歷史學(xué)電滲析與電除鹽

1歷史學(xué)電滲析與電除鹽一、離子交換膜1.離子交換膜的分類（1）按可交換離子性質(zhì)分類與離子交換樹脂類似，離子交換膜按其可交換離子的性能可分為陽離子交換膜、陰離子交換膜和雙極離子交換膜。這三種膜的可交換離子分別對應(yīng)為陽離子、陰離子和陰陽離子。第1頁/共42頁（2）按膜的結(jié)構(gòu)和功能分類按膜的結(jié)構(gòu)與功能可將離子交換膜分為普通離子交換膜、雙極離子交換膜和鑲嵌膜三種。普通離子交換膜一般是均相膜，利用其對一價離子的選擇性滲透進(jìn)行海水濃縮脫鹽；雙極離子交換膜由陽離子交換層和陰離子交換層復(fù)合組成，主要用于酸或堿的制備；鑲嵌膜由排列整齊的陰、陽離子微區(qū)組成，主要用于高壓滲析進(jìn)行鹽的濃縮、有機物質(zhì)的分離等。第2頁/共42頁2.離子交換膜的工作原理（1）電滲析在鹽的水溶液（如氯化鈉溶液）中置入陰、陽兩個電極，并施加電場，則溶液中的陽離子將移向陰極，陰離子則移向陽極，這一過程稱為電泳。如果在陰、陽兩電極之間插入一張離子交換膜（陽離子交換膜或陰離子交換膜），則陽離子或陰離子會選擇性地通過膜，這一過程就稱為電滲析。第3頁/共42頁電析的核心是離子交換膜。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，實現(xiàn)溶液的淡化、濃縮及鈍化；也可通過電析實現(xiàn)鹽的電解，制備氯氣和氫氧化析器的示第4頁/共42頁鈉等。圖4—5為用于食鹽生產(chǎn)的電意圖。圖A：—4陰食5離鹽子生膜產(chǎn)，電K：陽析離器子示膜意；圖D：稀室，C：濃室第5頁/共42頁（2）膜電解膜電解的基本原理可以通過NaCl水溶液的電解來說明。在兩個電極之間加上一定電壓，則陰極生成氯氣，陽極生成氫氣和氫氧化鈉。陽離子交換膜允許Na+滲透進(jìn)入陽極室，同時阻攔了氫氧根離子向陰極的運動，在陽極室的反應(yīng)是：2

Na+

+

2

H2O

+

2

e

=

2

NaOH

+

H2在陰極室的反應(yīng)為：2

Cl－－2

e=Cl2第6頁/共42頁用氟代烴單極或雙極膜制備的的電滲析器已成為用于制備氫氧化鈉的主要方法，取代了其他制備氫氧化鈉的方法。如果在膜的一面涂上一層陰極的催化劑，在另一面涂一層陽極催化在這兩個電極上加上一定的電壓，則可電解水，在陽極產(chǎn)生氫氣，而在陰極產(chǎn)生氧氣。第7頁/共42頁3.電滲析技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域自電滲析技術(shù)問世后，其在苦咸水淡化，飲用水及工業(yè)用水制備方面展示了巨大的優(yōu)勢。隨著電滲析理論和技術(shù)研究的深入，我國在電滲析主要裝置部件及結(jié)構(gòu)方面都有巨大的創(chuàng)新，僅離子交換膜產(chǎn)量就占到了世界的1/3。我國的電滲析裝置主要由國家海洋局杭州水處理技術(shù)開發(fā)中心生產(chǎn)，現(xiàn)可提供200m3/d規(guī)模的海水淡化裝置。第8頁/共42頁電滲析技術(shù)在食品工業(yè)、化工及工業(yè)廢水的處理方面也發(fā)揮著重要的作用。特別是與反滲透、納濾等精過濾技術(shù)的結(jié)合，在電子、制藥等行業(yè)的高純水制備中扮演重要角色。此外，離子交換膜還大量應(yīng)用于氯堿工業(yè)。全氟磺酸膜（Nafion）以化學(xué)穩(wěn)定性著稱，是目前為止唯一能同時耐40％NaOH和100℃溫度的離子交換膜，因而被廣泛應(yīng)用作食鹽電解制備氯堿的電解池隔膜。第9頁/共42頁全氟磺酸膜還可用作燃料電池的重要部件。燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苄首罡叩哪茉?，可能成?1世紀(jì)的主要能源方式之一。經(jīng)多年研制，Nafion膜已被證明是氫氧燃料電池的實用性質(zhì)子交換膜，并已有燃料電池樣機在運行。但Nafion膜價格昂貴（700美元/m2），故近年來正在加速開發(fā)磺化芳雜環(huán)高分子膜，用于氫氧燃料電池的研究，以期降低燃料電池的成本。第10頁/共42頁一、電 析（electrodialysis)電析是一種利用電能來進(jìn)行的膜分離技術(shù)，這種設(shè)備是以直流電為推動力，在外加電場作用下，利用陰陽離子交換膜對溶液中電解質(zhì)離子的選擇透過性，使溶液中的陰陽離子發(fā)生分離的一種理化過程。這種設(shè)備由于其能耗低、產(chǎn)水量大、脫鹽率高、穩(wěn)定性強等特點。廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、電子、化工、食品、硬水軟化、海水淡化等方面。我國始于50年代。第11頁/共42頁1.原理和工作過程用特制的半透膜(semi-permeable

