膜技術(shù)處理工業(yè)給水

1、5.1 幾種膜分離技術(shù)簡介 膜分離法：是指在某種推動力作用下,利用特定膜的透過性能,達(dá)到分離水中離子或分子以及某些微粒的方法的統(tǒng)稱。溶劑透過膜的過程稱為滲透，溶質(zhì)透過膜的過程稱為滲析。 1.電滲析（ED）：在外加電場的作用下，利用陰、陽離子交換膜對陰、陽的選擇透性，把電解質(zhì)從水溶液中分離出來的膜分離技術(shù)。 2. 滲析（D）：是由于膜兩側(cè)有濃度差，使水中的溶質(zhì)透過膜分離的技術(shù)。膜技術(shù)處理工業(yè)給水 3. 滲透：由于膜兩側(cè)有濃度差，使溶劑（如水）透過膜分離的技術(shù)。(溶質(zhì)不發(fā)生遷移)4. 反滲透（RO）：膜兩側(cè)有濃度差，在濃度高的一側(cè)施加一定的壓力，使溶劑（如水）透過膜而純化或濃縮的膜分離技術(shù)。5.

2、微濾（MF）：膜兩側(cè)有濃度差，在濃度高的一側(cè)施加一定壓力，截留水中的細(xì)菌、粘土等微粒的技術(shù)。6. 超濾（UF）：膜兩側(cè)有濃度差，在濃度高的一側(cè)施加一定壓力，截留水中的大分子以及細(xì)菌、病毒、膠體等微粒的技術(shù)。分離粒徑范圍：微濾超濾納濾反滲透表 幾種主要膜分離法的特點 2022/7/93膜分離技術(shù)的共同特點 膜分離過程不發(fā)生相變，因此能量轉(zhuǎn)化的效率高。例如在現(xiàn)在的各種海水淡化方法中，反滲透法能耗最低。 膜分離過程在常溫下進(jìn)行，因而特別適于對熱敏性物料，如對果汁、酶、藥物等的分離、分級和濃縮。 裝置簡單，操作容易，易控制、維修，且分離效率高。 作為一種新型的水處理方法，與常規(guī)水處理方法相比，具有占地

3、面積小、適用范圍廣、處理效率高等特點。2022/7/945.2 離子交換膜概述一、離子交換膜的物理化學(xué)性質(zhì)（一）離子交換膜的一般概念及其使用特點 1. 基本概念和使用特點 離子交換膜是指本體結(jié)構(gòu)中具有連續(xù)交換基團(tuán)的薄片，屬于高分子電解質(zhì)材料。 2022/7/95 在膜中有二部分離子：固定離子與本體（高分子單體R）相連；活動離子與固定離子電荷相等、電性相反的。 與固定離子電性相同的離子稱為同離子，與活動離子電性相同的離子稱為平衡離子。 離子交換膜對溶液中離子具有選擇透過性能，起到離子篩的作用：H+H+H+H+H+H+H+離子交換膜本體磺酸型離子交換膜結(jié)構(gòu)NO3-為同離子，Na+為平衡離子2022

4、/7/962. 離子交換膜與離子交換樹脂對比 離子選擇性膜與離子交換樹脂有一些共同點（1）離子交換膜從化學(xué)組成來說，與離子交換樹脂幾乎相同，都屬于高分子電解質(zhì)。（2）兩者都可用于去除水中的各種離子，達(dá)到除鹽或軟化水的目的2022/7/97離子選擇性膜與離子交換樹脂有很大差別 粒狀離子交換樹脂的作用機理是樹脂和溶液中的離子之間進(jìn)行交換，即離子交換是它的主要機理； 離子交換膜的行為是對溶液中的離子具有選擇透過的特性，即離子選擇透過是它的主要機理。2022/7/98離子交換膜與離子交換樹脂比較類 別離子交換樹脂離子交換膜外形特點小球粒狀（12mm）膜片狀凈化水方式使水中同電荷離子進(jìn)入本體水中平衡離子

