电渗析.ppt

1、电渗析,定义,电渗析是在外加直流电场作用下，利用离子交换膜的选择渗透性，使溶液(通常是水溶液)中有阴、阳离子作定向迁移，从而达到水中离子与水分离的一种物理化学过程。,在电极的阴、阳极之间，将阳离子交换膜与阴离子交换膜交替排列，井用特制的隔板符这两种膜隔开，隔板内行水流的通道。,进入淡室的含盐水，在两端电极接通直流电源后，即开始了电渗析过程；水中阳离子不断透过阳膜向阴极迁移，阴离子不断透过阴膜向阳极迁移，结果，含盐水逐渐变成淡化水。,而进入浓室的合盐水，由于阳离子不能迁移透过阴膜，阴离子迁移不能透过阳膜，于是，含盐水不断浓缩变成高浓度盐水。,电渗析的原理,这样，在整个电渗析设备中，出现了脱盐与浓

2、缩两个系统。与此同时，在电极和溶液的界面上，通过氧化、还原反应，发生电子与离子之间的交换，即电极反应。,以食盐水为例，阴极还原反应为： 因此，在阴极不断有氢气排出，在阳极则不断有氧气或氯气排出。此时，阴极室溶液呈碱性，当水中有Ca2+、Mg2+或HCO3-等离子时，会生成CaCO3和Mg(OH)2沉淀，该沉淀会集结在阴极上甚至交换膜上，影响设备的运行及出水水质。在阳极室，由于溶液呈酸性，会对电极造成强烈的腐蚀。,中性膜的电渗析示意图,该系统以非选择性膜去代替阳离子或阴离子选择性股。事实上还可以用选择性程度不同的膜去代替阳离子或阴离子选择性膜。,电滗析,它被人们称为“电重力分离”或者“电滗析”，

3、该系统的小室宽度较大（0.5-1.0厘米），在其中电流诱导出的密度差，驱使水体缓慢的循环。制成水自小室顶部导出，而浓水则在小室底部流出。,最小需要能,从热力学论点出发，可以推到出电渗析最小需要能E的表达式如下： N0是以当量/升为单位表示的离子物种浓度，f，P，C分别指进水流，制成水流和浓水流。能量E一般用千瓦时/千加仑制成水的单位表示。,上式忽略了电极反应所消耗的功率，并且只考虑进水流，制成流和浓水流的自由能。因为在电渗析中存在着极化，室的电阻，同时电流效率总是小于100%，因此实际消耗的功率总是大于此公式算得的数值。,离子的选择性迁移,在电解质溶液上施加一个电场E后，离子就受一个电场作用力

4、F： F=zce0E e0为电子电荷量，zc为离子物种的价。电场E将加快离子移向阳极或阴极的速度，移向哪一级应视zc的符号而定。 周围液体中的分子对于移动离子施加一个相反作用的摩擦阻力Ff，从而限定了离子移动的最终速度vi，如下式所示：,令ui为离子淌度，淌度的定义是单位电场强度的离子移动速度，据此得：,渗透选择性离子交换胶的基本理论要求，膜应带有容易离解的离子，它们疏松地束缚在相反电荷的固定基团上。 若固定基团为阴离子型，则它的流动离子或抗衡离子就是阳离子型，当这块膜置于电场中时，阳离于就能选择性地透过它。 若固定基团为阳离子型和流动离子为阴离子型，则阴离于就能透过膜。 当渗透选择性离子交换

5、膜与电解质处于平衡时，只要膜对溶剂稍有一些渗透性，那么道南平衡就建成。在平衡时，只要膜中固定离子的浓度相当大，膜中阳离子和阳离子电解质的数量就有很大差别。,膜的性质和制备,良好的电渗析膜必须具备下述条件： 能正确辨别相反符号的离子； 对水的迁移数低； 具有合理和良好的导电但能； 具有强的抗化学性能(特别是抵抗氧化)； 足够的机械强度； 有尺寸稳定性。,膜的渗透选择性,膜的最重要的特征是渗透选择性。 膜的渗透选择性是指膜能否根据离子所带的电荷进行辨别或让其通过的功能。,膜的制备方法,第一种方法是利用由离子交换树脂、情性粘合剂以及溶剂所组成的混合物铸成异相膜。粘合剂虽然能增强膜的烦度，但同时也提高

6、了膜的电阻。 第二种制膜法与离子交换树脂制造法相似。先制成不溶于水的聚合物膜，接着通过化学反应导入离子交换基团。 第三种制膜法是单体的聚合，这些单体已带有离子交换基因或带有很易就能转化成离子交换基团的其它基团。 三种基本制膜法，都应严格控制好生产操作步骤，这样才能制成机械强度高和电解导电率好的膜。,浓度极化,与反渗透和超滤相似，浓度极化也是电渗析的重要因素。在稳定状态时，抵达离子交换膜界面的盐量与除去的盐量相平衡。溶质粒子的分子扩散和涡流扩散是输送盐类抵达膜面的推动力。盐类的去除决定于电流的大小和界面处迁移数值的差值。,在实际运行中，工作电流密度往往用得比极限密度低，其原因在于Cim趋近于0时

