分离技术概论电渗析精讲.pptx

分离技术电渗析浙江大学材料与化工学院浙江大学材料与化工学院陈欢林教授、张林博士主要内容主要内容1.基本概念2.电渗析机理3.电渗析用膜4.电渗析的应用基本概念基本概念什么是电渗析？什么是电渗析？电渗析是一种电化学过程，利用膜和电位差从水溶液和其它带荷电的混合物中分离离子物质的膜过程。什么是电渗析？什么是电渗析？利用带电离子或分子的传导电流的能力；膜是导电的，允许带正电荷通过的阳离子交换膜、允许带负电荷通过阴离子交换膜。电渗析的发展电渗析的发展1.18901890年，年，OstwaldOstwald揭示：若膜揭示：若膜对对阳离子和阴离阳离子和阴离子都不能渗透，子都不能渗透，则则膜膜对对任何任何电电解解质质均不渗透；均不渗透；2.19111911年，年，DonnanDonnan提出了描述提出了描述浓浓度平衡的数学度平衡的数学方程，方程，产产生了生了DonnanDonnan排斥机理；排斥机理；3.19251925年，年，MichaelisMichaelis和和FujitaFujita用均相弱酸性棉胶用均相弱酸性棉胶膜膜(焦木素焦木素Pyroxyline)Pyroxyline)进进行了离子行了离子选择选择性膜的性膜的基基础础研究；研究；4.19401940年，年，WasseneggerWassenegger和和JaegerJaeger用酚用酚-甲甲醛缩醛缩聚聚树树脂研制了离子交脂研制了离子交换换膜；膜；5.1950-19531950-1953年，年，IonicsIonics公司、公司、RohmRohm和和HaasHaas公公司分司分别别制制备备出商出商业业化离子交化离子交换换膜。膜。电渗析技术的特点电渗析技术的特点无化学添加剂、环境污染小；对原水含盐量变化适应性强；操作简单，易于实现机械化和自动化；设备紧凑耐用，预处理简单；水利用率高。电渗析种类电渗析种类倒极倒极电电渗析：一定渗析：一定时间间时间间隔正、隔正、负负极互极互换换，能，能自自动动清洗离子交清洗离子交换换膜和膜和电电极表面形成的极表面形成的污污垢、垢、确保离子交确保离子交换换效率的效率的长长期期稳稳定性及水定性及水质质；填充床填充床电电渗析：将渗析：将电电渗析和离子交渗析和离子交换结换结合起来；合起来；集中二者集中二者优优点，提高极限点，提高极限电电流密度和流密度和电电流效率流效率的作用，离子交的作用，离子交换树换树脂被填充于淡化室外，被脂被填充于淡化室外，被离子交离子交换树换树脂稀脂稀饭饭的离子在的离子在电场电场力作用下不断力作用下不断迁移入迁移入浓浓水室，水室，这样这样离子交离子交换树换树脂不需再生，脂不需再生，原料液中的离子可完全被除去；原料液中的离子可完全被除去；电渗析种类电渗析种类 液膜液膜电电渗析：利用液膜来代替渗析：利用液膜来代替电电渗析装置中的固渗析装置中的固态态粒子粒子交交换换膜，膜，对对于于浓缩浓缩和提和提纯贵纯贵重金属具有高效性；重金属具有高效性；高温高温电电渗析：渗析：进进料料为为高温溶液，降低了溶液粘度，提高高温溶液，降低了溶液粘度，提高扩扩散速率，增大溶液和膜的散速率，增大溶液和膜的电导电导，从而提高了允，从而提高了允许许密度，密度，提高提高设备设备的生的生产产能力降低能力降低动动力消耗；力消耗；双极膜双极膜电电渗析：双极膜是由阳离子交渗析：双极膜是由阳离子交换换膜和阴离子交膜和阴离子交换换膜以及中膜以及中间间界面界面亲亲水水层组层组成，当在阳极和阴极之成，当在阳极和阴极之间间施加施加电压时电压时，电电荷通荷通过过离子离子进进行行传递传递，如果没有离子存在，如果没有离子存在，则电则电流将由水解离出的流将由水解离出的氢氢离子和离子和氢氢氧根离子氧根离子传递传递。