5、通過本體反應(yīng)機理離子交換反應(yīng)離子選擇透過外界條件水溶液中水溶液中且有外加直流電場反應(yīng)條件樹脂有足夠的交換容量膜有良好的選擇透過性能處理效果水中目標(biāo)離子被去除，樹脂中的離子進(jìn)入水中水中目標(biāo)離子通過膜發(fā)生定向遷移。2022/7/99 3. 離子交換膜分類按離子交換膜膜體結(jié)構(gòu)不同可分有： 非均相離子交換膜、半均相離子交換膜和均相離子交換膜。按離子交換膜的活性基團(tuán)可分為： 陽離子交換膜、陰離子交換膜、特種性能離子交換膜。按膜的應(yīng)用則可分有： 電滲析濃縮用膜、電滲析脫鹽用膜、電解隔膜、特定離子選擇透過膜、擴散滲析用膜和反滲透用膜等。2022/7/910 陽離子交換膜（陽膜）陽膜與陽離子交換樹脂一樣，帶有

6、陽離子交換基團(tuán)，它能選擇性透過陽離子而不讓陰離子透過。按交換基團(tuán)離解度的強弱，分為強酸性和弱酸性陽膜。酸性活性基團(tuán)主要有：磺酸基(SO3H)、磷酸基(PO3H2)、膦酸基(OPO3H)、羧酸基(COOH) 等。陰離子交換膜膜（陰膜）膜體中含有帶正電荷的堿性活性基團(tuán)，它能選擇性透過陰離子而不讓陽離子透過。按其交換基團(tuán)離解度的強弱，分為強堿性和弱堿性陰膜。堿性活性基團(tuán)主要有：季胺基N(CH3)2OH、伯胺基(NH2)、仲胺基(NHR)、叔胺基(NR2)等。特種膜：這類膜包括兩極膜、兩性膜、表面涂層膜等具有特種性能的離子交換膜。 目前所采用的陽膜有聚苯乙烯磺酸型陽離子交換膜，陰膜有聚苯乙烯季胺型陰離

7、子交換膜。離子交換膜又被稱作離子選擇透過性膜。2022/7/911二、離子交換膜的物理化學(xué)性能1. 膜的電化學(xué)性能 膜的電化學(xué)性能是衡量膜好壞的最為重要的一項指標(biāo)，關(guān)系到膜使用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。（1） 膜的選擇透過率 膜的選擇透過率是指膜對不同離子的選擇透過能力，一般用離子在膜中的遷移數(shù)來表示。膜的選擇透過性能不可能達(dá)到100。膜的選擇透過性用膜的選擇透過率P表示。2022/7/912 t離子在膜中的遷移數(shù)，通電時某種離子（如陽離子）在膜中所遷移的電量與所有離子在膜中遷移的電量的比值。 t離子在溶液中的遷移數(shù)，通電時某種離子（如陽離子）在溶液中所遷移的電量與所有離子在膜中遷移的電量的比值。 式中

8、是ti離子在理想膜中的遷移數(shù)，ti=1。ti取膜兩側(cè)溶液平均濃度下的遷移數(shù)。 Pi=(t-t)/(1-t)*100% 膜的選擇透過度Pi定義為:i離子在膜中遷移數(shù)的增加值與該離子在理想膜中的遷移數(shù)的增加值之比。2022/7/913測定膜的遷移數(shù)方法：膜電位法 將膜夾在兩種不同濃度的同類電解質(zhì)中，測定其膜電位，并由膜電位計算遷移數(shù)。外加直流電場法 在外加直流電場下，在電滲槽中直接測定膜的遷移數(shù)。2022/7/914（2）膜的導(dǎo)電性能（即膜電阻） 離子交換膜為高分子導(dǎo)電材料。膜的導(dǎo)電性取決于膜的結(jié)構(gòu)及膜的厚度。膜的導(dǎo)電性一般以膜的比電導(dǎo)歐姆1厘米1（1cm1） 或單位面積的電阻歐姆厘米2（cm2）

9、 來表示。（3）電解質(zhì)的擴散和水的滲透 電解質(zhì)將從高濃度向低濃度溶液擴散，水則向相反方向滲透。水的滲透與電解質(zhì)溶液和膜的空隙結(jié)構(gòu)疏密程度有關(guān)。擴散和滲透使稀溶液側(cè)濃度提高，濃溶液側(cè)濃度減少。2022/7/915（4）水的電滲透 離子常以水合狀態(tài)存在，當(dāng)其在離子交換膜內(nèi)遷移時，同時發(fā)生水的移動（叫做水的電滲透）。 水的電滲透現(xiàn)象受膜的電阻率支配。電阻率小的膜，水的電滲透有增大傾向。由于外液濃度的上升相反地水的電滲透還有減少的傾向，所以，當(dāng)要由電滲析濃縮獲得高濃度電解質(zhì)時，電滲透的水量具有重要的影響。2022/7/9162. 膜的化學(xué)性能 膜的化學(xué)性能一般指膜的耐酸堿、耐溶劑、耐輻射、耐高溫、耐有

