第7章其它膜過程

1、7-1 膜蒸餾7.1.1 膜蒸餾技術原理與操作方式7.2.2 膜蒸餾特征與優(yōu)缺點7.1.3 膜蒸餾主要應用領域7.1.4 膜蒸餾處理含碳酸鉀廢水初步研究7-2 透析 7-2-1 透析的原理 7-2-2 生物腎與人工腎 7-2-3 透析膜的材料 7-2-4 透析的應用 7-3電滲析 7-3-1 電滲析的基本原理 7-3-2 離子交換膜 7-3-3 電滲析的應用 7-3-4 電滲析未來發(fā)展前景第7章 其它膜過程7.1 膜蒸餾n膜蒸餾(Membrane Distillation)技術是膜技術與蒸發(fā)過程相結(jié)合的新型膜分離技術，是以膜兩側(cè)不同溫度溶液蒸汽壓力差為推動力的分離過程。采用疏水性微孔膜把溫度不

2、同的兩種溶液隔開，當熱側(cè)溶液的蒸汽壓高于冷側(cè)，水蒸汽會透過膜而在冷側(cè)冷凝。這樣熱側(cè)溶液濃度會不斷提高，而冷側(cè)得到純凈的冷凝液；如果溶質(zhì)是易結(jié)晶物質(zhì)，則可把溶液濃縮到飽和濃度而實現(xiàn)結(jié)晶。 n此過程幾乎是在常壓下進行，熱側(cè)溶液溫度僅在7080以下。它與溫度很高的傳統(tǒng)蒸發(fā)過程相比，需加熱的溫度很低；與反滲透膜技術相比，壓力又極低?？梢娔ふ麴s技術，可避免傳統(tǒng)蒸發(fā)的高溫與反滲透所需的高壓，這些都決定了此項新分離技術的優(yōu)越性與生命力。7.1.1 膜蒸餾技術原理與操作方式n膜蒸餾提出于1967年，20世紀80年代開始發(fā)展，至今已在不少領域取得可喜的研究成果，尤其在水溶液分離中更具有優(yōu)越性，特別是近年來適合蒸

3、餾用的疏水膜的研制成功，使膜蒸餾過程的開發(fā)和應用得到了進一步發(fā)展，被認為是一種節(jié)能、高效的分離技術，為緩解能源緊張?zhí)峁┝撕唵斡行У募夹g方法。n膜蒸餾所用的膜為不被待處理溶液潤濕的疏水微孔膜，孔徑一般在0.20.4微米之間，主要有聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯和聚乙烯四種。膜蒸餾過程及其原理n膜的一側(cè)與熱的待處理溶液直接接觸(稱為熱側(cè))，另一側(cè)直接或間接地與冷的水溶液接觸(稱為冷側(cè))，熱側(cè)溶液中易揮發(fā)的組分在膜面處汽化通過膜進入冷側(cè)并被冷凝成液相，其他組分則被疏水膜阻擋在熱側(cè)，從而實現(xiàn)混合物分離或提純的目的。膜蒸餾是熱量和質(zhì)量同時傳遞的過程，傳質(zhì)的推動力為膜兩側(cè)透過組分的蒸汽壓差。實現(xiàn)膜蒸餾必需

4、要有兩個條件：（1）膜蒸餾必需是疏水微孔膜；（2）膜兩側(cè)要有一定的溫度差存在，以提供傳質(zhì)所需的推動力。n膜蒸餾組件由疏水微孔膜分隔開的兩個半側(cè)(即進料側(cè)和透過側(cè))組成，料液流經(jīng)進料側(cè)直接與膜接觸，根據(jù)膜下游側(cè)冷凝方式不同，可分為四種不同結(jié)構(gòu)和不同操作方式：直接接觸膜蒸餾、氣隙式膜蒸餾、吹掃氣膜蒸餾和真空減壓膜蒸餾。熱側(cè)冷側(cè)微孔膜待濃縮液濃縮液出口冷卻水進口熱側(cè)減壓側(cè)真空泵微孔膜待濃縮液濃縮液（a）直接接觸膜蒸餾 (b) 真空減壓膜蒸餾圖7-1 膜蒸餾技術原理圖膜蒸餾過程及其原理7.1.2 膜蒸餾特征與優(yōu)缺點n1. “膜蒸餾”過程具有以下特征：（1）膜應為多孔的；（2）膜應不被所處理的液體所浸潤

