電滲析法淡化與除鹽

電滲析法淡化與除鹽演示文稿第一頁，共四十頁。優(yōu)選電滲析法淡化與除鹽第二頁，共四十頁。各種膜分離法的分離對象推動(dòng)力。第三頁，共四十頁。第四頁，共四十頁。

滲透——膜能使溶劑（水）透過的現(xiàn)象稱為滲透。滲析——膜能使溶質(zhì)透過的現(xiàn)象稱為滲析。第五頁，共四十頁。一、離子交換膜及其作用機(jī)理：（一）離子交換膜：

分類：陽膜：用陽離子交換樹脂制成，只準(zhǔn)陽離子按選擇透過性分：通過。

陰膜：用陰離子交換樹脂制成，只準(zhǔn)陰離子通過。

第六頁，共四十頁。

異相膜：用粘合劑（或膜材料）與樹脂粘合成膜并加入襯網(wǎng)面制成，兩相按結(jié)構(gòu)分類：不均勻。特點(diǎn)：價(jià)低，機(jī)械強(qiáng)度好，適水性大，但膜電阻大，耐熱性差。

均相膜：樹脂與成膜材料均勻。特點(diǎn)：與異相膜相反。半均相膜：普通膜：按抗腐蝕分類：抗氯膜：第七頁，共四十頁。第八頁，共四十頁。

1、選擇透過率：

離子在溶液中與在交換膜中遷移數(shù)量不相同，在理想情況下，在膜中遷移比例應(yīng)等于1，但實(shí)際上達(dá)不到1。第九頁，共四十頁。

陽膜對陽離子的選擇透過率（P+）：

公式:

通電時(shí)陽離子所遷移的電量（實(shí)測電量）與所有離子遷移總電量（理論量）之比值。

t+——陽離子在溶液中的遷移數(shù)。

——陽離子在膜內(nèi)的遷移數(shù)（理想膜，應(yīng)為1）

分子為：實(shí)際膜條件下，陽離子在陽膜內(nèi)與在溶液中的遷移數(shù)之差。

分母為：理想條件下陽離子在陽膜內(nèi)與在溶液中的遷移數(shù)之差。

P+越大，越接近1，膜性能越好。

2、膜電阻：電阻率×膜厚，單位：Ω·cm2(測定)第十頁，共四十頁。

（二）離子交換膜的作用機(jī)理：

膜的主要性能：離子的選擇透過性，作用機(jī)理為道南（唐南Donnan）平衡理論。

Z離子不可透過膜，Na+；Cl－可自由透過膜。

NaZ膜NaCl（1）

膜

（2）→初始

平衡狀態(tài)

當(dāng)體系處平衡時(shí)，膜兩側(cè)的Na+和Cl-濃度的乘積,即擴(kuò)散速率必須相等:1室2室Z-(C1)Na+(C1)Cl-(C2)Na+(C2)Z-(C1)Na(C1+x)Cl-(x)Cl-(C2-x)Na+(C2-x)第十一頁，共四十頁。

據(jù)電中性法則：則：將濃度代入:

平衡態(tài)膜兩側(cè)[Cl-]比值:第十二頁，共四十頁。

當(dāng)1室Na+Z-濃度非常大時(shí)，x→0，2室中的Cl-幾乎不能透過膜來。

我們把交換膜的溶液界面看成半透膜，固定于離子交換膜的活動(dòng)基團(tuán)（如樹脂上的-SO4--…）相當(dāng)于Z-可交換離子為Na+，當(dāng)膜含有相當(dāng)多的活性基團(tuán)時(shí)，溶液中的Cl-

幾乎不進(jìn)入膜內(nèi)，也即膜對離子具有選擇透過性。

若增大C2，進(jìn)入膜的Cl-也隨著增加，→膜的選擇透過性相應(yīng)降低。

陰離子交換膜的原理也相同。第十三頁，共四十頁。二、電滲析原理及過程（一）原理：在電場力的作用下，使陰、陽離子作相反的一定向移動(dòng)，利用陰陽離子交換膜對陰陽離子的選擇透過性，使陰陽離子在濃室中濃度升高，淡室中濃度降低，來制取淡水。（二）電滲析的過程：

