1、第七章离子交换膜与电渗析第七章离子交换膜与电渗析第1页，共42页。电渗析的发展概述电渗析的发展概述电渗析基本原理电渗析基本原理离子交换膜的组成及分类离子交换膜的组成及分类离子交换膜的制备离子交换膜的制备离子交换膜的主要性能离子交换膜的主要性能电渗析器电渗析器电渗析的脱盐过程电渗析的脱盐过程新型的电渗析过程新型的电渗析过程电渗析在废水处理中的应用电渗析在废水处理中的应用主要内容主要内容第2页，共42页。3.3.山东东岳集团上周传出喜人消息：山东东岳集团上周传出喜人消息：“十一五十一五”国家科技支撑计划国家科技支撑计划“全氟离子交换膜工程技术研究全氟离子交换膜工程技术研究”项目的项目的4 4个课题
2、全部通过了山东省科技厅组织的专个课题全部通过了山东省科技厅组织的专家审核验收。国产全氟离子膜关键技术、工程放大家审核验收。国产全氟离子膜关键技术、工程放大及装备技术开发项目的完成，以及在万吨级电解装及装备技术开发项目的完成，以及在万吨级电解装置上成功应用，改写了我国氯碱工业长期受制于人置上成功应用，改写了我国氯碱工业长期受制于人的历史。的历史。我国我国20102010年度膜产业十大新闻年度膜产业十大新闻第3页，共42页。电渗析的发展概述电渗析的发展概述 电渗析研究源于德国，与电渗析研究源于德国，与19521952年美国年美国IonicsIonics公司制备世公司制备世界第一台电渗析装置，用于苦
3、咸水淡化；界第一台电渗析装置，用于苦咸水淡化；2020世纪世纪5050年代末，日本开发海水浓缩制食盐；年代末，日本开发海水浓缩制食盐；我国电渗析技术研究始于我国电渗析技术研究始于19581958年，目前在电渗析主要装置部年，目前在电渗析主要装置部件及结构方面都有巨大的创新，仅离子交换膜产量就占到了件及结构方面都有巨大的创新，仅离子交换膜产量就占到了世界的世界的1/31/3；19811981年，我国由国家海洋局杭州水处理技术开发中心研发年，我国由国家海洋局杭州水处理技术开发中心研发出出200m200m3 3/d/d规模的海水淡化电渗析装置。规模的海水淡化电渗析装置。第4页，共42页。第一节电渗析
4、基本原理第一节电渗析基本原理一、电渗析的工作原理一、电渗析的工作原理 电渗析（电渗析（electrodialysis，简称，简称ED）是指在直流电场的作）是指在直流电场的作用下，溶液中的带电离子选择性定向迁移，透过离子交用下，溶液中的带电离子选择性定向迁移，透过离子交换膜并得以去除的一种膜分离技术。换膜并得以去除的一种膜分离技术。电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性、阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过，阴即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶
5、质与水分离的一种物理化学过程。从而实现溶液的浓缩、淡化、的一种物理化学过程。从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的一种膜过程。精制和提纯的一种膜过程。第5页，共42页。工作原理示意图工作原理示意图 阳模带负电荷，阴膜阳模带负电荷，阴膜带正电荷带正电荷 与膜所带电荷相反的与膜所带电荷相反的离子透过膜的现象离子透过膜的现象称为反离子迁移称为反离子迁移 高选择性渗透率、低高选择性渗透率、低电阻力、优良的化电阻力、优良的化学和热稳定性以及学和热稳定性以及一定的机械强度一定的机械强度234第6页，共42页。阳膜组成的电渗析器阳膜组成的电渗析器 阴膜组成的电渗析器阴膜组成的电渗析器第7页，共42页。二、电
