1、1第三节第三节 电渗析法海水淡化技术电渗析法海水淡化技术.本节主要内容：本节主要内容：一、概述一、概述二、电渗析过程原理二、电渗析过程原理三、基本理论三、基本理论四、电渗析过程中的传递现象四、电渗析过程中的传递现象五、浓差极化现象五、浓差极化现象六、电渗析海水淡化的操作技术六、电渗析海水淡化的操作技术2 一、概述一、概述1.发展概况发展概况v萌芽于萌芽于2020世纪初，直到世纪初，直到19401940年才出现了具有实用价年才出现了具有实用价值的多隔室电渗析器。值的多隔室电渗析器。19501950年年w wJudaJuda试制出具有高试制出具有高选择透过性能的阴离子交换膜和阳离子交换膜，从选择透
2、过性能的阴离子交换膜和阳离子交换膜，从而奠定了电渗析技术的实用基础。而奠定了电渗析技术的实用基础。v 19521952年年2 2月，美国首次将电渗析咸水淡化器的样月，美国首次将电渗析咸水淡化器的样机公开展出。同年，美围、英国均研制出实用的离机公开展出。同年，美围、英国均研制出实用的离子交换膜并于子交换膜并于19541954年正式用于淡化苦咸水制取饮用年正式用于淡化苦咸水制取饮用水和工业用水的生产实践。水和工业用水的生产实践。v19591959年苏联开始研究和推广应用电渗析技术。日本年苏联开始研究和推广应用电渗析技术。日本引进电渗析技术后，首先并且主要用于海水浓缩制引进电渗析技术后，首先并且主要
3、用于海水浓缩制盐。盐。32.2.主要用途主要用途v主要是咸水淡化，可将含盐量为主要是咸水淡化，可将含盐量为6000mg6000mgL L的咸水淡化的咸水淡化成含盐量为成含盐量为500mg/L500mg/L的饮用水和工业用水。的饮用水和工业用水。v电渗析海水淡化站并不普遍，主要原因是海水的含盐电渗析海水淡化站并不普遍，主要原因是海水的含盐量过高，消耗的电能大。量过高，消耗的电能大。v19741974年日本旭化成公司在山口县野岛建成一座电渗析年日本旭化成公司在山口县野岛建成一座电渗析海水淡化站，淡水产量为海水淡化站，淡水产量为120m120m3 3/d/d。v19771977年美国高温电渗析开始在
4、现场进行海水淡化试验，年美国高温电渗析开始在现场进行海水淡化试验，淡水产量为淡水产量为379m 379m 3 3/d/d。4发展前景发展前景电渗析有如下五个方面的特点：电渗析有如下五个方面的特点：(1)(1)耗电低，经济效益显著。耗电低，经济效益显著。实践证明将实践证明将200020005000mg/L5000mg/L的苦咸水的苦咸水淡化成淡化成500mg/L500mg/L的淡水最经济；的淡水最经济；(2)(2)系统应用灵活，操作维修方便。系统应用灵活，操作维修方便。根据不同条件要求，可以灵活根据不同条件要求，可以灵活地采用不同形式的系统设计，并联可增加产水量，串联可提高脱地采用不同形式的系统
5、设计，并联可增加产水量，串联可提高脱盐率，循环或部分循环可缩短工艺流程。盐率，循环或部分循环可缩短工艺流程。在运行过程中，控制电压、电流、浓度、流量、压力与温度几个在运行过程中，控制电压、电流、浓度、流量、压力与温度几个主要参数，可保证稳定运行；主要参数，可保证稳定运行；(3)(3)不污染环境；不污染环境；(4)(4)使用寿命长。使用寿命长。膜一般可用膜一般可用3 35 5年，电极可用年，电极可用7 78 8年，隔板可年，隔板可用用1515年左右；年左右；(5)(5)原水回收率高原水回收率高；海水、高浓度苦咸水原水回收率可达；海水、高浓度苦咸水原水回收率可达6060以以上。一般苦咸水回收率可达
6、上。一般苦咸水回收率可达65658080。53.3.电渗析技术的发展特点电渗析技术的发展特点 采用电渗析法进行海水深度除盐，制取含盐量约为采用电渗析法进行海水深度除盐，制取含盐量约为500mg/L500mg/L的初级纯水。电渗析法和离子交换法联合应用，的初级纯水。电渗析法和离子交换法联合应用，制取高纯度水。制取高纯度水。v 电渗析谈化水站向自动化、电子计算机控制的无人操电渗析谈化水站向自动化、电子计算机控制的无人操作方向发展。作方向发展。v 为了降低海水淡化的能量消耗，研究高温电渗析和为了降低海水淡化的能量消耗，研究高温电渗析和中温电渗析。研究利用太阳能加热海水和太阳能发电。中温电渗析。研究利