5、(疏水膜)；（3）膜的孔隙中不應有毛細冷凝( Capillary Condensation)現(xiàn)象發(fā)生；（4）所用膜不能改變處理液各組份的汽-液平衡；（5）膜至少有一側(cè)與所處理液體直接接觸；（6）對每一種組份而言，此種膜過程的推動力為該組份在汽相中的分壓差；（7）“膜蒸餾”與傳統(tǒng)的蒸餾都以汽-液平衡為分離的基礎，它們都需要提供汽化潛熱以實現(xiàn)特征相變。2 膜蒸餾的主要優(yōu)點n膜蒸餾是一種各國正在研究的、相對新的分離過程。比起別的傳統(tǒng)分離過程，如蒸餾和反滲透，其成本低且節(jié)能。與其它較常用的分離過程相比，MD的優(yōu)點如下：n（1）比傳統(tǒng)的蒸餾操作溫度低，比傳統(tǒng)膜分離過程的操作壓力更低。膜蒸餾過程幾乎是在常

6、壓下進行，可避免蒸發(fā)濃縮時加熱到溶液沸點以上的高溫操作條件，又可避免反滲透技術中的高壓。是一種常壓、低溫、設備簡單、操作方便的新穎膜分離技術。n(2) 理論上能100%地分離離子、大分子、膠體、細胞和其它非揮發(fā)性物；對膜的機械性能要求較低。n(3) 減少了膜與處理液體之間的化學反應。MD另一優(yōu)于RO、UF和MF之處是膜在實際分離中所起作用最低。在MD中，膜只作為汽-液相界而的支撐，并不區(qū)分溶液化學成份，也不是起篩子的作用。因而，MD膜可以用耐化學品纖維作成，如可用聚四氟乙烯(PTFE) ，聚丙烯(PP)和聚偏氟乙烯(PVDF)。進而，MD中的膜淤塞問題較小，因為其孔相對大于RO或UF中的孔或擴

7、散通路，不易堵塞。常用的4種疏水性高分子微濾膜聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）等國內(nèi)有生產(chǎn)，并可購到膜與膜組件。n(4) 膜蒸餾過程中，只有水蒸汽能透過膜孔，蒸餾液純凈，不僅能得到達標排放的清水，而且由于其電導率和總固溶物質(zhì)量分數(shù)很低，可成為大規(guī)模、低成本制備超純水的有效手段。n(5) 可以處理濃度極高的水溶液，如果溶質(zhì)是容易結(jié)晶的物質(zhì)，可以把溶液濃縮到過飽和狀態(tài)而出現(xiàn)結(jié)晶，是目前唯一能從溶液中直接分離出結(jié)晶產(chǎn)物的膜過程。n(6)與傳統(tǒng)蒸餾過程相比，蒸汽空間減小。在MD中，傳統(tǒng)蒸餾塔所要求的大的氣體空間被微孔膜的孔體積取代，膜厚約為100um。傳統(tǒng)

8、蒸餾要求有高的氣速以提供完全的汽-液接觸，而MD則采用憎水微孔膜作為汽-液相界面。因而，MD過程所需設備更小，即可減少占地面積。3 膜蒸餾的弱點nMD也有一些局限，如：待處理的溶液必須是水溶液，且必須有足夠稀度以防浸潤憎水微孔膜。這限制了MD，僅能用于脫鹽(目前主要采用RO)、從廢水中除去痕量、揮發(fā)的有機化合物、濃縮離子、膠體、或其它相對不揮發(fā)的水溶液。 （1）膜蒸餾是一個有相變的膜過程，汽化潛熱降低了熱能的利用率，所以在組件的設計上必需考慮到潛熱的回收，以盡可能減少熱能的損耗，與其他膜過程相比，膜蒸餾在有廉價能源可利用的情況下才具有實用意義。（2）膜蒸餾與制備純水的其他膜過程相比通量較小，所

