电渗析分离技术讲解课件

16电渗析分离技术膜分离技术之一16电渗析分离技术膜分离技术之一1在直流电场作用下,离子透过选择性离子交换膜而迁移,使电解质离子自溶液中部分分离出来的过程称为电渗析过程电渗析的用途1）从电解质溶液中分离部分离子，使电解质浓度降低或使另一电解质浓度增高；2）从非电解质溶液中分离电解质离子；3）在电解质中将不同电荷数的同性离子分离电渗析的原理在直流电场作用下,离子透过选择性离子交换膜而迁移,使电解质离2非选择性膜仅起位垒作用，防止电渗析产物混合，对离子无选择性非选择性膜仅起位垒作用，防止电渗析产物混合，对离子无选择性3电渗析分离技术讲解课件4电渗析离子交换膜是带电荷的高分子电解质,布满孔道.阳膜带负电荷,阴膜带正电荷16.1.4.3电渗析器工作原理电渗析离子交换膜是带电荷的高分子电解质,布满孔道.阳膜带负电516.1.5电渗析过程和伴随过程反离子迁移.同离子迁移,渗析,水的渗透,水的电渗透,渗漏,极化,电解16.2离子交换膜16.2.1离子交换膜的基本概念和分类定义离子交换膜是片状离子交换树脂,含活性交换基团的高分子电解质.离子交换膜的分类1)按交换基团分类:阳离子交换膜(强酸弱酸型)和阴离子交换膜(强碱弱碱型),特种机能的离子交换膜16.1.5电渗析过程和伴随过程6按膜体宏观结构分类:异相离子交换膜(粉状交换树脂和黏合剂压制而成),均相离子交换膜(不使用黏合剂,交换树脂与成模一体化,交换基团分布均匀而连续),半均相离子交换膜(黏合剂与离子交换树脂具有一定化学关系,结合牢靠相对均一)离子交换膜的结构化学结构按膜体宏观结构分类:异相离子交换膜(粉状交换树脂和黏合剂压7高分子母体:通常为交联高聚物,具有导入活性基团的官能基活性离子基团:有等电荷的阴阳离子组成即固定离子和反离子物理结构孔隙结构和交联结构,接枝结构和缠绕结构高分子母体:通常为交联高聚物,具有导入活性基团的官能基816.2.2离子交换膜的基本功能及选择性透过机理离子交换膜的基本功能膜的选择性来源于膜中的微细孔隙;2)固定的离子活性交换基团;3)膜对组成物质的溶解扩散作用.即孔隙作用,静电作用,扩散作用和外力作用膜置于溶液后,活性基团电离,吸引异性离子,通过扩散进入孔隙并不断有吸引-解离平衡产生,最终从膜中移出离子交换膜的选择性透过机理:

Sollner双电层理论和Donnan平衡理论16.2.2离子交换膜的基本功能及选择性透过机理9Sollner双电层理论固相活性基团吸引相反电荷的溶液中的离子,分子运动使这些离子企图从膜移开,二者达到平衡,形成扩散层:紧密层液体稳定,不进行相对运动.扩散层的厚度与外部溶液性质有关.若固相带电荷小,外溶液浓,离子价数高,则扩散层小Sollner双电层理论10Donnan平衡理论膜在电解质中离解产生离子与溶液中的离子进行交换平衡膜中离子平衡CN为Cl-,Cg为Na+,CR为X-当CR>>C,Donnan平衡理论膜中离子平衡CN为Cl-,Cg为Na+11影响膜选择性的因素:膜的固定离子浓度越高,膜的选择性越好;溶液的离子浓度大,膜的选择性差离子水合和迁移数离子在水溶液中存在水合离子,离子运动时,水合层也随着运动.基本水合层随离子运动,与外部因素无关,二级水合层不固定,但定向排布.基本水合层的水分子数为水合数,离子价数越高,水合程度大.水合程度大,在水溶液中运动阻力大,易引起水的电渗析和逃水现象.迁移数:正负离子传递电量占总传递电量的比例为迁移数.