1、电电除盐技术除盐技术电厂化学电厂化学本章主要内容本章主要内容离子交换膜离子交换膜1电除盐的物理化学过程电除盐的物理化学过程2EDI装置装置3EDI装置的运行与维护装置的运行与维护4原水预处理原水预处理原水预处理原水预处理原水预处理原水预处理阳阳/ /阴床阴床反渗透反渗透反渗透反渗透混床混床混床混床EDIEDI第一代第一代 二十世纪二十世纪 六七十年代六七十年代第二代第二代 二十世纪二十世纪 八九十年代八九十年代第三代第三代 二十世纪二十世纪 九十年代末九十年代末 水处理技术发展历程水处理技术发展历程 电去离子技术电去离子技术EDI (Electrodeionization 电去离子)技术是电渗
2、析电渗析与离子交换树脂除盐离子交换树脂除盐有机结合形成的新型膜分离技术，是当今世界最先进的高纯水生产技术。EDI由阴阳离子交换膜、浓淡水隔板、阴阳离子交换树脂、由阴阳离子交换膜、浓淡水隔板、阴阳离子交换树脂、正负电极和端压板等构建的除盐设备。正负电极和端压板等构建的除盐设备。 EDI特点特点 水与盐分离的推动力为直流电场； 适用于电导率低于60S/cm的水深度除盐深度除盐； 除盐彻底，常用作终端除盐技术终端除盐技术； 需电能，无需酸碱，一般只用少量NaCl； 必须不断排放极水和部分浓水，水利用率一般80%95%； EDI装置普遍采用模块化设计模块化设计，便于维修和扩容； 有替代离子交换除盐的趋
3、势。 电渗析电渗析(Electrodialysis)l在盐的水溶液（如氯化钠溶液）中置入阴、阳两个电极阴、阳两个电极，并施加电场，则溶液中的阳离子将移向阴极，阴离子则移向阳极，这一过程称为电泳。l如果在阴、阳两电极阴、阳两电极之间插入一张离子交换膜离子交换膜（阳离子交换膜或阴离子交换膜），则阳离子或阴离子会选择性地通过膜，这一过程就称为电渗析。 电渗析电渗析：在在直流电场作用下，溶液中的荷电离子选择性地定直流电场作用下，溶液中的荷电离子选择性地定向迁移，透过离子交换膜并得以去除的一种膜分离技术向迁移，透过离子交换膜并得以去除的一种膜分离技术。（溶液中的离子在电位差的推动下，通过荷电膜而同其他不
4、带电的组分分开。） 电渗析电渗析过程脱除溶液中的过程脱除溶液中的离子的离子的2个基本条件个基本条件： 1）离子交换膜的选择透过性； 2）直流电场。 电渗析电渗析电渗析基本排布原理图+阳极阳极阴极阴极Cl-Na阳膜阳膜阳极室阳极室Cl-Cl-Cl-NaNaCl-NaNaCl-Cl-NaNa浓缩室浓缩室淡化室淡化室浓缩室浓缩室阴极室阴极室阴膜阴膜阳膜阳膜阴膜阴膜阴膜阴膜阴极室阴极室阴膜阴膜阴极阴极电渗析过程原理图电渗析过程原理图 电渗析电渗析是通电后，阴阳离子向不同的两极，而在电渗析室内又被阴阳膜所分隔成一间间小室，阴膜和阳膜间隔排放，而阳膜只能通过阳离子，阴膜只能通过阴离子。从而，形成了淡水室淡
5、水室和浓水浓水室室间隔排列的布局。在最两端的叫做极水室极水室。浓水和极水排放，淡水收集。 缺点缺点：操作复杂，而且设备极易损坏。在两个极水室里在两个极水室里容易形成垢容易形成垢。所以必须每隔一段时间进行一次倒极。 混合离子交换混合离子交换除除盐盐可以达到较好的水质要求，但是交换树脂必须定期再生，再生时产生酸碱损耗和污染，增加水耗。再生时存在混合树脂分层不清的技术困难，虽然有很多方法可以解决，但是效果都不佳。电除盐技术是电除盐技术是上述两种方法的结合。在电渗析的每隔一个室每隔一个室里装上混合离子交换树脂里装上混合离子交换树脂，在电除盐的同时进行离子交换，混合离子交换树脂边交换边再生，无须酸碱再生