7、用太阳能加热海水和太阳能发电。此外，也利用风力发电机取得廉价电能。此外，也利用风力发电机取得廉价电能。v离子交换膜可称为电渗析器的心脏。研制各种性能的离子交换膜可称为电渗析器的心脏。研制各种性能的离子交换膜就可以扩展电渗析的应用领域。离子交换膜就可以扩展电渗析的应用领域。64.我国发展概况我国发展概况v我国我国19571957年开始研制离子交换膜年开始研制离子交换膜。最早研制成功了牛。最早研制成功了牛皮纸膜和羊皮纸膜。皮纸膜和羊皮纸膜。v19661966年聚乙烯异相膜在上海化工厂投产年聚乙烯异相膜在上海化工厂投产。成为我国第。成为我国第一代具有实用性的商品膜，并且使用至今。年总产量一代具有实用
8、性的商品膜，并且使用至今。年总产量已超过已超过2020万万m2m2。v我国我国第第1 1台小型实用化的电渗析谈化器是在台小型实用化的电渗析谈化器是在19641964年年由解由解放军海军医学科学研究所研制成功的。放军海军医学科学研究所研制成功的。1 1v19691969年在北京化工厂年在北京化工厂内建立了我国最早的工业用水淡内建立了我国最早的工业用水淡化站。该站将地下水经电渗析和离子交换，制成化学化站。该站将地下水经电渗析和离子交换，制成化学试剂用的高纯度水。试剂用的高纯度水。100m3100m3d d以上，供水至今。以上，供水至今。v可以认为可以认为19701970年标志着我国电渗析技术进入了
9、生产实年标志着我国电渗析技术进入了生产实用的成熟阶段用的成熟阶段。7v19781978年郑州铁路局商丘电渗析淡化站建成投产年郑州铁路局商丘电渗析淡化站建成投产。由地。由地下苦咸水制取蒸汽机车锅炉用水。产水量为下苦咸水制取蒸汽机车锅炉用水。产水量为1200m31200m3d d以上。以上。19821982年商丘西站建成电渗析淡化站，产水量为年商丘西站建成电渗析淡化站，产水量为2400m32400m3d d。v19811981年国家海洋局第二海洋研究所等单位，在我国西年国家海洋局第二海洋研究所等单位，在我国西沙群岛的永兴岛上建立了我国规模最大的电渗析海水沙群岛的永兴岛上建立了我国规模最大的电渗析海
10、水谈化站，将海水淡化成饮用水。产水量为谈化站，将海水淡化成饮用水。产水量为200m3200m3d d。v我国电渗析器我国电渗析器单台产淡水量可达单台产淡水量可达50m50m3 3d d。制造电渗析制造电渗析淡化器的工厂有淡化器的工厂有2020多个。多个。v现有电渗析淡化器估计有现有电渗析淡化器估计有50005000多台。淡水产量在多台。淡水产量在1000m1000m3 3d d以上的电渗淡化站有数十个。以上的电渗淡化站有数十个。8v我国电渗析水质除盐技术在工业生产上得到了我国电渗析水质除盐技术在工业生产上得到了广泛的应用。广泛的应用。v电渗析主要用在如化工、医药、电力、电子、电渗析主要用在如化
11、工、医药、电力、电子、轻工、饮料、纺织、印染、锅炉、化学分析等。轻工、饮料、纺织、印染、锅炉、化学分析等。v工业生产中大多以自来水为原水。利用电渗析工业生产中大多以自来水为原水。利用电渗析可以直接制取除盐水。可以直接制取除盐水。v在需要纯水的场合，电渗析可以作为离子交换在需要纯水的场合，电渗析可以作为离子交换的预处理手段。无论采用哪种方式电渗析除的预处理手段。无论采用哪种方式电渗析除盐均可取得降低制水成本、减轻污染的效果。盐均可取得降低制水成本、减轻污染的效果。9电渗析适用范围电渗析适用范围用途用途除盐范围除盐范围成品水的直流成品水的直流耗电量耗电量（KWh/mKWh/m3 3）说明说明单位单
12、位起始起始终止终止海水淡化海水淡化含盐量含盐量mg/Lmg/L350003500050050015151717规模较小时（如规模较小时（如500m500m3 3/d/d以下）以下）建设时间短，投资少，建设时间短，投资少，方便易行。方便易行。苦咸水淡苦咸水淡化化含盐量含盐量mg/Lmg/L500050005005001 15 5淡化到饮用水比较经济。淡化到饮用水比较经济。深度除盐深度除盐含盐量含盐量mg/Lmg/L50050010101 1将饮用水除盐到相当与蒸馏将饮用水除盐到相当与蒸馏水的初级纯水比较经济。水的初级纯水比较经济。水的软化水的软化硬度，硬度，mg/Lmg/L50050020201