9、以目前尚未實現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中應用，如何提高膜蒸餾的通量也就成為一個重要的研究課題。（3）膜蒸餾采用疏水微孔膜，與親水膜相比在膜材料和制備工藝的選擇方面都十分有限。7.1.3 膜蒸餾主要應用領域n1. 溶液濃縮和回收 由于膜蒸餾可以處理極高濃度水溶液，在化學物質(zhì)水溶液濃縮方面具有很大潛力。例如對蔗糖糖漿的濃縮，可采用直接接觸式膜蒸餾，也可采用滲透膜蒸餾。 n2. 溶液的結(jié)晶 膜蒸餾-結(jié)晶可以把溶液濃縮到過飽和狀態(tài)，進而析出結(jié)晶，這是反滲透無法比擬的。 n3. 廢水處理 和其它膜分離過程一樣，膜蒸餾是環(huán)境友好的分離技術，在工業(yè)廢水處理方面具有很好的應用前景。 美內(nèi)華達大學開發(fā)太陽能驅(qū)動膜蒸餾系統(tǒng)用于

10、咸水淡化 7.1.4 膜蒸餾處理含碳酸鉀廢水初步研究n碳酸鉀是重要的基本無機原料之一，在生產(chǎn)光學玻璃、電焊條、電子管、電視機顯像管玻殼、印染、橡膠、油墨、醫(yī)藥、化肥合成氣脫碳、陶瓷、洗滌助劑和食品等領域有廣泛用途。n在多種工業(yè)和化工生產(chǎn)中，排放大量含碳酸鉀的有害廢液。若直接排放，將對周圍的土壤、水質(zhì)造成嚴重污染，并造成極大浪費。n例如，石油煉制過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品石油焦，含炭極高(高達85%95%)，芳香度大，灰分低，是生產(chǎn)活性炭的優(yōu)質(zhì)原料。用石油焦制備活性炭工藝中產(chǎn)生的廢水，含有15%20%的碳酸鉀。采用膜蒸餾技術將含碳酸鉀的有害廢液進行綜合治理，既能回收碳酸鉀，又能獲得達標排放的清水，其應用

11、前景和經(jīng)濟效益顯著。1 膜蒸餾實驗n膜蒸餾濃縮結(jié)晶含碳酸鉀廢水實驗，在四川大學的四川省過濾與分離重點實驗室進行。n實驗目的是探索膜蒸餾技術提濃與結(jié)晶碳酸鉀溶液的可行性。實驗用膜為寧波大學提供的聚四氟乙烯疏水微濾膜。實驗用含碳酸鉀廢水為四川成都六菱化工廠提供的以石油焦為原料制備活性炭新工藝中產(chǎn)生的含15%20%的碳酸鉀廢水。n實驗采用自制板式直接接觸式膜蒸餾器和真空減壓式膜蒸餾器，其中自制板式直接接觸膜蒸餾器結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。板式微濾膜滲透水和冷卻水出口冷卻水入口廢液進口濃縮結(jié)晶混合液出口液體腔滲透腔自制板式直接接觸膜蒸餾器示意圖 實驗裝置與流程n直接接觸式膜蒸餾試驗裝置與流程如圖所示。n儲液

12、罐中的碳酸鉀廢水進入加熱罐，通過泵打入板式膜蒸餾組件；與此同時，冷卻水罐中的冷卻水也通過泵打入膜組件的另一側(cè)，在膜兩側(cè)溶液蒸汽壓力差的推動下，水蒸汽透過膜而在冷側(cè)冷凝，使碳酸鉀廢水得到濃縮結(jié)晶。含碳酸鉀廢水進口儲液罐加熱罐板式蒸餾膜組件冷卻水罐泵泵進水溫度計溫度計壓力表濃縮結(jié)晶液直接接觸式膜蒸餾試驗裝置流程圖 表 膜蒸餾的處理能力及溫度數(shù)據(jù)蒸發(fā)液體積（ml）蒸發(fā)所用時間（min）單位面積的蒸發(fā)體積（L/m2h）溶液溫度（oC）1.810240oC9.2185.765oC6.2135.365oC12.4255.565oC3103.365oC697.475oC 8.2119.375oC8.1811