6、，减少了污染。 离子交换膜离子交换膜（ion exchange membrane）：有选择性透过功能的高分子片状薄膜，主体材料是离子交换树脂。 电渗析和EDI的主要部件，有“电渗析的心脏”之称。它是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄膜。在这里，离子交换膜的作用并不是起离子交换的作用，而离子交换膜的作用并不是起离子交换的作用，而是起着离子选择透过的作用是起着离子选择透过的作用，所以更确切地说应称之为“离子选择性透过膜”。7.1 离子交换膜离子交换膜 离子交换膜离子交换膜的组成的组成离子交换膜离子交换膜膜的主体膜的主体增强材料增强材料(保证膜的强度和尺寸稳定性保证膜的强度和尺寸稳定性)活动
7、部分活动部分固定部分固定部分高分子骨架高分子骨架(基膜基膜)离子交换基团离子交换基团(固定荷电基团固定荷电基团)反离子（可交换离子）反离子（可交换离子）同名离子（唐纳离子）同名离子（唐纳离子）溶剂溶剂(如水如水)HSOR3阳离子交换基团阳离子交换基团反离子反离子ClNa同名离子同名离子 离子交换膜的物理结构离子交换膜的物理结构 孔隙结构孔隙结构：类似离子交换树脂，膜内有许多微孔； 交联结构交联结构：交联剂交联剂与单体单体共聚反应形成的立体网状结构； 接枝结构接枝结构：单体单体与基膜基膜通过接枝反应生成交联共聚体； 缠绕结构缠绕结构：树脂高分子链高分子链与黏合剂、增强材料黏合剂、增强材料等，以不
8、规则方式相互交织在一起形成的结构。按按活性基团活性基团不同分：不同分：(1)阳阳离子交换膜离子交换膜离解出阳离子(含酸性活性基团),选择性地通过阳离子,拒绝阴离子。如磺酸基(SO3H)、磷酸基(PO3H2)、羧酸基(COOH)等。 (2)阴阴离子交换膜离子交换膜离解出阴离子(含碱性活性基团),选择性地通过阴离子,拒绝阳离子。如季胺基N(CH3)2OH、伯胺基(NH2)、仲胺基(NHR)等。 (3)特殊特殊离子交换离子交换一张阳膜和一张阴膜复合而成。 离子交换膜的分类离子交换膜的分类按膜体宏观结构按膜体宏观结构( (制造工艺制造工艺) )分：分：1. 非均相(异相)离子交换膜指由离子交换树脂离子
9、交换树脂的细粉末和起粘合作用的高分子材料高分子材料经加工制成的离子交换膜。（树脂分散在粘合剂中，因而在膜结构上是不连续的，固称为异相膜）2. 均相离子交换膜由具有离子交换基团的高分子材料直接制成的连续膜，或是在高分子膜基上直接接上活性基团而成的。（膜中离子交换基团与成膜的高分子材料发生化学结合起来，其组成完全均一，故称之为均相膜）3. 半均相离子交换膜成膜的高分子材料与离子交换基团组合得十分均匀，但它们之间并没有形成化学结合。 离子交换膜的分类离子交换膜的分类离子交换膜功能示意图离子交换膜功能示意图18 离子交换膜离子交换膜的主要性能的主要性能交换容量单位质量的膜所含的交换基团的量。一般用干膜