10、機污染等性能, 用膜的化學(xué)穩(wěn)定性表示。 一般要求使用一至數(shù)年。因而要求膜在各方面的化學(xué)穩(wěn)定性都好。2022/7/9173. 膜的物理機械性能 1）膜的機械強度 一般要求1kg/cm2 以上的爆破強度，以承受工作時所受的壓力差。 也要求膜具有相當(dāng)?shù)娜崆阅埽苑澜M裝時被損壞。 膜的機械強度取決于膜本體的化學(xué)結(jié)構(gòu)、增強材料性能以及粘合度。2）膜的膨脹性能 一般通過膜的交聯(lián)結(jié)構(gòu)和增強工藝以控制膜的膨脹性能，使膜具有良好的尺寸穩(wěn)定性。 這是因為如果膜的膨脹性太大，就容易發(fā)生膜的彎曲和收縮，影響膜的使用和裝置拆除后的重新組裝。2022/7/918（3）膜的厚度 膜不能太薄，要求具有一定的厚度及彈性，以利

11、于電滲析、滲析器的組裝，保證不發(fā)生內(nèi)、外漏現(xiàn)象。（4）膜的平整度 指膜表面要平整、光滑，不能有皺紋或波浪起伏，否則會直接影響到電滲析設(shè)備、滲析設(shè)備的組裝及密封性能，并由此引起設(shè)備的內(nèi)漏、外漏現(xiàn)象。2022/7/919三、適于工業(yè)用離子交換膜所必須具備的條件：（1）應(yīng)具有高度的離子選擇透過性 膜的選擇透過性本身大體上就代表了電流效率的高低。選擇透性愈高，裝置效率就愈高。（2）應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性 膜電阻是決定電滲析設(shè)備耗電量的重要因素。膜導(dǎo)性差時，電滲析過程中由于膜電位降將帶來不必要的電耗。（3）水的遷移量要小 在電滲析過程中，由于水的遷移（包括電滲透和滲透的量）往往對濃縮液的濃度和淡化時淡水產(chǎn)量

12、等有較大的影響。2022/7/920（4）應(yīng)具有較好的物理機械性能 要求膜具有一定的強度和柔曲性能，不怕折疊，尺寸要穩(wěn)定，不隨外界溶液的變化而過分的膨脹、收縮，要經(jīng)得住使用條件的變化而保持較高的尺寸穩(wěn)定性。如果膜強度過低，不僅會給設(shè)備添加種種限制，而且會在裝配或使用過程引起膜的破損。膜尺寸穩(wěn)定性差，便會導(dǎo)致膜變形和隨之而來的液流堵塞等障礙。（5）膜的均勻性要好（6）應(yīng)該具有耐有機污染的能力（7）價格低廉（8）具有某些特殊性能2022/7/921（9）應(yīng)具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性 離子交換膜除在中性溶液中使用外，還經(jīng)常在酸性、堿性或氧化還原介質(zhì)中使用，有時還要較高溫度下使用。因此，離子交換膜要經(jīng)受酸堿

13、、氧化破壞作用、高溫破壞作用，有時是這些因素綜合作用的影響。所以，要求膜的化學(xué)穩(wěn)定性高，在實用中有較長的奉命。 綜上所述，對膜的要求很多。但一張膜要同時兼有這些性能在實際上是不可能的；而且有些性能是互相矛盾和互相制約的。只能根據(jù)不同的用途，作出相應(yīng)的選擇，以保證對膜的主要性能的要求，同時適當(dāng)兼顧膜的其他各項性能。2022/7/922一、電滲析脫鹽的基本原理 電滲析器的脫鹽，主要基于含鹽水在陰陽離子交換膜和隔板組成的電滲析槽中流過時，在直流電場的作用下，發(fā)生離子遷移，陰陽離子分別通過陰陽離子交換膜，從而達(dá)到除鹽的目的。5.3 電滲析脫鹽的理論基礎(chǔ)空隙作用磺酸型陽膜的空隙結(jié)構(gòu)作用靜電作用和擴散作用