6、渗析过程中的传递现象二、电渗析过程中的传递现象1）主要过程：）主要过程：反离子迁移反离子迁移2）次要过程：）次要过程：同名离子迁移（阳模同名离子迁移（阳模-阴离子）、电解质渗析（浓差扩散阴离子）、电解质渗析（浓差扩散）、水渗透（渗透压）、水的电渗透（离子水合）、水渗透（渗透压）、水的电渗透（离子水合）3）非正常过程：）非正常过程：压差渗漏（溶液）、水的解离（极化）压差渗漏（溶液）、水的解离（极化）第8页，共42页。第9页，共42页。三、电渗析过程的两个基本条件三、电渗析过程的两个基本条件 直流电场的作用直流电场的作用 使溶液中正、负离子分别向阴极和阳极作定向迁移使溶液中正、负离子分别向阴极和阳
7、极作定向迁移 离子交换膜的选择透过性离子交换膜的选择透过性 使溶液中的带电离子在膜上实现反离子迁移使溶液中的带电离子在膜上实现反离子迁移第10页，共42页。四、离子交换膜的选择透过性四、离子交换膜的选择透过性 膜的静电作用、孔隙作用和扩散作用膜的静电作用、孔隙作用和扩散作用 带大量电荷的膜吸引反离子、排斥同名离带大量电荷的膜吸引反离子、排斥同名离子；膜中固定离子越多，吸引力越强，选子；膜中固定离子越多，吸引力越强，选择性越好择性越好 水合离子半径小于孔隙大小才能通过水合离子半径小于孔隙大小才能通过 膜对溶解离子所具有的传递迁移能力，吸膜对溶解离子所具有的传递迁移能力，吸附附-解吸解吸-迁移迁移
8、注意！离子交换膜的作用注意！离子交换膜的作用并不是起离子交换的作用，并不是起离子交换的作用，而是起离子选择性透过作而是起离子选择性透过作用！用！第11页，共42页。静电作用、孔隙作用和扩散作用静电作用、孔隙作用和扩散作用第12页，共42页。第13页，共42页。第二节离子交换膜的组成及第二节离子交换膜的组成及分类分类 一、离子交换膜的组成一、离子交换膜的组成树脂、胶黏剂、增塑剂、着色剂、抗氧化剂、脱模剂等树脂、胶黏剂、增塑剂、着色剂、抗氧化剂、脱模剂等 二、离子交换膜的分类二、离子交换膜的分类离子交换膜是膜状的离子交换树脂，含有活性基团和能使离离子交换膜是膜状的离子交换树脂，含有活性基团和能使离
9、子透过的细孔子透过的细孔 常用的离子交换膜按其选择透过性可分为常用的离子交换膜按其选择透过性可分为阳离子交换膜阳离子交换膜、阴离子交换膜、特殊离子交换膜、阴离子交换膜、特殊离子交换膜三大类三大类阳膜含有酸性活性基团，解离出阳离子，使膜呈负电性，选择阳膜含有酸性活性基团，解离出阳离子，使膜呈负电性，选择性透过阳离子性透过阳离子 阴膜含有碱性活性基团，与阳模相反阴膜含有碱性活性基团，与阳模相反第14页，共42页。选择性透过选择性透过第15页，共42页。特殊离子交换膜特殊离子交换膜 双极膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄的网布做成，具双极膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄的网布做成，具有方向性的
10、电阻。有方向性的电阻。当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳极时当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳极时，正、负离子都不能透过膜，显示出很高的电阻。，正、负离子都不能透过膜，显示出很高的电阻。当膜的朝向当膜的朝向与上述相反时与上述相反时，膜电阻降低，膜两侧相应的离子进入膜中。，膜电阻降低，膜两侧相应的离子进入膜中。直流电场下，双极性膜可直流电场下，双极性膜可将水离解，能够将水分离将水离解，能够将水分离成成H+与与OH-两种离子，可两种离子，可作为作为H+与与OH-的供应源。的供应源。第16页，共42页。第17页，共42页。第四节离子交换膜的主要性第四节离子交换膜的主要性能能交换容量（交换容量（IEC）：每克
11、干膜所含活性基团的毫克当量数，单位为）：每克干膜所含活性基团的毫克当量数，单位为meq/g 交换容量高，选择透过性好，导电能力强，但溶胀度大，影响机交换容量高，选择透过性好，导电能力强，但溶胀度大，影响机械强度械强度 一般约为一般约为23meq/g含水量：膜内与活性基团结合的内在水，以每克干膜含水质量表含水量：膜内与活性基团结合的内在水，以每克干膜含水质量表示，一般含水量为示，一般含水量为20-40%膜电阻：关系工作所需电压和电能消耗，通常越小越好膜电阻：关系工作所需电压和电能消耗，通常越小越好选择透过度：常用反离子迁移数和膜的透过度来表示选择透过度：常用反离子迁移数和膜的透过度来表示 一般要