10、，也有用湿膜表示的。交换容量高的膜，含水率高，导电性好，但尺寸稳定性差，机械强度低。含水率（量）湿膜中水分的百分含量。受交换基团酸碱强弱和浸泡液浓度的影响。一般含水量大的膜，孔隙多，导电性好，但选择性低，易溶胀变形。7.1 离子交换膜离子交换膜19 离子交换膜离子交换膜的主要性能的主要性能厚度厚度增加，膜的选择性和机械强度提高。但导电性能下降，电阻增加。溶胀率用线性溶胀率或面积溶胀率表示。溶胀率小的膜，尺寸稳定性好，使用时不易弯曲和胀缩变形。爆破强度膜面能承受的来自垂直方向的最大正压力。抗拉强度膜面能承受的来自平行方向的最大拉力。水的电渗系数单位膜面积单位时间内通过一定电流后水通过膜的体积。2
11、0 离子交换膜离子交换膜的主要性能的主要性能水的浓差扩散系数Kw膜在1mol/L的某电解质溶液中单位膜面积单位时间内水透过膜的体积。盐的浓差扩散系数Ks膜在1mol/L的某电解质溶液中单位膜面积单位时间内透过膜的盐量。液体的压渗系数Lp膜在一定的压差下，单位膜面积单位时间渗漏的水体积。面电阻膜电阻与测量电阻时所用膜面积的乘积。化学稳定性耐氧化、耐酸碱、耐一定温度、耐辐照和抗腐蚀、抗水解的能力。u选择选择透过性高透过性高; ;u导电性导电性好好; ;u交换容量交换容量大大; ;u溶胀溶胀率和含水率适量率和含水率适量; ;u化学稳定性强化学稳定性强; ;u机械强度大机械强度大. .离子交换膜性能要
12、求离子交换膜性能要求22 选择透过性选择透过性离子交换膜的选择透过性：离子交换膜的选择透过性：离子交换膜允许某种特定组分优先从其孔道通行的特性，简称选择性。阳膜允许阳离子优先通行，而阻滞（减缓通行速度）阴离子通行；阴膜正好相反。膜的选择性及离子迁移历程可用膜的筛选作用筛选作用、静电作静电作用用和扩散作用扩散作用加以说明。1. 筛选作用筛选作用：离子交换膜具有贯穿膜体内部的弯曲孔隙，其孔径多为几十纳米至几百纳米，这些孔隙形成的通道可以使被选择吸附的离子从膜的一侧移动到另一侧。孔隙作用的强弱主要取决于孔隙度的大小与均匀程度。而且只有当被选择的离子的被选择的离子的水合半径水合半径小于孔隙半径时小于孔
13、隙半径时，才有可能使离子透过膜才有可能使离子透过膜。 选择透过性选择透过性2. 静电作用：静电作用：l离子交换膜上分布着大量带电荷的基团。因此，膜内构成强烈的电场：阳膜为负电场阳膜为负电场；阴膜为正电场阴膜为正电场。l根据静电效应的原理，膜与带电离子将发生同电性相斥，异电性相吸的静电作用。结果结果是阳是阳膜只能选择吸附阳离子，膜只能选择吸附阳离子，阴膜只能阴膜只能选择吸附阴离子选择吸附阴离子。它们都分别排斥与各自电场性质相同的同名离子。l对于两性膜，因为它们同时存在正、负电场，对阴、阳离子选择透过能力就取决于正负电场之间强度的大小。3. 扩散作用：扩散作用：l膜对溶解离子所具有的传递迁移能力，
14、称为扩散作用。膜对溶解离子所具有的传递迁移能力，称为扩散作用。它依赖于膜内活性离子交换基和孔隙的存在，而离子的定向迁移则是外加电场力推动的结果。l离子交换膜的透过现象，可以分为选择吸附、交换解吸、传递转移三个阶段。由膜孔穴形成的通道口和内壁上分布着活性离子交换基，对进入膜相的溶解离子继续进行着鉴别选择。这种吸附吸附-解吸解吸-迁移迁移的方式，把离子从膜的一端输送到另一端，完成了膜对溶解离子定向扩散的全过程。膜内解离的反离子扩散进入液相，液相中离子扩散至膜相，达到动态平衡时称为道南平衡。其标志是膜相的化学位和液相的化学位相等。 道南（道南（DonnanDonnan）平衡）平衡 传质途径传质途径对