14、離子交換膜的選擇透過性2022/7/924 陽離子交換膜帶有負(fù)電荷（如SO3- ），空隙中構(gòu)成負(fù)電場，可以允許帶正電荷的離子（如Na+ ）進(jìn)入和穿過。由于同性相斥的原理，則帶有負(fù)電荷的離子（如Cl ）不能通過。 陰離子交換膜帶有正電荷（如CH2N ），在孔隙中構(gòu)成正電場，排斥帶有正電荷的離子（如Na+ ），而允許帶負(fù)電荷的離子（如Cl ）透過。 在電場作用下，陽離子向陰極運動，陰離子向陽極運動，如果一個隔室陽極的一側(cè)為陽膜，陰極的一側(cè)為陰膜，則陰陽離子受離子交換膜同電性基團(tuán)的排斥，不能穿過交換膜。這樣，電滲析器的一半隔室變成脫鹽水，另一半隔室則變成濃縮水，從而達(dá)到脫鹽目的。2022/7/925

15、2022/7/926 當(dāng)原水進(jìn)入這些小室時，在直流電場的作用下，溶液中的離子作定向遷移。陽離子向陰極遷移，陰離子向陽極遷移。但由于離子交換膜具有選擇透過性，結(jié)果使一些小室離子濃度降低而成為淡水室，與淡水室相鄰的小室則因富集了大量離子而成為濃水室。從淡水室和濃水室分別得到淡水和濃水。原水中的離子得到了分離和濃縮，水便得到了凈化。 在電滲析過程中，除了上述離子電遷移和電極反應(yīng)兩個主要過程以外，同時還發(fā)生一些列次要過程。2022/7/927二、 電滲析過程的幾個物理化學(xué)基本概念1.電極反應(yīng) 在電滲析過程中，在電極和溶液的界面上，通過氧化與還原反應(yīng)，發(fā)生電子與離子之間的轉(zhuǎn)換，即電極反應(yīng)。 以氯化鈉溶液

16、為例，在陰極發(fā)生還原反應(yīng) 在陽極發(fā)生氧反應(yīng)為或2022/7/928通過上述電極反應(yīng)，應(yīng)注意的一些現(xiàn)象 在陰極不斷排出氫氣，在陽極則有氧氣或氯氣放出； 陰極極室溶液呈堿性，水中含有Ca2+、Mg2+、HCO3-離子使，會在陰極上產(chǎn)生CaCO3和Mg(OH)2水垢； 陽極極室溶液呈酸性，對電極材料造成強烈腐蝕，要定期更換。 電滲析中的電能主要用于克服電流通過溶液、膜時所受的阻力以及進(jìn)行電極反應(yīng)。2022/7/929.離子的淌度 在電場作用下，溶液中的陰離子向陽極運動，陽離子向陰極運動，其運動速度除與離子的本性和溶劑性質(zhì)（粘度等）有關(guān)以外，還與電位梯度V有關(guān)。 電位梯度為1伏特/厘米時的離子運動速度

17、為離子的淌度或離子的絕對速度。20.5104 8.27104 7.91104 7.40104 4.61104 OH SO42 Cl NO3 HCO3 36.2104 7.61104 5.19104 H K Na u （厘米/秒）陰離子u （厘米/秒）陽離子常見離子的淌度注:25C條件下2022/7/930.法拉第定律和電能效率 在電極上析出1克當(dāng)量的電解質(zhì)時，需要的電量為96500庫侖，為法拉第常數(shù)，也叫電化當(dāng)量，這個定律稱法拉第定律。 電滲析主要通過消耗電能來達(dá)到脫鹽的目的，電能的消耗主要用來克服電流通過溶液、膜時所受到的阻力以及進(jìn)行電極反應(yīng)，其能耗指標(biāo)就用電能效率表示。 電能效率理論電量