13、 1在除盐过程中同时去除硬度。在除盐过程中同时去除硬度。（以（以CaCOCaCO3 3计）计）纯水制取纯水制取电阻率电阻率，cmcm10010010104 45 510106 61 12 2采用树脂电渗析方法或采用采用树脂电渗析方法或采用电渗析电渗析混合床离子交混合床离子交换工艺。换工艺。废水的回废水的回收与利用收与利用含盐量含盐量mg/Lmg/L500050005005001 15 5用于废水二级处理后的除盐。用于废水二级处理后的除盐。10 在物理化学中，将在物理化学中，将溶质透过膜的观象称溶质透过膜的观象称为为“渗析渗析”，将将溶剂透过膜的现象称为溶剂透过膜的现象称为“渗渗透透”。对电解质
14、的水溶液来说，溶质是离子，对电解质的水溶液来说，溶质是离子，溶剂是水。在电场的作用下，溶液中的离子透溶剂是水。在电场的作用下，溶液中的离子透过膜进行的迁移可以称为过膜进行的迁移可以称为“电渗析电渗析”。电渗析电渗析是指在直流电场作用下，溶液中的是指在直流电场作用下，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（见下图）。得以去除的一种膜分离技术（见下图）。二、电渗析过程原理二、电渗析过程原理11电 渗 析 分 离 原 理阴阴极极阳阳极极 料料 液液阳阳离离子子交交换换膜膜阴阴离离子子交交换换膜膜淡淡水水盐盐水水盐盐水水12原理
15、图示：咸水（Na+Cl-)阳极水浓缩水阴极水阳极水阴阳Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-电渗析的流程电渗析的流程（1）电渗析器的构成：膜堆、极区和夹紧装置（2）电渗析器的组装方式 1415膜法制碱原理图示：膜法制碱原理图示：v三室式：盐水精制ClNaNaClCl2H2NaOH阴阳+16三、基本理论三、基本理论v（1 1）.Sollner.Sollner双电层理论双电层理论 以阳离子交换膜为例，当离子交换膜浸入电解质以阳离子交换膜为例，当离子交换膜浸入电解质溶液中，膜中的活性基团在溶剂水的作用下发生解离溶液中，膜中的活性基团在溶剂水的作用下发生解离产生反离子，并进入水溶
16、液。产生反离子，并进入水溶液。膜上活性基团在电离后带有电荷，以致在膜表面膜上活性基团在电离后带有电荷，以致在膜表面附近，电解质溶液中带相反电荷（可交换）的离子形附近，电解质溶液中带相反电荷（可交换）的离子形成双电层，如下页图所示。成双电层，如下页图所示。双电层的强弱与膜上荷电活性基团数量有关，膜双电层的强弱与膜上荷电活性基团数量有关，膜-溶溶液界面离子分布及其相应化学电位与距离有关。液界面离子分布及其相应化学电位与距离有关。17膜与溶液介面离子分布及相应化学位与距离的关系图示：电位距离18v阳离子交换膜上固定基团能构成足够强烈的负阳离子交换膜上固定基团能构成足够强烈的负电场，使膜外溶液中带正电
17、荷离子极易迁移靠电场，使膜外溶液中带正电荷离子极易迁移靠近膜并进入膜孔隙，而排斥带负电荷离子。近膜并进入膜孔隙，而排斥带负电荷离子。v如果膜上的活性基团少，则其静电吸引力也随如果膜上的活性基团少，则其静电吸引力也随之减少，对同电荷离子的排斥作用也减少，降之减少，对同电荷离子的排斥作用也减少，降低了对阳离子的选择透过性；低了对阳离子的选择透过性；v如果膜外溶液浓度很大，则扩散双电层的厚度如果膜外溶液浓度很大，则扩散双电层的厚度会变薄，一部分带负电荷的离子靠近阳膜的机会变薄，一部分带负电荷的离子靠近阳膜的机会增大，并导致非选择性透过阳离子交换膜；会增大，并导致非选择性透过阳离子交换膜；对阴离子交换
18、膜的情况恰好相反。对阴离子交换膜的情况恰好相反。由此可得电渗析的规律：由此可得电渗析的规律：19电渗析的规律：电渗析的规律：异性电荷相吸；异性电荷相吸；膜中固定离子越多，吸引力越强，选择性越膜中固定离子越多，吸引力越强，选择性越高；高；在电场作用下，溶液中的阳离子作定向连续在电场作用下，溶液中的阳离子作定向连续迁移通过带负电的阳膜。迁移通过带负电的阳膜。20（2）Donnan平衡理论v杜南平衡理论是讨论半透膜两侧离子分布不均的问题杜南平衡理论是讨论半透膜两侧离子分布不均的问题。v若膜的一侧有一种若膜的一侧有一种离子离子R R不能透过膜不能透过膜，而另一侧的离子都可以透过膜，则，而另一侧的离子都