13、.380oC結(jié)果與討論 結(jié)果與討論 n分析表中數(shù)據(jù)可知，熱液溫度對蒸發(fā)通量影響較大，經(jīng)回歸分析可知，隨溫度增加，蒸發(fā)通量呈指數(shù)形式增加，其關系如圖所示。在熱液溫度6080 范圍 內(nèi) ， 蒸 發(fā) 強 度 為510L/m2h。熱液溫度與蒸發(fā)體積的關系 實驗裝置與流程n實驗用真空減壓方式濃縮結(jié)晶碳酸鉀溶液裝置與工藝流程如圖所示。n碳酸鉀廢水由儲液罐進入加熱罐，通過泵打入膜蒸餾組件的一側(cè)；膜的另一側(cè)接有冷凝器和氣液分離器，氣液分離器與真空泵相連，通過真空壓力表控制真空度。 含碳酸鉀廢水進口儲液罐加熱罐PTFE膜泵溫度計壓力表真空泵滲透液儲罐真空壓力表濃縮結(jié)晶液出口冷凝器氣液分離器滲透液儲罐出口真空減壓

14、式膜蒸餾工藝流程圖 真空減壓膜蒸餾試驗結(jié)果 n當原料液加熱溫度為4570 , 真空度0.07 MPa,連續(xù)操作16小時后，濃縮溶液中開始出現(xiàn)結(jié)晶。晶體的顯微照片如圖所示。n由圖可見，結(jié)晶效果較好，實現(xiàn)了膜蒸餾濃縮結(jié)晶碳酸鉀的過程。K2CO3晶體的顯微照片結(jié)論與展望n(1) 本研究首次實現(xiàn)了膜蒸餾濃縮結(jié)晶碳酸鉀廢水溶液，不但回收了重要的化工原料碳酸鉀，廢水溶液得以達標排放，既利用了資源又有利于環(huán)保，而且因透過液純凈度高，還可成為低成本制備純凈水、超純水的有效方法。n(2) 膜蒸餾技術用于濃縮結(jié)晶過程，目前尚處于試驗研究階段。實驗獲得的結(jié)晶粗大，效果良好，具有工業(yè)應用的可行性。n(3) 在溫度60

15、 80 范圍內(nèi)，其蒸發(fā)強度為510L/m2h。為達到工業(yè)應用要求，必須進一步提高蒸發(fā)強度。其措施可以為： 改進疏水膜結(jié)構(gòu)，以提高其開孔率和透過量，或者對高孔隙率膜進行疏水性改性，使之適合膜蒸餾過程。 消除膜器內(nèi)的濃差極化和溫差極化，減小膜污染，如在膜組件中增設溶液攪拌機構(gòu)等。n(4) 膜蒸餾是一項開發(fā)中的新型膜分離技術。與傳統(tǒng)蒸餾相比，它不需復雜的蒸餾系統(tǒng)，且能得到更純凈的餾出液；n與一般的蒸發(fā)過程比，它的單位體積的蒸發(fā)面積大；與反滲透比較，它對設備的要求低且受過程中溶液濃度變化的影響小。n而且，膜蒸餾過程能在常壓和幾乎常溫下操作，能利用工業(yè)余熱、地熱、太陽能等廉價能源。n因此，進一步深入研究

16、膜蒸餾技術處理含碳酸鉀廢水溶液，促使其實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，拓寬碳酸鉀的原料來源，對于今后我國碳酸鉀工業(yè)的發(fā)展以及環(huán)保和資源再利用等都具有重要意義。7-2 透析n7-2-1 透析的原理 n7-2-2 生物腎與人工腎 n7-2-3 透析膜的材料 n7-2-4 透析的應用 7-2-1 透析的原理n借助膜的擴散使各種溶質(zhì)得以分離的膜過程稱為透析(或滲析)。它是一種最原始的膜過程，1871年由TGraham為分離膠體與低分子溶質(zhì)所采用。最早用于透析的膜主要是羊皮紙、賽璐玢及火棉膠膜等。透析的原理n透析過程的簡單原理如圖所示，即中間以膜(虛線)相隔，A側(cè)通原液，B側(cè)通溶劑。如此，溶質(zhì)由A側(cè)根據(jù)擴散原理，而溶劑(水