卷式电渗析器卷式电渗析器填充床电渗析器填充床电渗析器双极膜电渗析双极膜电渗析A为阴膜，B为双极膜，C为阳膜电渗析机理电渗析机理电渗析与反渗透电渗析与反渗透电渗析与反渗透电渗析与反渗透不同点：反渗透过程，水是在低压下透过膜，必要能耗是水分子透过膜在通道中摩擦引起的，表明与原水浓度无关；电渗析过程，是离子透过膜，从淡水侧迁移到浓水侧，必要能耗是离子透过膜通道中摩擦引起的，与原水浓度成正比。电渗析膜对结构图电渗析膜对结构图 离子膜内外离子平衡离子膜内外离子平衡膜产品及膜骨架分类膜产品及膜骨架分类 膜产品分类号膜产品分类号产品名称产品名称膜骨架分类号膜骨架分类号骨架名称骨架名称0 0强酸性强酸性0 0苯乙烯系苯乙烯系1 1弱酸性弱酸性1 1丙烯酸系丙烯酸系2 2强碱性强碱性2 2酚醛系酚醛系3 3弱碱性弱碱性3 3环氧系环氧系4 4螯合型螯合型4 4乙烯吡啶系乙烯吡啶系5 5两性两性5 5脲醛系脲醛系6 6氧化还原型氧化还原型6 6氯乙烯系氯乙烯系离子膜的主要技术指标离子膜的主要技术指标指标名称指标名称技术指标值技术指标值阳膜阳膜阴膜阴膜含水率含水率(%)(%)3535505035355050交换容量交换容量(mol/kg(mol/kg干干)2.02.0 1.81.8膜面电阻膜面电阻(cm2)cm2)1212 1313选择透过率选择透过率(%)(%)9292 9090 脱盐室中液体流路尺寸脱盐室中液体流路尺寸普通电渗析工艺过程普通电渗析工艺过程 硬水的软化的阳离子电渗析硬水的软化的阳离子电渗析柠檬汁减酸阴离子膜电渗析柠檬汁减酸阴离子膜电渗析氨基酸电渗析过程氨基酸电渗析过程电渗析中的传递现象 电渗析中的传递电渗析中的传递 a.a.反离子迁移反离子迁移反离子迁移反离子迁移，也即为与膜上固定离子基团电荷相反，也即为与膜上固定离子基团电荷相反的离子的迁移。的离子的迁移。b b；同名离子的迂移；同名离子的迂移；同名离子的迂移；同名离子的迂移，也即为与膜上固定离子，也即为与膜上固定离子(基基团团)电荷相同的离子的迁移。电荷相同的离子的迁移。c c电解质的渗析，电解质的渗析，电解质的渗析，电解质的渗析，这种渗析主要由于膜两侧浓水这种渗析主要由于膜两侧浓水室与淡水室的浓度差引起的，使得电解质由浓水室向室与淡水室的浓度差引起的，使得电解质由浓水室向淡水室扩散。淡水室扩散。d d水的渗透，水的渗透，水的渗透，水的渗透，随着电渗析的进行，淡水室中水含随着电渗析的进行，淡水室中水含量逐渐升高，由于渗透压的作用，淡水室中的水会向量逐渐升高，由于渗透压的作用，淡水室中的水会向浓水室渗透。浓水室渗透。e e水的分解，水的分解，水的分解，水的分解，这是由于电渗析过程中产生浓差极这是由于电渗析过程中产生浓差极化，或中性水离解成化，或中性水离解成OH-OH-和和H+H+所造成，控制浓差极化所造成，控制浓差极化可防止这种现象产生。可防止这种现象产生。