提出了具有实用意义的多隔室电渗析 装置的概念；装置的概念； 1950年年 Juda试制成功了第一张具有选择透过性的阳、阴离子试制成功了第一张具有选择透过性

2、的阳、阴离子 交换膜，奠定了交换膜，奠定了ED技术的实用基础，技术的实用基础，ED技术得到迅速发展。技术得到迅速发展。 1952年年 美国美国Ionics公司制成了第一台电渗析装置；公司制成了第一台电渗析装置； 19541956年年 英、美将英、美将ED首先应用于生产实践中，主要应用首先应用于生产实践中，主要应用 于苦咸水淡化、制备工业用水和饮用水，此后，于苦咸水淡化、制备工业用水和饮用水，此后，ED 技术逐步技术逐步 被引入北非、南非以及中东地区。被引入北非、南非以及中东地区。 3 1959年年 前苏联开始研究和推广应用前苏联开始研究和推广应用ED技术；技术； 1966年年 美国美国Du P

3、ont公司研制全氟磺酸离子交换膜；公司研制全氟磺酸离子交换膜； 1970年年 日本将电渗析器用于苦咸水淡化；日本将电渗析器用于苦咸水淡化； 1972年年 美国美国Ionics公司推出频繁倒极电渗析公司推出频繁倒极电渗析(EDR)装置；装置； 1974年年 日本在野岛建造了日产饮用水日本在野岛建造了日产饮用水120t的海水淡化的海水淡化ED装装 置；置； 1982年年 日本成功开发了全氟阴离子交换膜（日本成功开发了全氟阴离子交换膜（AEM）；）； 1991年年 我国研制成功了无极水全自动控制我国研制成功了无极水全自动控制ED器，以城市器，以城市 自来水为进水，单台多级多段配置，脱盐率为自来水为进

4、水，单台多级多段配置，脱盐率为99%以上，原以上，原 水利用率达水利用率达70%以上。以上。 20世纪世纪80年代中后期，常规年代中后期，常规ED技术在国外的发展进入了萎技术在国外的发展进入了萎 缩阶段，西欧已基本不用。缩阶段，西欧已基本不用。 4 我国电渗析技术的发展概况我国电渗析技术的发展概况 1958年年 开始电渗析技术的研究；开始电渗析技术的研究； 1960年代初年代初 小型小型ED装置投入海上试验；装置投入海上试验； 1965年年 在成昆铁路上安装了第一台苦咸水淡化装置；在成昆铁路上安装了第一台苦咸水淡化装置； 1966年年 开始工业化试生产聚乙烯异相离子交换膜，从此开始工业化试生产

5、聚乙烯异相离子交换膜，从此 ED技术开始进入实用化阶段；技术开始进入实用化阶段； 1967年年 异相离子交换膜投入生产，为电渗析技术的推广应异相离子交换膜投入生产，为电渗析技术的推广应 用创造了条件；用创造了条件； 1970年代以来年代以来 ED技术发展较快，离子交换膜生产已具相技术发展较快，离子交换膜生产已具相 当规模，全国共有当规模，全国共有44个膜品种，已商品化的有个膜品种，已商品化的有12类类19种，并种，并 已具有相当高的水平。我国离子交换膜产量占世界第二。已具有相当高的水平。我国离子交换膜产量占世界第二。 5 一一. 电渗析电渗析(Electrodialysis)过程原理过程原理

6、电渗析电渗析指在直流电场作用下，溶液中的指在直流电场作用下，溶液中的 荷电离子选择性地定向迁移，透过离子交换荷电离子选择性地定向迁移，透过离子交换 膜并得以去除的一种膜分离技术。膜并得以去除的一种膜分离技术。 采用电渗析过程脱除溶液中的离子，基于采用电渗析过程脱除溶液中的离子，基于2个个 基本条件：基本条件： 1）离子交换膜的选择透过性；）离子交换膜的选择透过性； 2）直流电场。）直流电场。 6 离子交换膜（离子交换膜（ion exchange membrane）是）是 电渗析器的主要部件，有电渗析器的主要部件，有“电渗析的心脏电渗析的心脏 ”之称。它是一种由高分子材料制成的具之称。它是一种由