15、流传质离子在隔室主体溶液和扩散边界层之间的传递；扩散传质离子在膜两侧的扩散边界层中的传递；这是控制EDI传质速率的主要因素。电迁移传质离子通过离子交换膜的传递。离子交换传质离子交换传质离子通过树脂层。EDI（Electrodeionization）是一种将离子交换技术离子交换技术、离子离子交换膜技术交换膜技术和离子电迁移技术离子电迁移技术相结合的纯水制造技术。它巧妙的将电渗析和离子交换技术相结合，利用两端电极高压使水中带电离子移动，并配合离子交换树脂及选择性树脂膜以加速离子移动去除，从而达到水纯化的目的。在EDI除盐过程中，离子在电场作用下离子在电场作用下通过离子交换膜被清通过离子交换膜被清除
16、除。同时，水分子水分子在电场作用下产生氢离子和氢氧根离子，这些离子对离子交换树脂进行连续再生对离子交换树脂进行连续再生，以使离子交换树脂保持最佳状态。7.2 电除盐的物理化学过程电除盐的物理化学过程29 除盐原理除盐原理7.2 电除盐的物理化学过程电除盐的物理化学过程直流电场的作用下，溶液中的离子作定向迁移；离子交换膜具有选择透过性. EDI除盐过程中，在外加直流电场作用下，溶液中被交换离子发生定向迁移定向迁移，淡水室中离子沿着树脂球的表面迅速迁移，分别通过具有选择透过性的阴、阳离子交换膜进入临近的浓水室。混合交换树脂可大大提高离子的迁移速度。淡水室填充混合离子交换树脂，其作用淡水室填充混合离
17、子交换树脂，其作用：u 利用离子交换特性传递离子，帮助离子迁移；u 利用树脂良好的导电特性降低淡水室电阻，使EDI能在较高电流下工作。 除盐原理除盐原理混合离子交换树脂的再生：混合离子交换树脂的再生：较高电场下，水会被电解水会被电解，产生大量的氢离子（H）和氢氧根离子（OH），这些就地产生的氢离子和氢氧根离子对离子交换树脂进行连续再生连续再生。 除盐原理除盐原理Electrodialysis33注意阳极和靠近阳极的膜的氧化和耐酸腐蚀。阴极因H+减少而呈碱性，遇金属离子会发生沉积，防阴极结垢。222CleClOHOeOH22244HClOHClOHCl22 222HeH 电极反应电极反应34 电
18、渗析可能发生的物理化学过程电渗析可能发生的物理化学过程操作时注意保持淡水压力略高于淡水压力略高于浓水压力浓水压力，浓水浓水压力略高于极水压力略高于极水压力压力，防止浓水压渗至淡水，极水压渗至浓、淡水。 电渗析电渗析过程中的其他迁移过程过程中的其他迁移过程 水的电渗透：水的电渗透：离子迁移的同时携带一定数量的水化水分子一起迁移； 水的压渗水的压渗：浓水、极水、淡水间存在压力差时，水会从压力高的一侧向压力低的一侧渗漏。 离子交换迁出：离子交换迁出：阴、阳离子分别借助阴树脂和阳树脂接力式的传递迁出淡水室（树脂吸着和电场驱动解吸双重作用，不断地从上游交换点转移至下游交换点，最终进入浓水室）。 淡水室中