12、求大于一般要求大于85%，反离子迁移数大于，反离子迁移数大于0.9，并希望在高浓度电解，并希望在高浓度电解质中仍有良好的选择透过性质中仍有良好的选择透过性第18页，共42页。离子交换膜的性能要求离子交换膜的性能要求选择透过性高，要求在选择透过性高，要求在95%以上；以上；导电性好，要求其导电能力应大于溶液的导电能力；导电性好，要求其导电能力应大于溶液的导电能力；交换容量大；交换容量大；溶胀率和含水率适量；溶胀率和含水率适量；化学稳定性强；化学稳定性强；机械强度大。机械强度大。第19页，共42页。第20页，共42页。第21页，共42页。第五节电渗析器第五节电渗析器一、电渗析器的主要结构一、电渗析
13、器的主要结构电渗析器由膜堆、极区和压紧装置三部分组成电渗析器由膜堆、极区和压紧装置三部分组成常用基本术语包括膜对、级、段等常用基本术语包括膜对、级、段等膜对：由阳膜、浓（或淡）水室隔板、阴膜、淡（浓）膜对：由阳膜、浓（或淡）水室隔板、阴膜、淡（浓）水室隔板交替排列成浓水室和淡水室，最小电渗析工水室隔板交替排列成浓水室和淡水室，最小电渗析工作单元作单元膜堆由一系列膜对组成，位于电渗析器的中部。膜堆由一系列膜对组成，位于电渗析器的中部。极区由极区由托板、电极、极框和弹性垫板组成托板、电极、极框和弹性垫板组成 压紧装置由盖板和螺杆组成，其作用是将极区和膜堆组成压紧装置由盖板和螺杆组成，其作用是将极区
14、和膜堆组成不漏水的电渗析器整体不漏水的电渗析器整体第22页，共42页。第23页，共42页。电渗析装置v 膜堆膜堆第24页，共42页。第25页，共42页。第26页，共42页。二、电渗析器的组装二、电渗析器的组装 电渗析器的组装依其应用电渗析器的组装依其应用不同而有所不同。其组装不同而有所不同。其组装的情况是用级和段来表示的情况是用级和段来表示的。的。级：级：一对正、负电极之间一对正、负电极之间的膜堆称为一级；的膜堆称为一级；段：段：具有同一水流方向的并具有同一水流方向的并联膜堆称为一段联膜堆称为一段。电渗析器的组装示意图电渗析器的组装示意图第27页，共42页。三、电渗析器的级与段三、电渗析器的级
15、与段一级一段一级一段一级两段一级两段两级一段两级一段两级两段两级两段一对正、负电极之间的膜堆称为一级一对正、负电极之间的膜堆称为一级具有同一水流方向的并具有同一水流方向的并联膜堆称为一段联膜堆称为一段并并联联串串联联第28页，共42页。一级一段特点是产水量与膜对数成正比，脱盐率取一级一段特点是产水量与膜对数成正比，脱盐率取决于一块隔板的流程长度，常用于大、中制水厂，决于一块隔板的流程长度，常用于大、中制水厂，可含可含200360个膜对；个膜对；二级一段（多级一段）使操作电压降低，便于低操作二级一段（多级一段）使操作电压降低，便于低操作电压下获得高产水量；电压下获得高产水量；一级两段可增加脱盐流
16、程长度，提高脱盐率，适用于一级两段可增加脱盐流程长度，提高脱盐率，适用于单台电渗析器一次脱盐，中、小型制水厂；单台电渗析器一次脱盐，中、小型制水厂；多级多段发挥两者优点，同时满足对产量和质量的要求多级多段发挥两者优点，同时满足对产量和质量的要求。第29页，共42页。四、实际应用的电渗析器四、实际应用的电渗析器第30页，共42页。五、电渗析仪的性能指标五、电渗析仪的性能指标 淡水产量淡水产量 脱盐率脱盐率 电能消耗电能消耗 电流效率电流效率第31页，共42页。第六节电渗析的脱盐过程第六节电渗析的脱盐过程1.连续式脱盐连续式脱盐第32页，共42页。2.循环式脱盐循环式脱盐第33页，共42页。第七节