影响膜选择性的因素:膜的固定离子浓度越高,膜的选择性越好12迁移数迁移数13由于水合状态的存在Y为电渗水的摩尔数在膜中的迁移为由于水合状态的存在Y为电渗水的摩尔数在膜中的迁移为14在膜内部,反离子的迁移数大于同名离子的迁移数反离子在膜中的迁移数大于在溶液中的迁移数P衡量膜的选择透过性能,定义为P=1为理想状态在膜内部,反离子的迁移数大于同名离子的迁移数反离子在膜中的15不同反离子间的选择透过性Tji随电流密度的升高而下降,到达某电流密度时保持稳定;随脱盐液流速增大而升高;随脱盐总浓度的增大而升高;与脱盐液离子的组成无关;符合下式膜的交换基团相同,交联度大孔径小的膜,以及离子在膜内的淌度对反离子的选择透过性起主导作用;反之,膜内的反离子浓度起主导作用不同反离子间的选择透过性Tji随电流密度的升高而下降,到达1616.2.3离子交换膜的电化学性能膜的导电性与下列因素有关1膜内固定基团的浓度和含水率,随之增高2反离子的影响,反离子淌度大,则导电能力大3膜外浓度,随之增高4温度,随之增高膜电位和膜的选择透过度16.2.3离子交换膜的电化学性能17影响离子交换膜选择透过度的因素膜的固定基团浓度和孔径,浓度大孔径小,透过度好;适当的交联度有利透过度的提高;外界溶液浓度大,不利与透过度影响离子交换膜选择透过度的因素18水的电渗透影响因素:膜的含水率,膜的含水率高,水的电渗透量增加;膜的交联度高,水的电渗透率低溶液浓度及离子种类.溶液浓度大,水的电渗透减小.水合强的离子存在,导致强的水电渗透量.16.2.4离子交换膜的浓缩特性与多种因素有关16.2.5通过膜的物质传递过程动力学对流传质,扩散传质,电迁移传质水的电渗透19电迁移传质对流传质扩散传质电迁移传质对流传质扩散传质2016.3电渗析器构造隔板,导水板,电极,离子交换膜,极水板框,锁紧装置,保护框16.4影响电渗析操作的因素扩散16.3电渗析器21极化极化22当扩散层中C1趋于0时,即极化发生,得到极限电流公式湍流和隔板中设网有助于消除极化.判断极化:电阻增大,电流下降,产水的水质下降;浓水和淡水的pH变化,产水不呈中性,电流效率下降,膜表面出现沉淀和结垢当扩散层中C1趋于0时,即极化发生,得到极限电流公式湍流23影响极限电流密度的因素电解质溶液的浓度二者呈正比电解质溶液的组分溶液温度,提高温度,极限电流增大流体力学条件:扩散层厚度呈反比离子交换膜:离子在膜内与溶液内迁移数之差与极限电流呈反比影响极限电流密度的因素2416.5电渗析系统的操作参数16.5电渗析系统的操作参数2516电渗析分离技术膜分离技术之一16电渗析分离技术膜分离技术之一26在直流电场作用下,离子透过选择性离子交换膜而迁移,使电解质离子自溶液中部分分离出来的过程称为电渗析过程电渗析的用途1）从电解质溶液中分离部分离子，使电解质浓度降低或使另一电解质浓度增高；2）从非电解质溶液中分离电解质离子；3）在电解质中将不同电荷数的同性离子分离电渗析的原理在直流电场作用下,离子透过选择性离子交换膜而迁移,使电解质离27非选择性膜仅起位垒作用，防止电渗析产物混合，对离子无选择性非选择性膜仅起位垒作用，防止电渗析产物混合，对离子无选择性28电渗析分离技术讲解课件29电渗析离子交换膜是带电荷的高分子电解质,布满孔道.阳膜带负电荷,阴膜带正电荷16.1.4.3电渗析器工作原理电渗析离子交换膜是带电荷的高分子电解质,布满孔道.阳膜带负电3016.1.5电渗析过程和伴随过程反离子迁移.同离子迁移,渗析,水的渗透,水的电渗透,渗漏,极化,电解16.2离子交换膜16.2.1离子交换膜的基本概念和分类定义离子交换膜是片状离子交换树脂,含活性交换基团的高分子电解质.