17、)由B側(cè)根據(jù)滲透原理相互進行移動，一般低分子比高分子擴散得快。n透析的目的就是借助這種擴散速度的差，使A側(cè)二組分以上的溶質(zhì)得以分離。不過這里所說的不是溶劑和溶質(zhì)的分離(濃縮)，而是溶質(zhì)之間的分離。濃度差（化學位)是這種分離過程的唯一推動力。 n透析膜也是半透膜的一種，它是根據(jù)溶質(zhì)分子的大小和化學性質(zhì)的不同而具有不同透過速度的選擇性透過膜，通常用于分離水溶液中的溶質(zhì)。 n透析膜的主要應用目標是模擬人體腎臟進行血液的透析分離。膜的截留機理是由于水的膨潤作用使寄留于構(gòu)成膜的高分子鏈間的水分子以各種狀態(tài)(化合水、游離水等)存在，因而具有“孔眼”的功能。根據(jù)這種孔眼的大小，透析膜將按溶質(zhì)分子的大小顯示出

18、分級篩分的多孔膜特征。n從宏觀角度來看，透析膜的表征一般包括透過性（溶質(zhì)透過性和透水性）、機械強度、生物適應性、溶出物的有無及滅菌的難易等。n目前，各種透析膜組件和人工腎等均已商品化，國內(nèi)外市場上都有出售。 7-2-2 生物腎與人工腎 n一個健康人有左右兩個腎，其中大約有200萬個腎小球，它們每天約過濾180升的血漿，其中99%被腎小管再吸收。血漿里的K+，H+，NH4+ 等的鹽類、酚、對胺基馬尿酸，青霉素及四乙銨等對人體無用的有機物將從腎小管分泌出來，以尿的形式排出體外。再吸收主要是靠生物膜特有的主動傳遞進行的，其消耗的能量比較多，幾乎占生物所消耗的總氧量的8%。 細胞成分(45%) 白血球

19、紅血球血小板有機物 脂 質(zhì)(1)：卵磷脂，膽固醇等 蛋白質(zhì)(7%)：纖維素原，白蛋白，球蛋白糖 質(zhì)(0.1%)：葡萄糖等血漿(55%)廢物：尿素，肌酸內(nèi)酰胺，尿酸等血液無機鹽類(0.9%)：Na+，K+，Ca2+，Mg2+， Cl-，HCO3- 等水(91%)生物腎的主要功用n1)調(diào)節(jié)水、電解質(zhì)如水分、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、C1-、H2PO4- 、酸堿平衡(HCO3- ，PH)，滲透壓等；n2)排出蛋白質(zhì)代謝產(chǎn)物（如尿素、肌酸內(nèi)酰胺，尿酸等）；n3)排出藥物；n4)調(diào)節(jié)血壓；n5)調(diào)節(jié)紅血球數(shù)；n7)活化維生素D等。n當腎功能衰減或喪失時，由于代謝產(chǎn)物無法排出體外，造成血液成分比例

20、失調(diào)，將使病人患尿毒癥，嚴重時會危及生命此時必須用人工腎進行援救。分泌血液透析(例如人工腎進行的血液凈化法)是一種被動傳遞過程，對溶質(zhì)來說是以濃度差，對水來說以壓力差為推動力進行的傳遞。3.15晚會：堿性水無益健康 過度飲用對人體有害7-2-3 透析膜的材料 n迄今，適于做血液透析和過濾用膜的高分子材料有許多種，其中有一些已經(jīng)商品化。表7-2為根據(jù)聚合物型式分類的透析膜材料。在這些聚合物中包括由疏水性的聚丙烯腈、聚酰胺及聚甲基丙烯酸甲酯到親水性的纖維素、聚乙烯及聚乙烯醇等多種多樣。 表7-2據(jù)醫(yī)藥網(wǎng)2010年1月18日訊1月7日，在國家藥監(jiān)局醫(yī)療器械準產(chǎn)批件發(fā)布通知中，成都歐賽醫(yī)療器械有限公司