19、的物理化学过程淡水室中的物理化学过程主要过程是电渗析处理所希望的，而次要过程却对处理不利。例如，反离子迁移和电解质浓差扩散将降低除盐效果；水的渗透、电渗和压渗会降低淡水产量和浓缩效果；水的电离会使耗电量增加，导致浓水室极化结垢等。 因此，在EDI的设计和操作中，必须设法消除或改善这些次要过程的不利影响。极化极化现象和极限电流密度现象和极限电流密度 电渗析过程,在阴离子或阳离子交换膜的淡水一侧,由于离子在膜中的迁移数大于在溶液中的迁移数,使膜和溶液截面处的离子浓度CC1.膜的两侧会产生浓度差. 极化极化 极化极化现象现象: :电渗透过程中电渗透过程中, ,电流强度大到使电流强度大到使CC趋于零趋
20、于零, ,此时此时淡水侧会发生水分子的电离淡水侧会发生水分子的电离, ,使使H H+ +和和OHOH- -离子的迁移来补充离子的迁移来补充传递电流传递电流, ,这种现象叫极化现象这种现象叫极化现象. . 极化极化现象的结果现象的结果? ? 结垢结垢阴膜浓水一侧，由于阴膜浓水一侧，由于OH-离子富集，离子富集，pH值增高，便产生值增高，便产生氢氧化物沉淀；氢氧化物沉淀；阳膜的浓水一侧，由于膜表面处的离子浓度阳膜的浓水一侧，由于膜表面处的离子浓度c2比比c大得大得多，也容易造成膜面附近结垢。多，也容易造成膜面附近结垢。 极化极化 结垢的结果必然导致膜结垢的结果必然导致膜电阻增大，电流效率降低，膜的
21、有电阻增大，电流效率降低，膜的有效面积减小，寿命缩短，影响电渗析过程的正常进行。效面积减小，寿命缩短，影响电渗析过程的正常进行。 如何如何防止极化？防止极化？ 最有效的方法是最有效的方法是控制控制EDIEDI在在极限电流密度极限电流密度以下运行。以下运行。 定期倒换电极和酸洗定期倒换电极和酸洗，可将膜上积聚的垢层溶解下来。，可将膜上积聚的垢层溶解下来。 极化极化40 EDIEDI模块设计的分类模块设计的分类7.3 EDI装置装置按离子交换膜组装在按离子交换膜组装在EDIEDI中的形状分：中的形状分： 板框式EDI模块，简称板式模块； 螺旋卷式EDI模块，简称卷式模块。按运行方式分：按运行方式分
22、： 浓水循环式EDI模块； 浓水直排式EDI模块。 板板框式框式EDI模块模块的内部部件为板框式结构(与板式电渗析器的结构类似)，主要由阳、阴电极板、极框、离子交换膜、阳、阴电极板、极框、离子交换膜、淡水隔板、浓水隔板及端压板淡水隔板、浓水隔板及端压板等部件按一定的顺序组装而成，设备的外形一般为方形或圆形。 板框式EDI模块按其组装形式又可以分为两种，即按一定按一定的产水量进行定型生产的产水量进行定型生产的模块，如加拿大ECELL公司生产的MK系列模块、美国Electropure公司生产的XL系列模块等。另外一种系根据不同的产水量对产品进行定型生产根据不同的产水量对产品进行定型生产的模块，如美
23、国USFilter公司生产的CDI模块。u 板框式板框式EDIEDI模块模块典型的EDI板式模块美国U.S.Filter公司生产的H系列CDI模块 美国Ionpure公司生产的VNX型模块加拿大ECELL公司生产的MK-2系列模块 美国Electropure公司生产的XL-500型模块 螺旋卷式EDI模块，它主要由电极、阳膜、阴膜、淡水隔板电极、阳膜、阴膜、淡水隔板、浓水隔板、浓水配集管和淡水配集管、浓水隔板、浓水配集管和淡水配集管等组成。它的组装方式与卷式RO相似，即按“浓水隔板阴膜淡水隔板阳膜浓水隔板阴膜淡水隔板阳膜”的顺序，将它们叠放后，以浓水配集管为中心浓水配集管为中心卷制成型，其中浓