membrane)

將濃度不同的溶液隔開，溶質(zhì)即從濃度高的一側(cè)透過膜而擴散(diffusion)到濃度低的一側(cè)，這種現(xiàn)象稱為

析作用(dialysis)，也稱擴散

析、濃差

析。電

析的原理是在直流電場的作用下，依靠對水中離子有選擇透過性的離子交換膜(ion

exchangemembrane)，使離子從一種溶液透過離子交換膜進(jìn)入另一種溶液，以達(dá)到分離、提純、濃縮、回收的目的。13第12頁/共42頁電滲析過程示意圖濃水陽膜,子通過只允許陰離子通過淡水陽離子陰離子進(jìn)水濃水室淡水室第13頁/共42頁2.離子交換膜陽膜、陰膜、復(fù)合膜陽膜(cation

exchange

membrane)第14頁/共42頁陰膜(anion

exchange

membrane)含有陰離子交換基團，在水中離解出陰離子，使膜上帶正電，吸引陰離子并使其通過。復(fù)合膜復(fù)合膜由一面陽膜和一面陰膜其間夾一層極薄的網(wǎng)布做成，具有方向性的電阻。當(dāng)陽膜面朝向陰極，陰膜面朝向陽

極時，正、負(fù)離子都不能透過膜，顯示出很高的電阻。當(dāng)膜的朝向與上述相反時，膜電阻降低，膜兩側(cè)相應(yīng)的離子進(jìn)入膜中。第15頁/共42頁3.

電

析器電析器的組裝示意圖第16頁/共42頁基本結(jié)構(gòu)第17頁/共42頁電滲析器的級與段一對正、負(fù)電極之間的膜堆稱為一級一級一段

兩級一段

一級兩段

兩級兩段具有同一水流方向的并聯(lián)膜堆稱為一段第18頁/共42頁實際應(yīng)用的電滲析器第19頁/共42頁第20頁/共42頁第21頁/共42頁第22頁/共42頁二、電除鹽（EDI）1.簡介EDI概念最

是wallers等人于1955年提出的，1957年kallaman等人就申請了專利，但由于樹脂充填技術(shù)的困難，直到1987年才由Millpore公司推出第一臺商業(yè)化EDI，它一出現(xiàn)，就受到廣泛重視，目前世界上僅有4家公司生產(chǎn)EDI。EDI，稱為電除鹽（Electrodeionization,EDI），或填充床電