21、“高通量聚醚砜中空纖維膜血液透析器”獲頒“準06-0496”號批件。由成都歐賽和四川大學共同研發(fā)的“OCI聚醚砜中空纖維膜血液透析器”作為2006年立項的國家級創(chuàng)新基金項目，于2006年3月26日由中國科學院院士、淅江大學材料與化學工程學院高分子化學家沈家驄教授等8位專家組成的專家委員會進行了科技成果鑒定，并認為將聚醚砜高分子材料用于醫(yī)療器械在國內(nèi)乃至國外尚屬首次，該項目達到國內(nèi)領先、國際同類技術水平。充分肯定了項目的市場發(fā)展前景及所帶來的降低醫(yī)療成本等社會效益。成都歐賽專業(yè)生產(chǎn)包括治療用聚醚砜中空纖維膜血液濾過器、治療用聚醚砜中空纖維膜血液透析器，人工炭腎以及相關的醫(yī)療器械產(chǎn)品。產(chǎn)品從紡制生

22、產(chǎn)中空纖維膜到組裝灌封和檢測產(chǎn)品，各生產(chǎn)工序均由公司獨立完成自主生產(chǎn)。2009年3月，公司獲得一次性使用高通量聚醚砜中空纖維膜血液透析器的產(chǎn)品注冊證。歐賽獲高通量中空纖維膜血液透析器批件7-2-4 透析的應用 n目前透析最主要的用途是血液透析。在血液透析中，膜用做腎功能衰竭患者的人工腎。透析膜能完全替代腎，以除去有毒的低分子量組分，如尿素、肌酸酐、磷酸鹽和尿酸。該過程中血液被泵激通過透析器。所用透析器一般為由以上所提到的某種材料制成的中空纖維膜器。對膜材料的最主要的要求就是血液相容性。在進入膜器之前，血液中需加入一種抗凝劑，即肝素。除了有毒組分外，無毒的十分重要的低分子量溶質(zhì)也會擴散通過膜，例

23、如純水為第二相，則鈉、鉀等電解質(zhì)就會以這種方式擴散。由于電解質(zhì)平衡是非常重要的，所以使用生理鹽水作為透析液，這樣就不存在這些離子傳遞的推動力。 n多孔膜也用于從血液中除去代謝廢物。該過程稱為血液過濾，它采用的是超濾膜。血液透析和血液過濾二者存在著本質(zhì)差別，前者是基于擴散而后者是基于對流。由于血液過濾的流動速度很高，所以必須十分小心以防止患者脫水。n其他的較重要的應用包括在粘膠生產(chǎn)中從膠質(zhì)半纖維素中回收苛性鈉及從啤酒中除去醇。此外還可用于生物及制藥行業(yè)中生物產(chǎn)品的脫鹽和分鎦脫鹽。 表7-3 透析小結(jié)威海威高集團研制出新的透析器7-3電滲析n7-3-1 電滲析的基本原理 n7-3-2 離子交換膜

24、n7-3-3 電滲析的應用 n7-3-4 電滲析未來發(fā)展前景 7-3-1 電滲析的基本原理n電滲析是膜分離技術的一種，它是在直流電場的作用下以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來，從而實現(xiàn)溶液的淡化、濃縮、精制或純化的目的。n離子交換膜(ion exchange membrane)是電滲析器的主要部件，有“電滲析的心臟”之稱。它是一種由高分子材料制成的具有離子交換基團的薄膜。在這里，離子交換膜的作用并不是起離子交換的作用，而是起著離子選擇透過的作用，所以更確切地說應稱之為“離子選擇性透過膜”。 n對電滲析基本概念的研究是從19世紀50年代開始的，1854年Gra