f f水的电渗析水的电渗析水的电渗析水的电渗析，由于离子的水合作用，在反离和，由于离子的水合作用，在反离和同名离子迁移时，会携带一定的水分子迁移。同名离子迁移时，会携带一定的水分子迁移。g g压差渗漏压差渗漏压差渗漏压差渗漏，由于膜两侧的压力差，造成高压侧，由于膜两侧的压力差，造成高压侧溶液向低压侧渗漏。溶液向低压侧渗漏。电流密度与极限电流密度 WILLSON EQUATION 实际操作电流密度实际操作电流密度极限电流密度的测定极限电流的检测极限电流的检测电流电压法某些类型隔板的经验系数某些类型隔板的经验系数 隔板结构隔板结构经验系数经验系数厚度厚度隔网形式隔网形式A Ab b2 2鱼鳞网鱼鳞网0.25600.25601.91.92 2无网无网0.15790.15791.21.21.51.5细网细网0.69340.69341.31.3不同水型的水力常数、不同水型的水力常数、m m、n n值值 常数值常数值水型水型k ki ik kI Immn n氯化钠水型氯化钠水型0.54460.54460.005930.005931.01.00.6600.660碳酸氢盐水型碳酸氢盐水型0.28930.28930.004700.004700.9580.9580.6580.658电流效率电流效率 电流效率表示电渗析过程中电流利用程度电流效率表示电渗析过程中电流利用程度电流效率表示电渗析过程中电流利用程度电流效率表示电渗析过程中电流利用程度式中，法拉第常数F为26.8。苦盐水脱盐：电流效率一般为90-95%海水脱盐：为70-85%。出口浓度计算出口浓度计算式中，ki、n为Wilson常数。极限电流下的脱盐率极限电流下的脱盐率当电渗析器确定后，d、L 为常数，处理水型确定后，ki、n和也是常数.经验脱盐率计算式经验脱盐率计算式不同水型的经验常数不同水型的经验常数常数值常数值水型水型A A 氯化钠水型氯化钠水型0.880.880.062980.06298碳酸氢盐水型碳酸氢盐水型0.730.730.065300.06530脱盐能耗式中，式中，WWN N为电渗析迁移单位克当量电解质所需能耗为电渗析迁移单位克当量电解质所需能耗,kw.h/N,kw.h/N QQd d 为一个淡水隔室的流量为一个淡水隔室的流量L/sL/s；I I 为电流为电流(mA)(mA)；R RS S 为为N N对膜对的总电阻对膜对的总电阻。膜对电压计算膜对电压计算式中式中U UP P为单位膜对电压降（为单位膜对电压降（V V）；）；k k、为与处理水型有关的常数，对碳酸氢为与处理水型有关的常数，对碳酸氢盐水型分别为盐水型分别为0.0650.065、0.15890.1589、0.670.67。膜堆电压膜堆电压 膜堆电压即为加在膜堆两端的电压，由膜堆电压即为加在膜堆两端的电压，由N N对单位膜对电对单位膜对电压构成。压构成。膜堆电压与极区电压之和为电渗析器总电压，即膜堆电压与极区电压之和为电渗析器总电压，即 式中，式中，为极区电压为极区电压（V V），极区电压包括引出线与电极之），极区电压包括引出线与电极之间的接触电位、电极本身的电压降、电极与极水之间间的接触电位、电极本身的电压降、电极与极水之间的电极电位及极水和极膜的电阻等形成的电压降。的电极电位及极水和极膜的电阻等形成的电压降。