7、高分子材料制成的具 有离子交换基团的薄膜。在这里，离子交有离子交换基团的薄膜。在这里，离子交 换膜的作用并不是起离子交换的作用，而换膜的作用并不是起离子交换的作用，而 是起着离子选择透过的作用，所以更确切是起着离子选择透过的作用，所以更确切 地说应称之为地说应称之为“离子选择性透过膜离子选择性透过膜”。 7 电渗析原理电渗析原理 8 电渗析过程示意图电渗析过程示意图 9 + + + + + + 阳极阳极 阴极阴极 Cl- Na 阳膜阳膜 阳极室阳极室 Cl- Cl- Cl- Na Na Cl- Na Na Cl- Cl- Na Na 浓缩室浓缩室淡化室淡化室浓缩室浓缩室 阴极室阴极室 阴膜阴膜

8、阳膜阳膜 阴膜阴膜 电渗析过程原理图电渗析过程原理图 10 2 22CleCl HOHOH2 2 OHOeOH 22 244 HClOHClOHCl 22 OHHeOH222 22 NaOHOHNa 11 电渗析运行时可能发生的过程电渗析运行时可能发生的过程 12 电渗析过程中的其他迁移过程电渗析过程中的其他迁移过程 同名离子迁移同名离子迁移 电渗析的浓差扩散电渗析的浓差扩散 水的渗透水的渗透 水的电渗透水的电渗透 压差渗漏压差渗漏 水的解离水的解离 13 Arrangement of membranes for electrodialysis 阳极阳极 阴极阴极 2，4，6，8淡化室；淡化室

9、；3，5，7浓缩室浓缩室 14 二、离子交换膜的选择透过性二、离子交换膜的选择透过性 可由以下几个方面加以说明：可由以下几个方面加以说明： 孔隙作用孔隙作用只有当被选择的离子的水合半径小于只有当被选择的离子的水合半径小于 孔隙半径时，该离子才能透过膜。孔隙半径时，该离子才能透过膜。 静电作用静电作用根据同电性相斥、异电性相吸的静电根据同电性相斥、异电性相吸的静电 作用规律，阳膜选择吸附阳离子；阴膜选择吸附阴作用规律，阳膜选择吸附阳离子；阴膜选择吸附阴 离子。离子。 1. 扩散作用扩散作用膜对溶解离子具有传递迁移能力。由膜对溶解离子具有传递迁移能力。由 吸附吸附 解吸解吸 迁移的方式，把离子从膜

10、的一端输送迁移的方式，把离子从膜的一端输送 到另一端。到另一端。 15 三、电渗析过程的基本传质过程三、电渗析过程的基本传质过程 对流传质对流传质离子在隔室主体溶液和扩离子在隔室主体溶液和扩 散边界层之间的传递；散边界层之间的传递； 扩散传质扩散传质离子在膜两侧的扩散边界离子在膜两侧的扩散边界 层中的传递；这是控制电渗析传质速率层中的传递；这是控制电渗析传质速率 的主要因素。的主要因素。 电迁移传质电迁移传质离子通过离子交换膜的离子通过离子交换膜的 传递。传递。 16 第二节第二节 离子交换膜的分类及组成离子交换膜的分类及组成 应注意，应注意，ED中所用的离子交换膜，实际上并中所用的离子交换膜

11、，实际上并 不是起离子交换作用（这点与通常据说的离不是起离子交换作用（这点与通常据说的离 子交换树脂不同），而是起离子选择透过作子交换树脂不同），而是起离子选择透过作 用，因此，更确切地应称之为离子选择性透用，因此，更确切地应称之为离子选择性透 过膜。过膜。 可解离出阳离子，对阳离子具有选择透过性可解离出阳离子，对阳离子具有选择透过性 阳膜阳膜 可解离出阴离子，对阴离子具有选择透过性可解离出阴离子，对阴离子具有选择透过性 阴膜阴膜 17 2. 离子交换膜的组成离子交换膜的组成 离子交换膜离子交换膜 膜的主体膜的主体 增强材料增强材料(保证膜的强度和尺寸稳定性保证膜的强度和尺寸稳定性) 活动部分