通電后：水中的陰離子向陽極方向移動(dòng)，

陽離子向陰極方向移動(dòng)。陰膜可選擇通過陰離子而陽離子不能通過；

陽膜可選擇通過陽離子而陰離子不能通過。

第十四頁，共四十頁。第十五頁，共四十頁。

極室中的反應(yīng)：（1）陰極室進(jìn)行還原反應(yīng)：2H++2e→H2↑形成了：Na(OH)、NaCl堿性溶液。

并形成：Mg(OH)2、CaCO3沉積于電極上。（水垢）

（2）陽極室進(jìn)行氧化反應(yīng)：4OH--4e→O2↑+2H2O2Cl--2e→Cl2↑

形成了：HCl；NaCl酸性溶液。(三)耗電：1、極室反應(yīng)耗電。

2、電流通過溶液和膜時(shí)的電阻耗能。第十六頁，共四十頁。三、電滲析的構(gòu)造與組裝：（一）構(gòu)造：

部件：壓板，電極托板，電極，極框，陰、陽膜，濃、淡水隔板等，整個(gè)結(jié)構(gòu)分為膜堆、極區(qū)，緊固裝置三大部分。第十七頁，共四十頁。

1、膜堆：一對陰、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。

由許多膜對疊到一起構(gòu)成膜堆。

隔板作用：隔開陰、陽膜，板上設(shè)有配水孔，布水槽，流水道及攪動(dòng)水流的隔網(wǎng)等。

由于隔板與進(jìn)出水的不同，濃、淡水室相連接，其分別相應(yīng)地分為淡室和濃室。

隔板材料：聚氯乙烯、聚丙烯、合成橡膠。

隔網(wǎng)形式：魚鱗、編織、沖膜式網(wǎng)。

第十八頁，共四十頁。

流水道：有回路式：流程長，流速高，電流效率高，一次除鹽效果好。

適用：流量小，除鹽率高場合。

無回路式：流程短，流速低，要求隔網(wǎng)攪動(dòng)（攪動(dòng)，水流沖動(dòng)網(wǎng)，網(wǎng)使水流紊動(dòng)）作用強(qiáng)，及水流分布均勻。

適用：流量大，除鹽率低場合。第十九頁，共四十頁。

2、極區(qū)：接直流電流的電極板，設(shè)有原水進(jìn)口，淡水，濃水出口及極室水的通路。

組成：電極，極框，電極托板，橡膠墊板等。

極框作用：防止膜貼到電極上，保證極室水流暢，及時(shí)排掉電極的反應(yīng)產(chǎn)物。

常用電極：石墨、鈦涂釕、鉛、不銹鋼等。

3、緊固裝置：

包括：兩端壓板和緊固螺栓，把膜堆均勻夾緊，使其不漏水。

4、其它設(shè)備：整流器、水泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì)等。

第二十頁，共四十頁。（二）、電滲析的組裝：級——一對電極之間的膜堆為一級。

段——具有同向水流的并聯(lián)膜堆為一段。

一級一段組裝方式：

多級一段

一級多段

多級多段第二十一頁，共四十頁。第二十二頁，共四十頁。四、電流效率與極限電流密度（一）電流效率：實(shí)際除鹽量與理論除鹽量之比：η

1、實(shí)際除鹽量：m1（克）

q——一個(gè)淡水室的出水量（l/s）

C1；C2——（淡水室）進(jìn)出水含鹽量mmol/lt——通電時(shí)間sMB——物質(zhì)的摩爾質(zhì)量g/mol2、理論除鹽量：m（g）

I——電流，A↗庫侖

F——法拉第常數(shù),96500C/mol第二十三頁，共四十頁。

3、電流效率：η

η與膜對數(shù)無關(guān)，膜對數(shù)與電壓成正增長。4、電能效率：與電流效率不同，是衡量電能利用程度的指標(biāo)。

目前：電滲析的電能效率很低。第二十四頁，共四十頁。（二）極限電流密度：1、電流密度：單位膜面積通過的電流強(qiáng)度稱為電流密度i。

2、膜界面極化現(xiàn)象：

以陽膜淡水室一側(cè)為例：

過大的電流密度會(huì)導(dǎo)致陽膜淡室側(cè)膜表面的離子濃度低到接近于零。要保持電流通過，則在界面層中由水離解為H+和OH-，使之傳遞電流，這種現(xiàn)象稱為極化現(xiàn)象，它主要發(fā)生在陽膜的淡室一側(cè)。

