第七章离子交换膜和电渗析

第七章离子交换膜和电渗析1第一页，共四十八页，编辑于2023年，星期四电渗析（ED）技术的发展概况对电渗析的基本概念的研究是从19世纪50年代开始的。1854年Graham发现了渗析现象；1862年Dubrunfant制成了第一个膜渗析器，并成功地进行了糖与盐的分离；1940年Meyer和Strauss提出了具有实用意义的多隔室电渗析装置的概念；1950年Juda试制成功了第一张具有选择透过性的阳、阴离子交换膜，奠定了ED技术的实用基础，ED技术得到迅速发展。1952年美国Ionics公司制成了第一台电渗析装置；1954~1956年英、美将ED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，ED技术逐步被引入北非、南非以及中东地区。2Electrodialysis第二页，共四十八页，编辑于2023年，星期四1959年前苏联开始研究和推广应用ED技术；1966年美国DuPont公司研制全氟磺酸离子交换膜；1970年日本将电渗析器用于苦咸水淡化；1972年美国Ionics公司推出频繁倒极电渗析(EDR)装置；1974年日本在野岛建造了日产饮用水120t的海水淡化ED装置；1982年日本成功开发了全氟阴离子交换膜（AEM）；1991年我国研制成功了无极水全自动控制ED器，以城市自来水为进水，单台多级多段配置，脱盐率为99%以上，原水利用率达70%以上。20世纪80年代中后期，常规ED技术在国外的发展进入了萎缩阶段，西欧已基本不用。3Electrodialysis第三页，共四十八页，编辑于2023年，星期四我国电渗析技术的发展概况1958年开始电渗析技术的研究；1960年代初小型ED装置投入海上试验；1965年在成昆铁路上安装了第一台苦咸水淡化装置；1966年开始工业化试生产聚乙烯异相离子交换膜，从此ED技术开始进入实用化阶段；1967年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；1970年代以来ED技术发展较快，离子交换膜生产已具相当规模，全国共有44个膜品种，已商品化的有12类19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。4Electrodialysis第四页，共四十八页，编辑于2023年，星期四一.电渗析(Electrodialysis)过程原理电渗析——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2个基本条件：1）离子交换膜的选择透过性；2）直流电场。5Electrodialysis第五页，共四十八页，编辑于2023年，星期四离子交换膜（ionexchangemembrane）是电渗析器的主要部件，有“电渗析的心脏”之称。它是一种由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，所以更确切地说应称之为“离子选择性透过膜”。6Electrodialysis第六页，共四十八页，编辑于2023年，星期四电渗析原理7Electrodialysis第七页，共四十八页，编辑于2023年，星期四电渗析过程示意图8Electrodialysis第八页，共四十八页，编辑于2023年，星期四++++++阳极－－－－－－阴极Cl-Na＋阳膜阳极室Cl-Cl-Cl-Na＋Na＋Cl-Na＋Na＋Cl-Cl-Na＋Na＋浓缩室淡化室浓缩室阴极室阴膜阳膜阴膜电渗析过程原理图9Electrodialysis第九页，共四十八页，编辑于2023年，星期四阳极反应：阴极反应：10Electrodialysis第十页，共四十八页，编辑于2023年，星期四电渗析运行时可能发生的过程11Electrodialysis第十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期四电渗析过程中的其他迁移过程同名离子迁移电渗析的浓差扩散水的渗透水的电渗透压差渗漏水的解离12Electrodialysis第十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期四Arrangementofmembranesforelectrodialysis阳极阴极2，4，6，8——淡化室；3，5，7——浓缩室13Electrodialysis第十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期四二、离子交换膜的选择透过性可由以下几个方面加以说明：孔隙作用——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。静电作用——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；阴膜选择吸附阴离子。扩散作用——膜对溶解离子具有传递迁移能力。由吸附~解吸~迁移的方式，把离子从膜的一端输送到另一端。14Electrodialysis第十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期四三、电渗析过程的基本传质过程对流传质——离子在隔室主体溶液和扩散边界层之间的传递；扩散传质——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的主要因素。电迁移传质——离子通过离子交换膜的传递。15Electrodialysis第十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期四第二节离子交换膜的分类及组成应注意，ED中所用的离子交换膜，实际上并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用，因此，更确切地应称之为离子选择性透过膜。可解离出阳离子，对阳离子具有选择透过性——阳膜可解离出阴离子，对阴离子具有选择透过性——阴膜16Electrodialysis第十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期四2.离子交换膜的组成离子交换膜膜的主体增强材料(保证膜的强度和尺寸稳定性)活动部分固定部分高分子骨架(基膜)离子交换基团(固定荷电基团)反离子唐纳渗透离子溶剂(如水)17Electrodialysis第十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期四18Electrodialysis第十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期四按膜体宏观结构(制造工艺)不同可分3类：非均相(异相)离子交换膜——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。（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）均相离子交换膜——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）半均相离子交换膜——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。3.离子交换膜的分类19Electrodialysis第十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期四离子交换膜功能示意图20Electrodialysis第二十页，共四十八页，编辑于2023年，星期四离子交换膜工作原理示意图21Electrodialysis第二十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期四第三节离子交换膜的制备一、异相膜的制备把粉状树脂与胶粘剂混合后制成片状膜。