离子交换膜的分类1)按交换基团分类:阳离子交换膜(强酸弱酸型)和阴离子交换膜(强碱弱碱型),特种机能的离子交换膜16.1.5电渗析过程和伴随过程31按膜体宏观结构分类:异相离子交换膜(粉状交换树脂和黏合剂压制而成),均相离子交换膜(不使用黏合剂,交换树脂与成模一体化,交换基团分布均匀而连续),半均相离子交换膜(黏合剂与离子交换树脂具有一定化学关系,结合牢靠相对均一)离子交换膜的结构化学结构按膜体宏观结构分类:异相离子交换膜(粉状交换树脂和黏合剂压32高分子母体:通常为交联高聚物,具有导入活性基团的官能基活性离子基团:有等电荷的阴阳离子组成即固定离子和反离子物理结构孔隙结构和交联结构,接枝结构和缠绕结构高分子母体:通常为交联高聚物,具有导入活性基团的官能基3316.2.2离子交换膜的基本功能及选择性透过机理离子交换膜的基本功能膜的选择性来源于膜中的微细孔隙;2)固定的离子活性交换基团;3)膜对组成物质的溶解扩散作用.即孔隙作用,静电作用,扩散作用和外力作用膜置于溶液后,活性基团电离,吸引异性离子,通过扩散进入孔隙并不断有吸引-解离平衡产生,最终从膜中移出离子交换膜的选择性透过机理:

Sollner双电层理论和Donnan平衡理论16.2.2离子交换膜的基本功能及选择性透过机理34Sollner双电层理论固相活性基团吸引相反电荷的溶液中的离子,分子运动使这些离子企图从膜移开,二者达到平衡,形成扩散层:紧密层液体稳定,不进行相对运动.扩散层的厚度与外部溶液性质有关.若固相带电荷小,外溶液浓,离子价数高,则扩散层小Sollner双电层理论35Donnan平衡理论膜在电解质中离解产生离子与溶液中的离子进行交换平衡膜中离子平衡CN为Cl-,Cg为Na+,CR为X-当CR>>C,Donnan平衡理论膜中离子平衡CN为Cl-,Cg为Na+36影响膜选择性的因素:膜的固定离子浓度越高,膜的选择性越好;溶液的离子浓度大,膜的选择性差离子水合和迁移数离子在水溶液中存在水合离子,离子运动时,水合层也随着运动.基本水合层随离子运动,与外部因素无关,二级水合层不固定,但定向排布.基本水合层的水分子数为水合数,离子价数越高,水合程度大.水合程度大,在水溶液中运动阻力大,易引起水的电渗析和逃水现象.迁移数:正负离子传递电量占总传递电量的比例为迁移数.影响膜选择性的因素:膜的固定离子浓度越高,膜的选择性越好37迁移数迁移数38由于水合状态的存在Y为电渗水的摩尔数在膜中的迁移为由于水合状态的存在Y为电渗水的摩尔数在膜中的迁移为39在膜内部,反离子的迁移数大于同名离子的迁移数反离子在膜中的迁移数大于在溶液中的迁移数P衡量膜的选择透过性能,定义为P=1为理想状态在膜内部,反离子的迁移数大于同名离子的迁移数反离子在膜中的40不同反离子间的选择透过性Tji随电流密度的升高而下降,到达某电流密度时保持稳定;随脱盐液流速增大而升高;随脱盐总浓度的增大而升高;与脱盐液离子的组成无关;符合下式膜的交换基团相同,交联度大孔径小的膜,以及离子在膜内的淌度对反离子的选择透过性起主导作用;反之,膜内的反离子浓度起主导作用不同反离子间的选择透过性Tji随电流密度的升高而下降,到达4116.2.3离子交换膜的电化学性能膜的导电性与下列因素有关1膜内固定基团的浓度和含水率,随之增高2反离子的影响,反离子淌度大,则导电能力大3膜外浓度,随之增高4温度,随之增高膜电位和膜的选择透过度16.2.3离子交换膜的电化学性能42影响离子交换膜选择透过度的因素膜的固定基团浓度和孔径,浓度大孔径小,透过度好;适当的交联度有利透过度的提高;外界溶液浓度大,不利与透过度影响离子交换膜选择透过度的因素43水的电渗透影响因素:膜的含水率,膜的含水率高,水的电渗透量增加;膜的交联度高,水的电渗透率低溶液浓度及离子种类.溶液浓度大,水的电渗透减小.水合强的离子存在,导致强的水电渗透量.16.2.4离子交换膜的浓缩特性与多种因素有关16.2.5通过膜的物质传递过程动力学对流传质,扩散传质,电迁移传质水的电渗透44电迁移传质对流传质扩散传质电迁移传质对流传质扩散传质4516.3电渗析器构造隔板,导水板,电极,离子交换膜,极水板框,锁紧装置,保护框16.4影响电渗析操作的因素扩散16.3电渗析器46极化极化47当扩散层中C1趋于0时,即极化发生,