析，或連續(xù)電除鹽（ContinuousDeionization,CDI。EDI是將離子交換技術(shù)和電

析技術(shù)巧妙結(jié)合，并取兩者之長彌補對方之短的一種新型純水處理技術(shù)。離子交換樹脂具有深度脫鹽之優(yōu)點，可以克服電

析因極化現(xiàn)象而脫鹽不徹底之缺點；然而電

析因極化現(xiàn)象發(fā)生水解電離產(chǎn)生的氫離子（H+）和氫氧離子（OH-）恰巧可用于離子交換樹脂的再生。第23頁/共42頁EDI工作原理圖1—陰離子可透膜；2—陽離子可透膜；3—陰離子交換劑；4—陽離子交換劑；5—濃水室；6—淡水室第24頁/共42頁EDI裝置因在其淡水室中填充了離子交換樹脂，離子交換樹脂的導(dǎo)電性能比與之相接觸水的導(dǎo)電性能要高2-3個數(shù)量級，這樣有效的提高了電滲析的極限電流密度，加快了離子的遷移速，減弱了電滲析的極化現(xiàn)象，從而實現(xiàn)了深度除鹽的目的。另外，離子交換樹脂在淡水室中對水流有擾動作用，能改善水流狀態(tài)，促進(jìn)離子擴散，可提高極限電流密度。同時，離子交換樹脂對水中離子有較強的捕捉能力，可以將水中離子吸附在樹脂顆粒上，被吸附的離子在電場作用下，通過樹脂顆粒搭建的離子傳輸通道遷移到膜表面（EDI裝置中離子的遷移發(fā)生在樹脂顆粒相、溶液相或二者的混合相中），透過離子選擇性膜進(jìn)人濃水室，提高了電滲析對離子的去除效果。第25頁/共42頁第26頁/共42頁膜法EDI水處理系統(tǒng)圖第27頁/共42頁大型EDI裝置第28頁/共42頁EDI作原理進(jìn)水進(jìn)入樹脂和膜的間隔樹脂捕獲水中離子電場使離子向電極移動陽膜只允許陽離子通過陰膜只允許陰離子通過水被分解，再生離子交換樹脂濃縮的離子進(jìn)入到廢水中淡水室產(chǎn)出純水第29頁/共42頁EDI膜堆主要由兩個電性相反的電極和多個模塊單元對組成，一個膜單元對由一個填滿陽離子和陰離子交換樹脂的淡水室（D-室）、一個陽膜、一個陰膜、一個濃水室（C-室）組成。EDI膜堆包含多個膜單元對。在每個膜堆的內(nèi)部有兩個帶有600V電壓的電極，是每個膜堆必需的電壓。正極帶正電壓，負(fù)極帶負(fù)電壓，電流在正極和負(fù)極之間通過30個膜單元。任一個淡水室都包含著陽樹脂和陰樹脂，它相當(dāng)于一個8千米厚的混床。一個陽膜朝著陰極的方向把淡水室和濃水室分開，在另外一邊，陰膜也把淡水市和濃水室分開。EDI膜是離子交換樹脂膜，只允許帶適當(dāng)電荷的離子通過，水基本上不能通過。樹脂通過水的分離持續(xù)的再生。在電場中，水分子被分離成H+和OH-，被異性電荷相吸，H+通過陽陽樹脂移向陰極的方向，OH-通過陰樹脂移向陽極的方向。這種H+和OH-的遷移再生了樹脂，陽膜允許H+通過進(jìn)入濃水室，陰膜允許OH-通過也進(jìn)入濃水室，H+和OH-結(jié)合生成生產(chǎn)的水。濃水室中自己水的流動將帶走水中的陰陽離子。膜阻止帶相反電荷的離子的進(jìn)入淡水室在水流通過淡水室的過程中，離子被樹脂去除，所以膜的有效側(cè)（淡水室）就會產(chǎn)生純水。第30頁/共42頁2.EDI制水特點第31頁/共42頁在EDI中，90%到95%的水流過淡水室，水流并行的通過多個膜堆，每個膜堆都并聯(lián)很多個淡水室，水流一次性的通過淡水室，流出來的就是高純水。另外的5%-10%被送到濃水室，其中3%-8%流出EDI后作為