18、實際電量 100%2022/7/931三、電滲析過程中幾個遷移過程及其不利影響 1.反離子遷移 與離子交換膜交換基團(tuán)所帶的電荷相反的離子，穿過膜的現(xiàn)象，稱為反離子遷移。反離子遷移是由于電滲透的結(jié)果，這是電滲析的發(fā)生的主要過程。這個過程也會由于水合離子的反離子遷移帶走一部分水，影響淡水的產(chǎn)量。2022/7/9322. 同名離子遷移 指與離子交換膜交換基團(tuán)所帶的電荷相同的離子穿過膜的現(xiàn)象，稱同名離子遷移。同名離子遷移的數(shù)量不太多，一方面帶走一定數(shù)量的水，另一方面影響淡水的水質(zhì)。陰膜 陽膜2022/7/9333.電解質(zhì)擴散 由于濃水室與淡水室的濃度差，產(chǎn)生電解質(zhì)的擴散。電解質(zhì)擴散的速度隨濃差的增高而

19、增加，這種擴散也帶有一定的水。陰膜 陽膜電解質(zhì)濃差擴散2022/7/9344. 水的滲透 由于淡水室中水的濃度高于濃水室水的濃度，而產(chǎn)生水的遷移。5. 壓差滲漏 由于淡水室與濃水室兩側(cè)壓力（如膜兩側(cè)進(jìn)水壓力不同）的不同而產(chǎn)生的機械滲漏。一般由壓力高的一側(cè)漏向壓力低的一側(cè)。2022/7/9352022/7/936四、電滲析對離子交換膜性能的要求（1）必須具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，有較強的耐酸、堿性和抗氧化性，必要的機械嚴(yán)密性和機械強度。（2）對離子的選擇性要高，對同名離子的穿過率必須很小，對反離子的穿過能力必須很高，可提高脫鹽效率。（3）膜電阻小，導(dǎo)電能力就高，則電能效率就會提高。（4）對電解質(zhì)的擴

20、散系數(shù)D值應(yīng)很小，即濃差擴散速度應(yīng)很小，則水質(zhì)就好。（5）水的滲透性要小。包括水的滲透和水的電滲透，水的滲透性小，產(chǎn)出的淡水量就越多。2022/7/937作業(yè)：1. 離子交換膜和離子交換樹脂的相同點和不同之處。2. 簡述電滲析脫鹽的基本原理。3. 電滲析對離子交換膜性能的要求。2022/7/938本節(jié)課重點： 膜分離技術(shù)的概念；不同膜分離技術(shù)的區(qū)別；離子交換膜的基本概念及使用特點；離子交換膜與離子交換樹脂的對比；離子交換膜分類（按交換膜膜體結(jié)構(gòu)分；按離子交換膜作用分）；離子交換膜的物理化學(xué)性能（膜的選擇透過性的概念及測定方法；膜的機械性能的決定因素；適用于工業(yè)用離子交換膜所必須具備的條件；電滲

21、析脫鹽的基本原理；電滲析過程中的電極反應(yīng)；離子的淌度；法拉第定律和電能效率；電滲析過程中幾個遷移過程及其不利影響；電滲析對離子交換膜性能的要求。2022/7/939 5.4 電滲析器的構(gòu)造和組裝一、電滲析器的構(gòu)造 用夾緊板緊固在一起的膜堆部分稱為電滲析器。電滲器的結(jié)構(gòu)包括壓板、電極托板、電極、極框、陰膜、陽膜、濃水隔板、淡水隔板等部件。將這些部件按一定順序組裝并壓緊，組一定形式的電滲析器。整體結(jié)構(gòu)可分為膜堆、極區(qū)和緊固裝置等3大部分。2022/7/940陽膜陰膜陰極陰膜2022/7/9411. 膜堆 陰、陽膜和一對濃、淡水隔板交替排列，組成最基本的脫鹽單元，稱為膜對。電極之間由若干組膜對堆疊一