膜对电阻 式中，式中，R RP P 为单位膜对电阻为单位膜对电阻；a a1 1/C/Ca a为浓、淡水隔室的为浓、淡水隔室的当量平均浓度；当量平均浓度；a a2 2项为溶液电阻；项为溶液电阻；a a3 3为膜电组项；为膜电组项；a a3 3C Ca a为校正项，处理低浓度水时可忽略不计。为校正项，处理低浓度水时可忽略不计。用DSAII-1型电渗析器处理碳酸氢盐水型时，水泵功率的三种计算式中，式中，QQ为水泵流量（为水泵流量（m3/sm3/s）；）；为流体密为流体密度度(kg/m3)(kg/m3)；为水泵效率；为传动效率；为水泵效率；为传动效率；K K 为选用电动机安全系数，通常取为选用电动机安全系数，通常取1.1-1.21.1-1.2。液体在各种组装形式电渗析器中的流动液体在各种组装形式电渗析器中的流动液体在各种组装形式电渗析器中的流动液体在各种组装形式电渗析器中的流动(a)一级一段并联(b)二级一段并联 (c)一级二段串联 (d)二级二段串联 一次连续脱盐式一次连续脱盐式 C-C-浓缩浓缩室；室；D-D-脱脱盐盐室室 部分循环连续脱盐式部分循环连续脱盐式 C-C-浓缩浓缩室；室；D-D-脱脱盐盐室室 间歇（循环）脱盐式间歇（循环）脱盐式 C-C-浓缩浓缩室；室；D-D-脱脱盐盐室室电渗析级数计算电渗析级数计算式中,n为脱盐级数;fP为单级脱盐率.多级部分循环连续式脱盐过程多级部分循环连续式脱盐过程 串联级数与产品脱盐比的关系串联级数与产品脱盐比的关系淡水浓度及处理量表示，式中，淡水浓度及处理量表示，式中，C CF F、C CP P分别为分别为料液及产品浓度，料液及产品浓度，QQR R、QQF F分别为脱盐室内循环分别为脱盐室内循环流量及进料流量。流量及进料流量。膜对数（面积）计算 各脱盐级采用等流速运行，任何两级的电流密各脱盐级采用等流速运行，任何两级的电流密度之比等于该两级淡水对数浓度之比，度之比等于该两级淡水对数浓度之比，电渗析的浓差极化现象电渗析的浓差极化现象注：注：浓差极化总是发生在淡水室浓差极化总是发生在淡水室 倒极电渗析（倒极电渗析（EDR)EDR)工艺流程工艺流程双极膜及其水离解原理双极膜电渗析过程示意图双极膜电渗析过程示意图 离子交换膜离子交换膜离子交换膜的分类离子交换膜的分类按结构和制备方法分：均相膜通过功能单体聚合而制备；异相膜通过熔压离子交换树脂和颗粒聚合物，或通过在溶液中分散离子交换树脂或熔融聚合物而制备。离子交换膜的制备离子交换膜的制备1.单体聚合或缩聚：其中至少有一种单体必须含有一种自身为或能变成阳离子或阴离子的基团；2.在固化膜中引入阴离子或阳离子成分；3.将阴离子或阳离子引入高分子，然后制膜。单体的聚合和缩聚单体的聚合和缩聚酚与甲醛缩聚单体的聚合和缩聚单体的聚合和缩聚苯乙烯与二乙烯苯聚合，随后磺化或胺化单体的聚合和缩聚单体的聚合和缩聚苯乙烯与二乙烯苯聚合，随后磺化或胺化阴离子或阳离子引入固化膜阴离子或阳离子引入固化膜对于将阴离子或阳离子引入预型膜，单体可能含有交联剂或通过辐射技术将单体接枝到预型膜上。阴离子或阳离子引入固化膜阴离子或阳离子引入固化膜阳离子交换膜的制备阴离子或阳离子引入固化膜阴离子或阳离子引入固化膜阴离子交换膜的制备阴离子或阳离子基团引入高分子链阴离子或阳离子基团引入高分子链聚砜磺化反应异相离子交换膜的制备异相离子交换膜的制备 异相膜含有异相膜含有细细小的胶状离子交小的胶状离子交换树换树脂粒子，粒子包埋脂粒子，粒子包埋在胶合物中在胶合物中(聚乙聚乙烯烯、苯酚、苯酚树树脂、聚脂、聚氯氯乙乙烯烯等等)。