25、ham發(fā)現(xiàn)了滲析現(xiàn)象；而電滲析技術是20世紀50年代發(fā)展起來的一項水處理新技術。由于其操作簡便，運行可靠，效率高，占地面積小，適合于規(guī)模不等的工業(yè)水處理。 7-3-2 離子交換膜n在直流電場的作用下，以電位差為動力，離子透過選擇性離子交換膜而遷移，從而使電解質(zhì)離子自溶液中部分分離出來的過程稱為電滲析膜技術。電滲析膜技術的關鍵是要采用離子交換膜，它是具有離子交換基團的網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)的高分子膜，離子可以選擇性地透過膜。 n1. 電滲析的基本原理 n2. 離子交換膜的分離原理 1. 電滲析的基本原理n 接通直流電源后，在直流電場的作用下，中間隔室中的陽離子就不斷穿過陽膜遷移到陰極室，陰離子則不斷穿過陰

26、膜遷移到陽極室。由于離于交換膜對通過的離子具有選擇性，因此陽極室中的陽離子不能通過陰膜向陰極室遷移；同樣，陰極室中的陽離子也不能通過陽膜向陽極室遷移。結(jié)果使中間隔室內(nèi)溶液中離子的含量越來越少，最后可得到符合要求的淡水，n一般稱該室為脫鹽室（或淡水室）；而在兩端極室中，由于離子的遷入，濃度逐漸升高為濃水，一般稱該室為濃縮室(或濃水室)。 圖7-12電滲析除鹽應具備兩個基本條件：n(a) 直流電場的作用，水中離子是帶電的，在直流電場中陰、陽離子作定向遷移，陰離子移向陽極，陽離子移向陰極；n(b) 具有選擇透過性的離子交換膜，陰膜只允許水中陰離子通過而阻擋陽離子，相反陽膜則只允許陽離子通過而阻擋陰離

27、子，從而達到使溶液中的離子做反離子遷移。 2. 離子交換膜的分離原理n 離子交換膜是一種由高分子材料制成的具有離子交換基團的薄膜。其所以具有選擇透過性，主要是由于膜上孔隙和膜上離子基團的作用。n 膜上孔隙的作用是，在膜的高分子鍵之間有一足夠大的孔隙，以容納離子的進出和通過。這一些孔隙從正面看是直徑為幾十埃(A)到幾百埃(A)的微孔，從膜側(cè)面看，是一根根曲曲彎彎的通道。由于通道是迂回曲折的，所以其長度要比膜的厚度大得多。這就是離子通過膜的大門和通道，水中離子就是在這一些迂回曲折的通道中作電遷移運動，由膜的一側(cè)進入另一側(cè)。圖7-14n膜上離子基團的作用是，在膜的高分子鏈上，連接著一些可以發(fā)生解離作

28、用的活性基團。凡是在高分子鏈上連接的是酸性活性基團(例如-SO3H)的膜，稱之為陽膜；凡是在高分子鏈上連接的是堿性活性基團例如-N(CH)3OH的膜，稱之為陰膜。 圖7-14n 離子交換膜的作用并不是起離子交換作用，而是起離子選擇透過的作用。所以更確切地說，應稱之為“離子選擇性透過膜”。n 在電滲析過程中，能量主要消耗于克服電流通過時所受阻力和電極反應兩方面。電極反應雖然不能產(chǎn)生淡水，但為使電流不斷通過電滲析器，電極反應是不可免的。為了降低這部分反應所消耗的能量，在實際應用中可采用裝有成百對陰、陽離子交換膜的多層式電滲析器。 離子交換膜 n 離子交換膜又稱離子選擇性透過膜或半透膜它是電滲析裝置

29、的關鍵部件。所以，膜的科學技術的發(fā)展對電滲析技術的發(fā)展具有決定意義。 n1離子交換膜的組成n2離子交換膜的分類 n3離子交換膜的性能要求 1離子交換膜的組成n離子交換膜是一種含有活性離子交換基團的高分子薄膜。從結(jié)構(gòu)上分析，其化學組成與離子交換樹脂基本相同，組成大致為： 活動部分 唐納滲透離子 溶劑（如水）增強材料(保證膜的強度和尺寸穩(wěn)定性) 固定部分 離子交換基團（固定荷電基團）高分子骨架結(jié)構(gòu)（基膜）離子交換膜膜的主體 反離子n典型的黏合劑是具有熱塑性的高分子聚合物，通常是線性的聚烯烴及其衍生物，如高壓聚乙烯、聚丙烯等；也可用可溶于溶劑的聚合物，如聚氯乙烯、過氯乙烯、聚乙烯醇等。黏合劑的主要作