補充水，2%用來沖洗電極。濃水的再循環(huán)增加了水的電導(dǎo)率而要增加EDI系統(tǒng)通過的電流。EDI廢水的pH主要由給水的品質(zhì)決定。通常都是品質(zhì)很好的水，pH接近中性。排放的濃水可以通過返回到進(jìn)水口進(jìn)行回收，極水包含低濃度的氫氣、氧氣和氯氣要送到一個通風(fēng)的地方進(jìn)行排放。4.EDI的布置特點EDI最適合于應(yīng)用在經(jīng)RO脫鹽后的水質(zhì)精處理階段。EDI設(shè)備無需化學(xué)藥劑的再生，可以連續(xù)運行。在具體的應(yīng)用中，僅調(diào)節(jié)EDI的運行電流就可以改變其出水水質(zhì)。在進(jìn)水電導(dǎo)率為60ms/cm或更低的條件下，EDI可制出μs/cm（1~18MΩ.cm）的產(chǎn)品水。第32頁/共42頁5.EDI運行中濃水中加入NaCl濃水中加入NaCl的主要作用是維持濃水運行電導(dǎo)在150-500μS/cm之間，以維持EDI系統(tǒng)的電流，確保EDI系統(tǒng)有效的運行。6.EDI的優(yōu)點第33頁/共42頁a、不需要酸堿再生。b、可連續(xù)生產(chǎn)。電除鹽的生產(chǎn)是連續(xù)的，沒有混床復(fù)雜的再生操作。c、不需要處理廢酸堿。電除鹽的濃水可以直接排放或返回到RO的進(jìn)口（EDI中濃水量比純水少得多）。d、安裝條件簡單，占地面積小，大部分標(biāo)準(zhǔn)廠房都能滿足。e、系統(tǒng)設(shè)計簡單。電除鹽的模塊設(shè)計很容易把它的流量做到450噸/小時甚至更高。f、運行成本低。與各種混床相比，在價格上有競爭性。g、維修或增減設(shè)備的容量都很容易。h．水質(zhì)穩(wěn)定。不會有普通混床那樣的水質(zhì)變化。i．標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。利用標(biāo)準(zhǔn)單元，如同搭積木般的組合，可以滿足用戶不同產(chǎn)水量的需要。E-CELL公司EDI進(jìn)水指標(biāo)序號項目單位指標(biāo)1TEA（總陰離子含量）ppm<252電導(dǎo)率Us/cm<653PH值5-94總硬度ppm(以CaCO3計)<1.05SiO2ppm<0.56TOCppm<0.57余氯ppm<0.058Fe，Mn，H2Sppm<0.019SDI（15min）<1.010油和脂類無11濁度NTU<1.012氧化劑無13色度

第34頁/共42頁APHA<5某EDI出水水質(zhì)第35頁/共42頁7.EDI工藝設(shè)計及運行中應(yīng)注意的問題第36頁/共42頁a、EDI對進(jìn)水水質(zhì)有較嚴(yán)格的要求EDI對進(jìn)水水質(zhì)要求進(jìn)水為反滲透出水。b、對硅的去除能力是評價EDI設(shè)備的一個重要指標(biāo)c、水中CO2對EDI產(chǎn)水品質(zhì)影響較大d、運行中電極反應(yīng)產(chǎn)生的氣體需及時排出e、EDI對進(jìn)水溫度有一定的要求EDI要求進(jìn)水溫度在15-35℃。f、水流速度對EDI產(chǎn)水質(zhì)量有一定影響水流速一般要求控制在。8.EDI的缺點第37頁/共42頁a.對細(xì)菌的抗污染能力較低，當(dāng)有細(xì)菌在其內(nèi)部繁殖時，將會大幅度降低膜堆的性能，所以一般要求停機超過3天，就必須注入5％的NaCI溶液進(jìn)行保護(hù)，或者是不間斷運行，防止細(xì)菌生長。c.對于電子級高純水，還需要連接不再生混床進(jìn)一步提高或保障產(chǎn)品水電導(dǎo)率。d.EDI的系統(tǒng)性或者其壽命還不是很高。五、全膜處理應(yīng)用事例第38頁/共42頁1、前灣燃機電廠膜法除鹽