22、起即為膜堆。 用于隔開陰、陽膜之間的隔板由隔板框和隔網(wǎng)組成。其上有配水孔、布水槽、流水道以及攪動水流用的隔網(wǎng)。常用的隔網(wǎng)有魚鱗網(wǎng)、編織網(wǎng)等形式。2. 極區(qū) 極區(qū)由電極、極水室、導(dǎo)水板等組成。 （1）電極 工業(yè)上所用的電極材料要求： 導(dǎo)電性能好、機械強度高、對所處理溶液的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性好、分解電壓低、超電壓小、取材資源廣、加工方便、價格便宜。 電極的形狀有： 絲狀、網(wǎng)狀和平板狀等多種。 電極一般都鑲嵌在導(dǎo)水板中，通常簡稱為電極板。 電極材料有： 石墨、鉛、不銹鋼、鈦涂釕（或鈦涂鉑）、鉛銀合金和鈦涂過氧化鉛（ PbO2 ）等。 2022/7/943（2） 極水室 直接與電極相接觸的隔室稱為極水

23、室。極水室是由供極水流動的隔板構(gòu)成,對極水室的要求是極水暢通,并能及時排去電極反應(yīng)產(chǎn)生的氣體和沉淀物,這也是電滲析過程進(jìn)行的必要條件。（3） 導(dǎo)水板 導(dǎo)水板是作引入和導(dǎo)出濃、淡水之用，也可作引入和導(dǎo)出極水用。導(dǎo)水板分兩種：一種是裝在電滲析器兩端的端導(dǎo)水板；另一種是多極多端組裝中的中間導(dǎo)水板。2022/7/9443. 壓緊裝置 壓緊裝置用來把整個極區(qū)與膜堆均勻夾緊，使電滲析器在壓力下運行時不致漏水。壓緊裝置主要由槽鋼加強的鋼板制成，緊固時四周用螺絲擰緊。2022/7/945二、電滲析器的組裝方式 電滲析的組裝方式常用“級”和“段”來說明。一對電極之間的膜堆為一級，具有同向水流的并聯(lián)膜堆稱為一段。

24、增加段數(shù)等于增加脫鹽流程，可提高脫鹽效率；增加級數(shù)，則可提高水處理量。 一臺電滲析器的組裝方式常有如下四種方式：一級一段；多級一段；一級多段；多級多段。2022/7/946 一級一段是一臺電滲析器的基本組裝方式，可采用多臺并聯(lián)的方式來增加水量；也可采用多臺串聯(lián)來增加脫鹽效率。對于小水量，可以采用一級多段組裝方式。一級一段 二級一段 一級二段 二級二段2022/7/947三、電滲析器除鹽工藝系統(tǒng)（一）電滲析器本體的除鹽工藝系統(tǒng) 1. 直流式除鹽工藝系統(tǒng) 原水流經(jīng)一臺或多臺串聯(lián)的電滲析器后，即能達(dá)到要求的水質(zhì)。這種工藝的優(yōu)點是可連續(xù)制水，管道簡單；缺點是定型設(shè)備的出水水質(zhì)隨原水含鹽量而變。2022

25、/7/948 2. 循環(huán)式除鹽工藝系統(tǒng) 將原水在電滲析器和水箱中多次循環(huán)，以達(dá)到所需出水的水質(zhì)。缺點是需要設(shè)置循環(huán)水泵和水箱，且只能間歇供水。2022/7/949 3. 部分循環(huán)式除鹽工藝系統(tǒng) 是直流式與循環(huán)式除鹽工藝系統(tǒng)的相結(jié)合的一種方式，綜合兩種方式的優(yōu)點。 特點是用定型設(shè)備，可適應(yīng)不同水質(zhì)和水量的要求；在原水含鹽量變化時，可調(diào)節(jié)循環(huán)量來保持出水水質(zhì)穩(wěn)定，但系統(tǒng)比較復(fù)雜。2022/7/950（二）電滲析器與其他工序組合的除鹽工藝系統(tǒng) 1. “預(yù)處理-電滲析-離子交換”的組合除鹽工藝系統(tǒng) 2. “預(yù)處理-離子交換-電滲析”的組合除鹽工藝系統(tǒng) 3. “預(yù)處理-離子交換-電滲析-離子交換”的組合