1.1.将离子交将离子交换树换树脂脂颗颗粒粒压压延成惰性塑性膜片；延成惰性塑性膜片；2.2.干干态态膜膜压压形成惰性膜片的高分子和离子交形成惰性膜片的高分子和离子交换树换树脂脂颗颗粒，粒，再将膜再将膜压块压块碾碎；碾碎；3.3.将离子交将离子交换颗换颗粒分散在能形成膜的高分子溶液中，再粒分散在能形成膜的高分子溶液中，再将溶液蒸将溶液蒸发发，制得离子交，制得离子交换换膜；膜；4.4.将离子交将离子交换树换树脂脂颗颗粒分子在部分聚合混合高分子粒分子在部分聚合混合高分子单单体体中，然后中，然后进进行聚合反行聚合反应应。特殊离子交换膜特殊离子交换膜一价离子选择渗透膜Neosepta CMS一价阳离子选择膜；Neosepta ACS一价阴离子选择膜。Tokuyama和Soda在海水脱盐过程中开发而得。特殊离子交换膜特殊离子交换膜质子选择渗透阳离子交换膜：在膜表层涂覆上特殊的阳离子荷电层，提高膜对氢离子具有良好的渗透性。高质子截留的阴离子交换膜：采用传统的离子交换膜，由于质子泄漏，电渗析无法回收酸。特殊离子交换膜特殊离子交换膜抗抗污污染的阴离子交染的阴离子交换换膜膜由于膜由于膜污污染的染的缘缘故，阴离子交故，阴离子交换换膜比阳离子交膜比阳离子交换换膜允膜允许许的的电电流流强强度小。度小。当阴离子很小当阴离子很小时时，能，能进进入膜内，膜被堵塞，入膜内，膜被堵塞，膜的膜的电电迁移性能很差，迁移性能很差，可以通可以通过调节过调节膜的交膜的交联联度和高分子网度和高分子网络络中交中交联联体的体的链长链长来提高阴离子交来提高阴离子交换换膜膜对对大有机酸的渗大有机酸的渗透性。透性。特殊离子交换膜特殊离子交换膜抗污染的阴离子交换膜特殊离子交换膜特殊离子交换膜碳氟化型阳离子交换膜为了克服碳氢化合物膜被氧化剂氧化分解，把离子交换膜用于氯碱工业中，Du Pont公司开发出的该类膜。特殊离子交换膜特殊离子交换膜碳氟化型阳离子交碳氟化型阳离子交换换膜制膜制备备方法方法特殊离子交换膜特殊离子交换膜耐碱的阴离子交换膜阴离子交换膜在强碱中的稳定性较差：因为阴离子交换膜的碱稳定性是由引入的荷正电基团对-OOH腐蚀的稳定性所控制。特殊离子交换膜特殊离子交换膜耐碱的阴离子交换膜制备方法电渗析的应用电渗析的应用电渗析的应用电渗析的应用电渗析苦咸水淡化电渗析苦咸水淡化当原水含量低于5000ppm，电渗析与反渗透、多级闪蒸相比最为经济。电渗析能将盐液浓缩到较高的程度(18-20wt%)而不影响过程的经济性。电渗析食盐生产电渗析食盐生产采用电渗析将海水中的NaCl浓缩到200g/L再进行蒸发。目前安装膜面积达到了500000m2，产量为350000t/y。技术关键：高性能的一价离子透过性膜。电渗析废水处理电渗析废水处理主要应用于处理电镀工业废水，实现水和金属离子的全循环；与RO相比，可利用热稳定性和化学稳定性更高的膜；缺点是只能去除离子化合物，不能去除电镀过程中的添加剂。反渗透浓水的浓缩反渗透浓水的浓缩作为RO的后序过程，处理RO的浓缩液。化学、食品、制药过程中的应用化学、食品、制药过程中的应用干酪乳清的纯化去除酒中的酒石酸葡聚糖脱盐氨基酸和其他有机酸的分离超纯水生产超纯水生产