具体方法有：延压和模压法溶液型胶粘剂法离子型交换树脂法二、半均相膜的制备先用胶粘剂吸浸单体进行聚合，然后导入活性交换基团制成含胶粘剂的热塑性离子交换树脂。22Electrodialysis第二十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期四三、均相膜的制备实际上是直接使离子交换树脂薄膜化。大致过程为：①膜材料的合成反应过程、②成膜过程、③引入可反应基团、④与反应基团发生作用形成荷电基团。四、新型离子交换膜双极膜——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。螯合膜——其膜上具有两个或两个以上对金属离子有很大亲和力的官能团。23Electrodialysis第二十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期四双极膜（Bipolarmembranes）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OH-和H+传递。24Electrodialysis第二十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期四第四节离子交换膜的主要性能交换容量——每克干膜所含活性基团的毫克当量数含水量——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（%）。膜电阻——影响到ED器所需的电压和电耗。常用面电阻表示。选择透过度——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。25Electrodialysis第二十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期四第五节电渗析器主要由极区、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/淡室液流的通道，分别与浓/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。电渗析器的最外侧用不锈钢、铸铁或厚塑料板夹紧。26Electrodialysis第二十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期四GeneralviewofacommercialEDIinstallationproducedbyIonicsInc.27Electrodialysis第二十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期四实际应用的电渗析器28Electrodialysis第二十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期四电渗析器的结构29Electrodialysis第二十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期四30Electrodialysis第三十页，共四十八页，编辑于2023年，星期四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方式，常用术语“级”和“段”来表示。“级”是指电极对数目，一对电极称为一级；“段”是指水流方向，每改变一次水流方向称为一段。31Electrodialysis第三十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期四一级一段——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长度的脱盐率。多用于大中型制水场地。一级多段——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地。多级多段——即串并联式。特点是能获得更高的脱盐率。多用于小型海水淡化器和小型纯水装置。32Electrodialysis第三十二页，共四十八页，编辑于2023年，星期四ED器的性能指标淡水产量脱盐率电流效率电能消耗33Electrodialysis第三十三页，共四十八页，编辑于2023年，星期四ED技术的特点能耗低在除盐过程中，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；药剂耗量少，环境污染小仅在酸洗是时消耗少量酸；对原水含盐量变化适应性强可按需要进行调节，根据一台ED器中的段数、级数或多台ED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；操作简单，易于实现机械化、自动化；设备紧凑耐用，预处理简单预处理一般经砂滤即可；水的利用率高ED器运行时，浓水和极水可循环使用，水的利用度可达70%~80%，国外可高达90%左右。34Electrodialysis第三十四页，共四十八页，编辑于2023年，星期四不足之处：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；易发生浓差极化而产生结垢（用EDR可以避免）；与RO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RO快。ED技术的特点（续）35Electrodialysis第三十五页，共四十八页，编辑于2023年，星期四利用ED技术各种脱盐流程C——浓缩室；D——脱盐室第六节ED的脱盐过程36Electrodialysis第三十六页，共四十八页，编辑于2023年，星期四第八节电渗析技术的应用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；牛乳、乳清脱盐；氨基酸脱盐；海水浓缩；电镀废液中Ni和H2SO4回收；同位素、同价离子分离；酸的回收；果汁脱酸改性；无机和有机药品制备酸/碱的制备脱盐或纯化浓缩或分离置换水解37Electrodialysis第三十七页，共四十八页，编辑于2023年，星期四苦咸水/海水的淡化如我国研制的日产淡水7m3和14m3的电渗析器，用于岛屿居民的海水制取饮用水；1981年在西沙永兴岛建成了日产200m3的ED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100m3的ED苦咸水淡化站，将含盐量为3500mg/L的苦咸水淡化为含盐量为500mg/L左右的可饮用水。电厂和其他工业锅炉用水的制备采用电渗析和离子交换组合工艺。生产工艺用水的除盐、初级纯水的制备纯水、超纯水的制备38Electrodialysis第三十八页，共四十八页，编辑于2023年，星期四ED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去，并使其浓度增高，或参加反应等，如从海水中抽取氯化钠；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分离，如从海水提取一价盐等。39Electrodialysis第三十九页，共四十八页，编辑于2023年，星期四电渗析降低柠檬汁中酸含量40Electrodialysis第四十页，共四十八页，编辑于2023年，星期四杭州国家水处理中心生产EDI装置41Electrodialysis第四十一页，共四十八页，编辑于2023年，星期四利用ED技术实现氨基酸的分离pH＜IPpH=IPpH＞IP42Electrodialysis第四十二页，共四十