26、除鹽工藝系統(tǒng)2022/7/951四、電滲析器的運行（一）電滲析的運行參數(shù)2022/7/952(二) 電流效率 電滲析器用于水的淡化時，一個淡室實際去除的鹽量與通過理論計算應(yīng)當(dāng)去除的鹽量之比即為電流效率。實際去除的鹽量m1計算式為：2022/7/953依據(jù)法拉弟定律計算的理論去除的鹽量m計算式為：電流效率的計算式為 它表示每摩爾電子的電量 2022/7/954（三）極化現(xiàn)象和極限電流密度1. 極化：在電滲析運行過程中，由于反離子在膜內(nèi)遷移速度大于在溶液中的遷移速度，因而淡水室膜表面滯流層的溶液濃度下降，并與淡室主體溶液形成濃度梯度。當(dāng)工作電流增至一定值時，淡室膜表面滯流層的溶液濃度幾乎下降為零，

27、致使水分子大量電離，使H+和OH-起到傳遞電流的作用。這一現(xiàn)象稱為極化，也叫濃差極化。2022/7/9552. 電流密度和極限電流密度 電滲析器運行時，單位面積膜通過的電流稱為電流密度。 當(dāng)?shù)夷け砻鏈鲗拥娜芤簼舛冉禐?時，發(fā)生極化現(xiàn)象，此時工作電流密度不能再增加，這一電流密度稱為極限電流密度，即膜表面發(fā)生極化時的電流密度稱為極限電流密度。由下式計算2022/7/9562. 電流密度和極限電流密度 大量實驗研究表明，膜表面滯流層厚度主要與淡水室的水流速度有關(guān)，總結(jié)出極限電流密度更具實用價值的經(jīng)驗公式。 上式為極限電流密度公式，在給定條件下，式中的K和n可通過試驗確定，一般采用電壓-電流法。2

28、022/7/9573. 極化的危害（1） 使部分電能消耗在水的電離過程中，降低電流效率 由于極化時，導(dǎo)致水分子大量解離，在電場作用下，水的解離造成H+和OH-的遷移。這個過程消耗部分能量，降低了電流效率。（2）濃室陽膜側(cè)pH低，對膜造成腐蝕？ 同樣的道理，這是由于極化時，在電場作用下，水解離產(chǎn)生的H+透過陽膜遷移到濃水室一側(cè)，由于擴散層（膜表面滯流層）的存在，H+擴散速度較慢，就在擴散內(nèi)層富集，水的pH值降低，呈酸性。2022/7/958（3）降低除鹽率和降低產(chǎn)水量 極化會在濃水室陰膜上產(chǎn)生沉淀，形成水垢，對運行產(chǎn)生不良影響。 這是由于極化時，在電場作用下，水解離產(chǎn)生的OH-透過陰膜遷移到濃水

29、室一側(cè)，由于擴散層（膜表面滯流層）的存在，OH-擴散速度較慢，就在擴散內(nèi)層富集，水的pH值升高，呈堿性。同時水淡水室的HCO3-在電場作用下也透過陰膜到達(dá)濃水室一側(cè)，并因擴散速度制約而富集在擴散層，苦濃水室含Ca2+、Mg2+等在電場作用下向陰極方向遷移，但被陰膜阻擋，也在擴散層內(nèi)富集，這些離子均在擴散層內(nèi)富集，就會產(chǎn)生沉淀，形成水垢，使膜電阻增加，除鹽效率下降，嚴(yán)重時還會降低產(chǎn)水量。2022/7/959 (四) 電滲析器穩(wěn)定運行的措施 1. 對原水進(jìn)行預(yù)處理，降低其濁度、硬度、含鐵量、游離余氯等 2. 控制操作電流在極限電流之下，避免極化現(xiàn)象的發(fā)生，減緩水垢的生成。 3. 確定合理的倒極周極

30、。定時倒換電極，使?jié)?、淡室亦隨之相應(yīng)變換，這樣，陰兩側(cè)表面上的水垢，溶解與沉積交替，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到穩(wěn)定運行的目的。 4. 確定合理的流速和壓力，流速過低，易造成沉積；流速過大，壓力過大，易損壞膜。 5. 確定合理的酸洗周期。2022/7/960(五)電滲析技術(shù)的發(fā)展（1）頻繁倒極電滲析新工藝：每小時倒極2-3次，以消除或防止結(jié)垢；（2）高溫電滲析工藝：進(jìn)水溫度加熱到70度，大幅度降低電耗，但對膜的要求高；（3）不解體清洗電滲析：采用有效的化學(xué)清洗劑清除膜面軟垢，可保持3年不拆開。（4）鼓泡式電滲析：借且于鼓入氣泡的攪動作用來提高傳質(zhì)效果，并能清除膜面污染。（5）與其它脫鹽技術(shù)相組合的除鹽