17、第七节 新型的电渗析过程新型的电渗析过程 填充混合离子交换树脂电渗析过程填充混合离子交换树脂电渗析过程 含离子交换膜的含离子交换膜的Donnan渗析渗析第34页，共42页。双极膜水解离电渗析双极膜水解离电渗析双极膜是阴、阳膜紧密相邻或结合而成，直双极膜是阴、阳膜紧密相邻或结合而成，直流电场下可将水离解流电场下可将水离解双极性膜单独使用可实现电解反应；与阳膜双极性膜单独使用可实现电解反应；与阳膜和阴膜组合使用可实现离子交换反应，可将和阴膜组合使用可实现离子交换反应，可将盐转化成相应的酸与碱、可从氨基酸盐制备盐转化成相应的酸与碱、可从氨基酸盐制备氨基酸。氨基酸。第35页，共42页。酸性气体的清除酸
18、性气体的清除与回收与回收第36页，共42页。第八节电渗析在废水处理中第八节电渗析在废水处理中的应用的应用 水的纯化水的纯化 海水、苦咸水、自来水制备初级和高级纯海水、苦咸水、自来水制备初级和高级纯水的重要方法，一般采用与离子交换树脂水的重要方法，一般采用与离子交换树脂组合工艺，但注意电渗析不能出去非电解组合工艺，但注意电渗析不能出去非电解质杂质质杂质 海水、盐泉卤水制盐海水、盐泉卤水制盐 电渗析浓缩海水蒸发结晶制备食盐，不受地电渗析浓缩海水蒸发结晶制备食盐，不受地理气候限制，易于自动化和工业化理气候限制，易于自动化和工业化 废水处理废水处理 脱除有机物中的盐分脱除有机物中的盐分第37页，共42
19、页。目前，电渗析在废水处理实践中应用最普遍的有：目前，电渗析在废水处理实践中应用最普遍的有：造纸工业废水处理，利用电渗析法处理造纸工业的亚硫酸纸浆造纸工业废水处理，利用电渗析法处理造纸工业的亚硫酸纸浆废液和洗浆废水及碱法造纸黑液，从中回收化学药品，已得到废液和洗浆废水及碱法造纸黑液，从中回收化学药品，已得到工业应用。工业应用。从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠。从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠。从酸洗废液中制取硫酸和沉淀重金属离子。从酸洗废液中制取硫酸和沉淀重金属离子。电镀废水和废液处理，含电镀废水和废液处理，含CdCd2+2+、CuCu2+2+、NiNi2+2+、ZnZn2+2+、CrCr6+6+
20、等重金属离等重金属离子和氰化物的电镀废水都适宜用电渗析法处理，其中应用最成熟的是子和氰化物的电镀废水都适宜用电渗析法处理，其中应用最成熟的是含镍废水处理。含镍废水处理。从放射性废水中分离放射性元素，然后将其浓缩液掩埋。从放射性废水中分离放射性元素，然后将其浓缩液掩埋。第38页，共42页。脱除有机物中的盐分脱除有机物中的盐分医药：葡萄糖、甘露醛、氨基酸、维生素医药：葡萄糖、甘露醛、氨基酸、维生素C，中草药等，中草药等 中草药有效成分的分离和精制，可通过电渗析把中草药提中草药有效成分的分离和精制，可通过电渗析把中草药提取液分离成无机阳离子和生物碱、无机阴离子和有机酸、中取液分离成无机阳离子和生物碱
21、、无机阴离子和有机酸、中性化合物和高分子化合物三部分性化合物和高分子化合物三部分食品：牛乳、乳清等食品：牛乳、乳清等第39页，共42页。超滤、反渗透、电渗析超滤、反渗透、电渗析组合工艺提取甘露醇组合工艺提取甘露醇第40页，共42页。第41页，共42页。本章习题本章习题掌握电渗析的工作原理及其组成示意图掌握电渗析的工作原理及其组成示意图电渗析过程发生哪些传递现象？哪些是主要的，哪些是次要的，哪些是非电渗析过程发生哪些传递现象？哪些是主要的，哪些是次要的，哪些是非正常的？正常的？电渗析过程中离子交换膜起什么作用？阳膜和阴膜各带什么电荷，它们有电渗析过程中离子交换膜起什么作用？阳膜和阴膜各带什么电荷，它们有什么特点？什么特点？电渗析过程发生的两个基本条件电渗析过程发生的两个基本条件离子交换膜为什么具有选择透过性？它的主要性能有哪些？离子交换膜为什么具有选择透过性？它的主要性能有哪些？电渗析器的主要结构，膜对、膜堆以及段和级的含义，它有哪些性能电渗析器的主要结构，膜对、膜堆以及段和级的含义，它有哪些性能指标？指标？双极膜的特点双极膜的特点电渗析的应用主要是水的纯化和脱盐电渗析的应用主要是水的纯化和脱盐第42页，共42页。