12、活动部分 固定部分固定部分 高分子骨架高分子骨架(基膜基膜) 离子交换基团离子交换基团(固定荷电基团固定荷电基团) 反离子反离子 唐纳渗透离子唐纳渗透离子 溶剂溶剂(如水如水) 18 19 按膜体宏观结构按膜体宏观结构(制造工艺制造工艺)不同可分不同可分3类：类： 非均相非均相( (异相异相) )离子交换膜离子交换膜指由离子交换树脂的细粉末指由离子交换树脂的细粉末 和起粘合作用的高分子材料经加工制成的离子交换膜。（和起粘合作用的高分子材料经加工制成的离子交换膜。（ 树脂分散在粘合剂中，因而在膜结构上是不连续的，固称树脂分散在粘合剂中，因而在膜结构上是不连续的，固称 为异相膜）为异相膜） 均相离

13、子交换膜均相离子交换膜由具有离子交换基团的高分子材料直由具有离子交换基团的高分子材料直 接制成的连续膜，或是在高分子膜基上直接接上活性基团接制成的连续膜，或是在高分子膜基上直接接上活性基团 而成的。（膜中离子交换基团与成膜的高分子材料发生化而成的。（膜中离子交换基团与成膜的高分子材料发生化 学结合起来，其组成完全均一，故称之为均相膜）学结合起来，其组成完全均一，故称之为均相膜） 1. 半均相离子交换膜半均相离子交换膜成膜的高分子材料与离子交换基团成膜的高分子材料与离子交换基团 组合得十分均匀，但它们之间并没有形成化学结合。组合得十分均匀，但它们之间并没有形成化学结合。 3. 离子交换膜的分类离

14、子交换膜的分类 20 离子交换膜功能示意图离子交换膜功能示意图 21 离子交换膜工作原理示意图离子交换膜工作原理示意图 22 第三节第三节 离子交换膜的制备离子交换膜的制备 一、异相膜的制备一、异相膜的制备 把粉状树脂与胶粘剂混合后制成片状膜。具体把粉状树脂与胶粘剂混合后制成片状膜。具体 方法有：方法有： 延压和模压法延压和模压法 溶液型胶粘剂法溶液型胶粘剂法 离子型交换树脂法离子型交换树脂法 二、半均相膜的制备二、半均相膜的制备 先用胶粘剂吸浸单体进行聚合，然后导入活性交先用胶粘剂吸浸单体进行聚合，然后导入活性交 换基团制成含胶粘剂的热塑性离子交换树脂。换基团制成含胶粘剂的热塑性离子交换树脂

15、。 23 三、均相膜的制备三、均相膜的制备 实际上是直接使离子交换树脂薄膜化。实际上是直接使离子交换树脂薄膜化。 大致过程为：膜材料的合成反应过程、成膜过大致过程为：膜材料的合成反应过程、成膜过 程、引入可反应基团、与反应基团发生作用程、引入可反应基团、与反应基团发生作用 形成荷电基团。形成荷电基团。 四、新型离子交换膜四、新型离子交换膜 双极膜双极膜复合膜，即由具有两种相反电荷的离子复合膜，即由具有两种相反电荷的离子 交换层紧密相邻或结合而成的新型离子交换膜。交换层紧密相邻或结合而成的新型离子交换膜。 螯合膜螯合膜其膜上具有两个或两个以上对金属离子其膜上具有两个或两个以上对金属离子 有很大亲

16、和力的官能团。有很大亲和力的官能团。 24 双极膜（双极膜（Bipolar membranes） 双极性膜由层压在一起的阳离子交换膜、阴离子交换双极性膜由层压在一起的阳离子交换膜、阴离子交换 膜及两层膜之间的中间层构成。当在阳极和阴极间施膜及两层膜之间的中间层构成。当在阳极和阴极间施 加电压时，电荷通过离子进行传递，如果没有离子存加电压时，电荷通过离子进行传递，如果没有离子存 在，则电流将由水解离出来的在，则电流将由水解离出来的OH-和和H+传递。传递。 25 第四节第四节 离子交换膜的主要性能离子交换膜的主要性能 交换容量交换容量每克干膜所含活性基团的毫克当量数每克干膜所含活性基团的毫克当量