31、工藝研究，如與離子交換聯(lián)合組成的除鹽系統(tǒng)，主要用于高純水的制備。2022/7/9615.5 電滲析器的工藝計算和參數(shù)選擇 一、基本概念 電滲析器總流程是指給定條件下需要的電滲析脫鹽流程長度。 對于一級一段或者多級一段組裝的電滲析器，也就是指其隔板的流水道長度；對于一級多段和多級多段的電滲析器，是指其各段隔板流水道的總長度。 對于電滲析器工藝計算, 就是要確定電滲析器總流程和電滲析器并聯(lián)膜對數(shù)。2022/7/962不同組裝方式的脫鹽總流程2022/7/963二、電滲析器總流程的計算 設(shè)隔板的高度為d(cm)，流水道寬度為b(cm)，流水道長度為l(cm)，膜的有效面積為bl，則平均電流密度(i)

32、為： i=1000I/bl (mA/cm2) 一個淡室的流量為： q=dbv/1000 (L/s) 式中： v-隔板流道中的水流速度，cm/s2022/7/964則得到脫鹽流程的長度為：極限電流密度工況下的脫鹽流程長度為：將上兩式代入電流效率公式：2022/7/965三、電滲析器并聯(lián)膜對數(shù)的計算電滲淅 器并聯(lián)膜對數(shù)np可由下式求出： 式中：Q電滲析品淡水產(chǎn)量 目前電滲析器有系列產(chǎn)品，可根據(jù)淡水產(chǎn)量與處理要求來選用。一般而言，增加段數(shù)可增加脫鹽效率，有利于提高出水水質(zhì)，而增加級數(shù)（膜對數(shù)）則可降低所需電壓，增加水的產(chǎn)量。2022/7/966四、設(shè)計參數(shù)的初步確定 1. 脫鹽率：主要取決于隔板厚度

33、、流程長度、流速以及實際操作電流密度。無回路網(wǎng)式聚丙烯隔板電滲析器單段脫鹽率參考表注：流速6cm/s，進(jìn)水含鹽量2000mg/LNaCl，溫度25oC。2022/7/967 2. 操作壓力：根據(jù)當(dāng)前的制造水平，無回路網(wǎng)式電滲析器的操作壓力一般選用0.2MPa比較合適，超過0.3MPa難以保證安全運行。 3. 流速：對于無回路網(wǎng)式隔板，流速取410cm/s為佳 4. 每段膜對數(shù)：一般每段膜對數(shù)應(yīng)不超200對，每臺電滲析器的膜總對數(shù)在400對以下較為合適。2022/7/968 在隔板主要規(guī)格為400X1600X0.9mm, 膜對數(shù)為200對的情況下，單段電滲析器有關(guān)設(shè)計參數(shù)見下表，可供初步設(shè)計時參

34、數(shù)。 單臺電滲析器主要工藝流程圖見下圖。2022/7/9692022/7/9705.5 海水淡化 全世界日產(chǎn)淡水100噸以上的脫鹽裝置有4600套，總?cè)萘繃?日。其中用于淡化海水的裝置為32，而其總?cè)萘繀s占74.7。一、 海水的特性 一般海水含鹽量在33000至38000mg/L之間，平均為35000mg/L。 我國沿海海水水質(zhì)大致為： Cl離子 1770020000mg/L， 總含鹽量 2700033000mg/L， 全堿度 2.52.8meq/L， 總硬度 65120meq/L。2022/7/971 二、 電滲析海水淡化的特點和系統(tǒng) 采用同一種電滲析技術(shù)，一般是水的含鹽量越高，單位產(chǎn)品水的耗電量越大。 電滲析苦咸水淡化的耗電量一般只有23kwh/ m3 ，電滲析海水淡化的耗電量，50年代為40kwh/m3 ；70年代為1620kwh/m3 。（一）電滲析海水淡化裝置對主要部件的技術(shù)要求 1. 對離子交換膜的要求 (1) 膜電阻要低 海水含鹽量高，電導(dǎo)率大，電滲析海水淡化膜堆電阻中膜電阻起著主導(dǎo)作用。 （2） 電解質(zhì)擴散要