30、用是使離子交換樹脂或交換劑均勻地分散在其中，以便于加工成型。n常用的增柔劑是天然橡膠和合成橡膠，增柔劑的作用是增加膜的柔韌性以及便于加工成型。n在制膜過程中也加入少量潤滑劑，如硬脂酸鈣，能同時起到穩(wěn)定劑和脫膜劑的作用。n抗氧化劑是為了防止黏合劑或增柔劑在混煉時被氧化破壞。n添加引發(fā)劑的作用是使制膜過程中的某些化學反應更容易進行，常用的引發(fā)劑是過氧化苯甲酰。 2離子交換膜的分類n1）按膜體宏觀結(jié)構(gòu)分類 n2）按膜機能分類 n3）按材料性質(zhì)分類 1）按膜體宏觀結(jié)構(gòu)分類n（1）非勻相(異相)離子交換膜 通常是指由離子交換樹脂的細粉末和起粘合作用的高分子材料經(jīng)加工制成的離子交換膜。 n（2）均相離子交

31、換膜 均相離子交換膜是由具有離子交換基團的高分子材料直接制成的連續(xù)膜，或是在高分子膜基上直接接上活性基團而成的。 n（3）半均相離子交換膜 這種膜中成膜的高分子材料與離子交換基團組合得十分均勻，但它們之間并沒有形成化學結(jié)合；由于它的外觀、結(jié)構(gòu)和性能都介于異相膜和均相膜之間，所以稱為半均相膜。 2）按膜機能分類 n（1）陽離子交換膜 簡稱陽膜，膜體中含有帶負電的酸性活性基團，因此它能選擇透過陽離子，而陰離子不能透過。 n（2）陰離子交換膜 簡稱陰膜，膜體中含有帶正電的酸性活性基團，因此它能選擇透過陰離子，而陽離子不能透過。 n（3）特種膜 （3）特種膜 n近年來，為了適應各種特殊需要發(fā)展了許多特

32、種膜，如正、負離子活性基團在一張膜內(nèi)均勻分布的兩性離子交換膜(兩性膜)；帶正電荷的膜與帶負電荷的膜兩張貼在一起的復合離子交換膜(也叫雙極膜)；部分正電荷與部分負電荷并列存在于膜的厚度方向上的鑲嵌離子交換膜；在陽膜或陰膜表面上再涂上一層陽離子或陰離子交換膜的表面涂層膜；作為電解槽隔膜的多孔膜；螯合離子交換膜；抗氧化膜；抗污染膜。此外，還有耐酸堿型的離子交換膜，如各種含氟材料離子交換膜，具有耐無機強酸的腐蝕、耐氧化、耐高溫、機械強度大等特點。這些膜大都處于研究階段，現(xiàn)在電滲析中起作用的還是陰、陽離子交換膜。 3）按材料性質(zhì)分類 n（1）有機離子交換膜 各種高分子材料合成的膜，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯

33、乙烯、聚砜、聚醚以及含氟高聚物離子交換膜等均屬此類。目前使用最多的磺酸型陽離子交換膜和季銨型陰離子交換膜都屬于這類膜。 n（2）無機離子交換膜 無機離子交換膜則具有耐高溫、抗氧化、抗放射線、抗化學腐蝕以及抗有機污染等優(yōu)異性能，從而被用做燃料電池隔膜。無機離子交換膜是用無機材料制成的，常用的離子交換劑有磷酸鋯、礬酸鹽等。無機離子交換膜是在特殊場合使用的新型膜。 3離子交換膜的性能要求 7-3-3 電滲析的應用n滲析技術是新興的膜法分離工程技術之一，受到日本及歐美的充分重視，屬當代高新技術的范疇。在世界范圍內(nèi)，除在水處理行業(yè)已經(jīng)成熟應用外，在食品、醫(yī)藥等工業(yè)領域中也日益發(fā)展并建立起了電滲析膜工藝。目前，電滲析技術已發(fā)展成一個大規(guī)模的化工單元過程，在膜分離領域中占有重要地位；廣泛用于苦咸水脫鹽，并已在某