17、数 含水量含水量指膜内与活性基团结合的水，以每克干指膜内与活性基团结合的水，以每克干 膜所含水的质量（克）来表示（膜所含水的质量（克）来表示（%）。）。 膜电阻膜电阻影响到影响到ED器所需的电压和电耗。常用器所需的电压和电耗。常用 面电阻表示。面电阻表示。 选择透过度选择透过度以某一种离子在膜内的迁移量与全以某一种离子在膜内的迁移量与全 部离子在膜内迁移量的比值来表示。部离子在膜内迁移量的比值来表示。 26 第五节第五节 电渗析器电渗析器 主要由极区、膜堆和夹紧装置构成。主要由极区、膜堆和夹紧装置构成。 极区分为阳极区和阴极区，分别位于电渗析器两侧，包括电极区分为阳极区和阴极区，分别位于电渗析

18、器两侧，包括电 极和极水隔板。电极与直流电源相连，为电渗析器供电。极和极水隔板。电极与直流电源相连，为电渗析器供电。 膜堆位于电渗析器的中间，由若干膜对构成，一个膜对由阴膜堆位于电渗析器的中间，由若干膜对构成，一个膜对由阴 阳离子交换膜和两个隔板交替构成，在膜和隔板上开有若干阳离子交换膜和两个隔板交替构成，在膜和隔板上开有若干 个孔，当膜和隔板多层重叠时，这些孔便成了浓个孔，当膜和隔板多层重叠时，这些孔便成了浓/淡室液流淡室液流 的通道，分别与浓的通道，分别与浓/淡室相通。有时为了密封，各隔板与膜淡室相通。有时为了密封，各隔板与膜 之间加塑料或橡胶垫片。之间加塑料或橡胶垫片。 电渗析器的最外侧

19、用不锈钢、铸铁或厚塑料板夹紧。电渗析器的最外侧用不锈钢、铸铁或厚塑料板夹紧。 27 General view of a commercial EDI installation produced by Ionics Inc. 28 实际应用的电渗析器实际应用的电渗析器 29 电渗析器的结构电渗析器的结构 30 31 电渗析器的操作模式电渗析器的操作模式 电渗析器的组装方式有串联、并联及串并联相结合几种电渗析器的组装方式有串联、并联及串并联相结合几种 方式，常用术语方式，常用术语“级级”和和“段段”来表示。来表示。 “级级”是指电极对数目，一对电极称为一级；是指电极对数目，一对电极称为一级； “段

20、段”是指水流方向，每改变一次水流方向称为一段。是指水流方向，每改变一次水流方向称为一段。 32 一级一段一级一段即并联形式。特点是若膜对数目多，即并联形式。特点是若膜对数目多， 则产水量大；整台设备的脱盐率就是一张隔板流程则产水量大；整台设备的脱盐率就是一张隔板流程 长度的脱盐率。多用于大中型制水场地。长度的脱盐率。多用于大中型制水场地。 一级多段一级多段即串联形式。特点是脱盐率较高，压即串联形式。特点是脱盐率较高，压 降较大，但单台产水量较小。适用于中小型制水场降较大，但单台产水量较小。适用于中小型制水场 地。地。 多级多段多级多段即串并联式。特点是能获得更高的脱即串并联式。特点是能获得更高

21、的脱 盐率。多用于小型海水淡化器和小型纯水装置。盐率。多用于小型海水淡化器和小型纯水装置。 33 ED器的性能指标器的性能指标 淡水产量淡水产量 脱盐率脱盐率 电流效率电流效率 电能消耗电能消耗 34 ED技术的特点技术的特点 能耗低能耗低 在除盐过程中，只是用电能来迁移水中的盐分，而大在除盐过程中，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。尤其适用于苦咸水淡化；量的水不发生相的变化。尤其适用于苦咸水淡化； 药剂耗量少，环境污染小药剂耗量少，环境污染小 仅在酸洗是时消耗少量酸；仅在酸洗是时消耗少量酸； 对原水含盐量变化适应性强对原水含盐量变化适应性强 可按需要进行调节，根据一台可