7、， 氢和羟离子开始携带相当数量的电流。 正确控制电流密度与淡水流浓度之间的比值以及正确设计水流通道的水力条件以减少界面层厚度，是限制极化在合理范围内的有效措施。水流通道做得浅、增加水的循环流速、增装紊动助长器等是减少界面层厚度的好方法。,功率和能的需要,功率需要量作为除盐速度的函数，可以用法拉第和欧姆定律来计算。,每迁移一个当量盐的电能消耗为：,例题 解：,电流效率,电渗析系统的电流需要量总是超过理论值。其原因如下： 1膜的选择性并不是完美无缺的； 2在膜堆中建立了平行的电流通路 3水亦能迁移过膜； 4当电流密度高或者含盐量低的时候，水可以分解成H+和OH-。,电压,电渗析的需要电压，由下列各

8、因素决定： 与电极有关的电势差； 横跨膜的浓度电势； 溶液和膜中的电压降。 电压效率和电流效率一样，也有3个分效率，（）e， （）r，（）c它们依次代表电极反应，总电阻和极化电势造成的分效率。,组成电渗析膜堆电阻的主要因素是：主体溶液电阻、界面层的电阻、膜的电阻。 主体溶液电阻绝大部分来自淡水通道，其原因在于溶液的比电阻与电解质浓度成反比。界面层的电阻亦如此。 浓度极化形成的反电动势对总效率影响很大。反电动势的大小是每种离子的迁移数，界面层两侧的浓度差和溶液主体浓度的函数。,设计,商品电渗析器装有交叉排列的阳离子和阴离子渗透膜，同时采用强制流运行方式去脱小浓度极化。 对流运行方式虽然在运行效率

9、上较为优越，但它的压降分布得很不均匀，因而膜容易损坏。 在单一膜堆上采取平行流运行方式较为可取，因为膜两边的压力能得到平衡。对流运行运行方式常用于多段式系统的设计中。,使一个膜堆中各个分隔间之间的流量均匀分配，是依靠缩小各分隔间的进出水孔尺寸的办法来解决的。,计算方法,前面公式算得的功率和能的需要量，部是建立在膜堆电阻Rs基础上的。 在真正电渗析系统的设计中，常常遇到应用实验或半生产性实验的资料问题，这些资料往往是在不同的进水、浓水和制成水浓度条件下获得的。在这种情况下，必须弄清相关电阻、极限电流密度与溶液浓度、流星之间的关系。,Mintz法,每一对小室的需要功率可以用式7-61所求解的电压和

10、式7-44所求解的电流相乘而得：,小室和膜堆的构造型式,在压力流电渗析器中，每一分隔间中的强制疏流态由膜夹板空间的型式所决定。有两种常用的型式：曲折流和薄片流。曲折流的蛇行途径较长，因而溶液的停留时间也长。水流的线速度以及压力损失均应做得大些，以减少浓度极化。薄片流利用小室的活泼区作为水流通道。膜夹为塑料网，它本身就是紊动助长器。 膜堆有膜片构成，膜片之间设有夹板和垫片，象板框式压滤机一样组装而成。进出水口通常在垫片或在膜片上冲眼而形成，然后冉组装杯一起。,与大多数化工工艺相似，电渗析除盐也可以采取连续式或者分批式运行。连续运行方式的电渗析一般有三种布置方案：多段、内部分级和进入渗出式。,多段

11、式连续电渗析系统,可以采用膜堆之间对流或所有的浓水流都平行的方式运行。,这种布置方案的优点是；管道和阀门的尺寸小；不需冉循环；所需的能量最小。,它的主要缺点是：需要经常调整各项运行参数，运行比较敏感，膜电阻的微量增加就会影响效率。,内部分级连续流系统,若要求的出水量不大，则选用内部分级的单膜堆较为经济。,它的优点是：容易调节除盐率；不需再加压；仅需一对电极以及连续出水。,它的主要缺点是：运行压力大；对一定的制成水量所需的膜面积大；膜阻和进水流量的变化对运行效率十分敏感。,进入渗出连续流系统,他是根据进水浓度可变化而出水流量和出水水质要求不变的情况而设计的。,它的另一个优点是需要的电流密度较低。

12、,它的主要缺点是消耗功率大和需要再循环。,分批运行再循环系统,在这种布置方案中，固定量的进水在膜堆中循环（浓水带走）。,它的主要优点是，膜电阻的变化虽能影响制成水的流量，但不会影响制成水的水质。,主要缺点有；运行不稳定从而难于判断电渗析的工作性能；功率需要是大；电流密度易变化。,用途,稍咸水（小于10000毫克/升）的除盐是电渗析的最主要用途。 废水除盐是电渗析的另一种用途。有人研究用电渗析对农田径流进行反硝化处理。生活污水处理厂出水的电渗析除盐正处在研究中。 食品和酿酒工业也是电渗析的应用场所。 在化工工业中，电渗析已用来回收稀化废水中化学物质。,电渗析在废水处理中的应用,以镀镍废液回收镍处理为例，介绍电渗析法在废水处理中的运用。 镀镍废液中含有悬浮物杂质及有机物，这些物质能够影响电渗析器的工作和膜的性能，进入电渗析设备前必须经过过