24、浓水配水配集管兼作集管兼作EDI的负极的负极，膜卷包覆的一层外壳作为阳极膜卷包覆的一层外壳作为阳极。u 螺旋卷式螺旋卷式EDIEDI模块模块卷式卷式EDI模块内部结构模块内部结构OMEXELL公司生产的公司生产的EDI-210型卷式型卷式EDI模块模块 浓水循环式EDI系统流程：进水一分为二进水一分为二，大部分水由模块下部进入淡水室中进行脱盐，小部分水作为浓水循环回路的补充水。浓水从模块的浓水室出来浓水从模块的浓水室出来后，进入浓水循环泵人口，经升压后送进入模块的下部，并在模块内一分为二，大部分水送入浓水室大部分水送入浓水室内，继续参与浓水循环，小部分水送入极水室小部分水送入极水室作为电解液，
25、电解后携带电极反应的产物和热量而排放。为了避免因浓水的浓缩倍数过高而出现结构现象，运行中将连续不断地排出一部分浓水。u 浓水循环式浓水循环式EDIEDI模块模块 若是在EDI中模块的浓水室及极水室也充满了离子交换树脂浓水室及极水室也充满了离子交换树脂等导电性材料，则可以不设浓水循环系统。 特点：（1）提高工作电流的方法不是靠增加含盐量，而是借助于导电性材料。（2）对进水水质的波动有一定的适应性。（3）可省加盐装置，浓水循环泵等辅助设备，因而系统简单。（4）浓水室的水流速度不高。（5）进水电导率太低时，EDI装置可能无法适应。（6）离子交换树脂可以迅速吸收迁移进浓水室的二氧化硅和二氧化碳等，并可
26、以降低膜表面的浓差极化，使得在浓水流速较低的情况下，改善浓水室结垢的问题。u 浓水直排式浓水直排式EDIEDI模块模块淡水室和浓水室分别得到淡水和浓水 48 淡浓水隔板：淡浓水隔板：其结构、厚度对EDI性能有影响。7.3 EDI装置装置淡水隔板作用：淡水隔板作用： 构成淡水室的水流通道； 支撑离子交换膜和离子交换填充材料； 改善淡水流态，降低离子迁移阻力。浓水隔板作用：浓水隔板作用： 构成浓水室的水流通道； 强化水流紊乱，减薄层流层厚度，降低极化程度，防止结垢。49 填充材料填充材料7.3 EDI装置装置离子交换树脂：离子交换树脂： 均粒强型树脂； 阳、阴树脂比例与进水阳、阴离子比例相适应。离
27、子交换纤维：离子交换纤维： 以纤维素为骨架的离子交换剂。树脂填充方式：树脂填充方式： 分层填充、混匀填充。50 EDIEDI电极电极7.3 EDI装置装置工作环境差，因此应耐酸碱、不腐蚀、抗氧化、难极化。工作环境差，因此应耐酸碱、不腐蚀、抗氧化、难极化。此外，应保证电流分布均匀，电流密度低，排气和极水畅通。 阳极：钛涂层材料； 阴极：不锈钢材料。 整流器整流器7.3 EDI装置装置 测量仪表测量仪表 浓水循环泵浓水循环泵 系统管道及阀门系统管道及阀门 控制系统控制系统 加盐系统加盐系统 清洗装置清洗装置52 EDIEDI对进水的要求和性能参数对进水的要求和性能参数7.4 EDI装置的运行装置的运行进水：进水：总盐量（CaCO3计）25ppm或50s/cm TOC 0.5ppm pH值 5.09.0 余氯 0.05ppm 硬度（CaCO3计） 2.0ppm Fe、Mn、H2S 0.01ppm 可溶硅 95% 产水水质 8.0M.cm