22、按需要进行调节，根据一台 ED器中的段数、级数或多台器中的段数、级数或多台ED器的串联、并联或不同除盐方器的串联、并联或不同除盐方 式（直流式、循环式或部分循环式）来适应；式（直流式、循环式或部分循环式）来适应； 操作简单，易于实现机械化、自动化；操作简单，易于实现机械化、自动化； 设备紧凑耐用，预处理简单设备紧凑耐用，预处理简单 预处理一般经砂滤即可；预处理一般经砂滤即可； 水的利用率高水的利用率高 ED器运行时，浓水和极水可循环使用，水的器运行时，浓水和极水可循环使用，水的 利用度可达利用度可达70%80%，国外可高达，国外可高达90%左右。左右。 35 不足之处：只能除去水的盐分，而不能

23、除去其中的不足之处：只能除去水的盐分，而不能除去其中的 有机物，某些高价离子和有机物还会污染膜；易发有机物，某些高价离子和有机物还会污染膜；易发 生浓差极化而产生结垢（用生浓差极化而产生结垢（用EDR可以避免）；与可以避免）；与 RO相比，脱盐率较低，装置比较庞大且组装要求相比，脱盐率较低，装置比较庞大且组装要求 高，因此它的发展不如高，因此它的发展不如RO快。快。 ED技术的特点（续）技术的特点（续） 36 利用利用ED技术各种脱盐流程技术各种脱盐流程 C浓缩室；浓缩室；D脱盐室脱盐室 第六节第六节 ED的脱盐过程的脱盐过程 37 第八节第八节 电渗析技术的应用电渗析技术的应用 最主要的用途

24、是由苦咸水淡化生产饮用水；最主要的用途是由苦咸水淡化生产饮用水； 放射性废液处理；放射性废液处理； 牛乳、乳清脱盐；牛乳、乳清脱盐； 氨基酸脱盐；氨基酸脱盐； 海水浓缩；海水浓缩； 电镀废液中电镀废液中Ni和和H2SO4回收；回收； 同位素、同价离子分离；同位素、同价离子分离； 酸的回收；酸的回收； 果汁脱酸改性；果汁脱酸改性； 无机和有机药品制备无机和有机药品制备 酸酸/碱的制备碱的制备 脱盐或纯化脱盐或纯化 浓缩或分离浓缩或分离 置换置换 水解水解 38 苦咸水苦咸水/海水的淡化海水的淡化 如我国研制的日产淡水如我国研制的日产淡水7m3和和14m3 的电渗析器，用于岛屿居民的海水制取饮用水

25、；的电渗析器，用于岛屿居民的海水制取饮用水；1981年年 在西沙永兴岛建成了日产在西沙永兴岛建成了日产200m3的的ED海水淡化站；海水淡化站；1988 年在山东潍坊的渤海湾滩涂地区建成一座日产淡水年在山东潍坊的渤海湾滩涂地区建成一座日产淡水 100m3的的ED苦咸水淡化站，将含盐量为苦咸水淡化站，将含盐量为3500mg/L的苦咸的苦咸 水淡化为含盐量为水淡化为含盐量为500mg/L左右的可饮用水。左右的可饮用水。 电厂和其他工业锅炉用水的制备电厂和其他工业锅炉用水的制备 采用电渗析和离子交采用电渗析和离子交 换组合工艺。换组合工艺。 生产工艺用水的除盐、初级纯水的制备生产工艺用水的除盐、初级纯水的制备 纯水、超纯水的制备纯水、超纯水的制备 39 ED技术用途归纳技术用途归纳 把溶液中部分电解质离子转移到另一溶液系统中把溶液中部分电解质离子转移到另一溶液系统中 去，并使其浓度增高，或参加反应等，如从海水去，并使其浓度增高，或参加反应等，如从海水 中抽取氯化钠；中抽取氯化钠； 从有机溶剂中去除电解质离子，如乳清脱盐、氨从有机溶剂中去除电解质离子，如乳清脱盐、氨 基酸提纯等；基酸提纯等； 电解质溶液中，同电性但具有不同电荷的离子的电解质溶液中，同电性但具有不同电荷的离