同時(shí)產(chǎn)生的另一種膜界面現(xiàn)象是水離解出的OH-在電場力的作用下遷移過陰膜，造成陰膜濃室一側(cè)PH上升。

產(chǎn)生沉淀反應(yīng)。第二十五頁，共四十頁。

（1）膜內(nèi)遷移量：

i——電流密度，

F——法拉第常數(shù)。

——陽離子進(jìn)膜內(nèi)遷移數(shù)。

膜內(nèi)遷移量，相當(dāng)于單位時(shí)間，單位面積所遷移的物質(zhì)的量。

第二十六頁，共四十頁。

（2）溶液中的遷移量：

t+——陽離子進(jìn)溶液中的遷移數(shù)，

由于＞造成濃度差C’；C。

據(jù)菲克擴(kuò)散定律：擴(kuò)散物質(zhì)的通量φ為：mmol/cm2·sD——擴(kuò)散系數(shù)cm2/sC’

；

C——界面層兩側(cè)物質(zhì)的量濃度mmol/lδ——邊界層厚cm第二十七頁，共四十頁。

（3）當(dāng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí):

即

i——電流密度，mA./cm2

當(dāng)i增大時(shí)，C’下降，i達(dá)某一值時(shí)，C’=0當(dāng)i繼續(xù)增大時(shí)，水H2O產(chǎn)生電離，H+、OH-傳遞電流。

這種現(xiàn)象——水的極化現(xiàn)象，也稱濃差極化。第二十八頁，共四十頁。

（4）極限電流密度：ilim(C'=0時(shí)的i)

δ——界面膜厚度與水流有關(guān)。

v——水的流速，

厘米/sn——是變量與溫度有關(guān)，n=0.3~0.9與隔網(wǎng)形成的水紊動(dòng)有關(guān)。

k——系數(shù)，與隔板形式及厚度等因素有關(guān)。

代入原式中：

C——濃度，水在流道中流動(dòng)，C逐漸降低，變化規(guī)律：

沿流向按指數(shù)關(guān)系分布，C采用對數(shù)平均值。第二十九頁，共四十頁。

C1、C2—淡室進(jìn)出水濃度mmol/l令：

K——稱為水力特性系數(shù)，主要與膜的性能，隔板形式與厚度、隔網(wǎng)形式，水的離子組成，水溫等有關(guān)。

K和n可由實(shí)驗(yàn)確定。第三十頁，共四十頁。

（5）極限電流密度的測定：

電壓——電流法，電壓——流速法，PH——電流法，

極譜法，激光干涉法等。

常用：電壓——電流法。

步驟：1）在進(jìn)水濃度穩(wěn)定的條件下，固定濃、淡水的水流和進(jìn)口壓力。

2）測定電壓——電流，相關(guān)數(shù)據(jù)組。

3）建立膜對電壓——電流密度曲線。第三十一頁，共四十頁。

4）求極限電流強(qiáng)度：ilim

由曲線兩端等實(shí)驗(yàn)點(diǎn)作兩直線交于P點(diǎn)，過P點(diǎn)引垂線，即得到ilim和相應(yīng)膜對電壓VP。

許多流速下重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，可得許多ilim和相應(yīng)的淡室對數(shù)平均離子濃度C值，再用圖解法可確定K值和n值。第三十二頁，共四十頁。五、極化和沉淀我們談到了極化，當(dāng)電流超過ilim時(shí)，

1、水極化產(chǎn)生H+和OH-（陽膜淡室側(cè)）而在陰膜的濃室側(cè)則出現(xiàn)沉淀。

2、危害：增加膜電阻，增加消耗電能，使膜的有效面積縮小。

第三十三頁，共四十頁。第三十四頁，共四十頁。

3、防除垢措施：

（1）控制操作電流，防極化，減緩生成水垢。

（2）定期倒換電極，但濃淡室也相應(yīng)倒換。

（3）定期酸洗：用1~1.5%鹽酸溶液清洗，酸洗周期1周~1月一次。第三十五頁，共四十頁。六、電滲析工藝設(shè)計(jì)與計(jì)算(一)電滲析的總流程長度的計(jì)算：(進(jìn)出口長度)

隔板厚度d（cm），流道寬b（cm），流道長l（cm）膜有效面積為blcm2平均電流密度i

I——電表所示電流量，一個(gè)淡室的流量：qv——流速cm/s電流效率公式：（已學(xué)）

將q、I代入第三十六頁，共四十頁。

極化時(shí)電流強(qiáng)度

ilim=KCvn代入得：極限電流密度工況下的脫鹽流程長度：llim

電滲析并聯(lián)膜對數(shù):np

Q——淡水產(chǎn)量m