19、可以透过膜，则如上图所示（如上图所示（1 1）侧）侧R R不能透过膜，不能透过膜，NaNa可透过，两离子浓度均为可透过，两离子浓度均为a a；膜的（；膜的（2 2）侧侧NaClNaCl浓度为浓度为b.b.当平衡时，设有当平衡时，设有x x浓度的浓度的NaNa离子自（离子自（2 2）侧进入（）侧进入（1 1）侧，）侧，为保持电中性，必有为保持电中性，必有x x浓度的浓度的ClCl也进入（也进入（1 1）侧。）侧。Na+=a Cl-=b R=a Na+=b (1)(2)Na+=a+x Cl-=b-xCl-=x Na+=b-x (1)(2)开始时开始时 平衡时平衡时21v达到平衡后，根据质量作用定律
20、，截面两侧浓度积相达到平衡后，根据质量作用定律，截面两侧浓度积相等。等。NaNa+1Cl1Cl-1=Na1=Na+2 2ClCl-2 2 （a a x)x)x=(b x=(b x)(bx)(bx)x)解得：解得：x xb b2 2/(a/(a2b)2b)v则膜两侧离子浓度的比值：则膜两侧离子浓度的比值：NaNa+1 1/Na/Na+2 2 ClCl-2 2/Cl/Cl-1 1(b-x)/x(b-x)/x（a+b)/ba+b)/bv讨论讨论：v当当abab时时 ClCl-2 2/Cl/Cl-1 1（a+b)/b=a/b=a+b)/b=a/b=即（即（2 2）侧的）侧的CICI离子几乎不能进入（离
21、子几乎不能进入（1 1）侧。）侧。当当abab时时 ClCl-2 2/Cl/Cl-1 1（a+b)/b=1a+b)/b=1即两侧即两侧ClCl和和NaNa离子浓度近似相等。离子浓度近似相等。离子交换膜的表面即相当于半透膜，上图相当于阳膜离子交换膜的表面即相当于半透膜，上图相当于阳膜的作用机理。的作用机理。22结论：结论：v当膜的活性基团多，即当膜的活性基团多，即a a很大时，膜外的很大时，膜外的CICI离子几乎不离子几乎不能进入阳膜，膜即具有了选择透过性。能进入阳膜，膜即具有了选择透过性。v当膜外溶液浓度提高时，则进入阳膜的当膜外溶液浓度提高时，则进入阳膜的CICI离子也增多。离子也增多。所以
22、说选择透过性也不是百分之百的，而是随着溶液所以说选择透过性也不是百分之百的，而是随着溶液浓度的提高而下降。对于阴膜也有类似结果浓度的提高而下降。对于阴膜也有类似结果。其理论对选择透过性作了定性解释有些现象也不能其理论对选择透过性作了定性解释有些现象也不能很好解释。如：交换基团越多，选择透过性趆高，但很好解释。如：交换基团越多，选择透过性趆高，但实际高到一定量时选择性反会下降，所以说还需进一实际高到一定量时选择性反会下降，所以说还需进一步完美。步完美。23四、电渗析过程中的传递现象四、电渗析过程中的传递现象 在电渗析运行过程中传递现象比较复杂，在电渗析运行过程中传递现象比较复杂，在在脱盐时，离子
23、的选择性迁移是主要过程。脱盐时，离子的选择性迁移是主要过程。但是，但是，伴随主要过程的还有一些次要过程。这些次要伴随主要过程的还有一些次要过程。这些次要过程所产生的副作用总是力图抵消淡化过程，过程所产生的副作用总是力图抵消淡化过程，因而降低除盐的效果。这种抵消作用表现为使因而降低除盐的效果。这种抵消作用表现为使淡水中的盐量增加和使淡水水量减少。淡水中的盐量增加和使淡水水量减少。1.1.反离子迁移反离子迁移v反离子迁移是指与膜的固定基团电荷符号相反反离子迁移是指与膜的固定基团电荷符号相反的离子迁移，的离子迁移，是电渗析的主要迁移过程是电渗析的主要迁移过程。例如。例如阳膜的固定基团带负电荷，水中钠
24、离子带正电阳膜的固定基团带负电荷，水中钠离子带正电荷，钠离子透过阳膜的迁移即为反离子迁移。荷，钠离子透过阳膜的迁移即为反离子迁移。242.2.同名离子迁移同名离子迁移v同名离子迁移是指与膜的固定基团电荷符号相同名离子迁移是指与膜的固定基团电荷符号相同的离子迁移。同的离子迁移。v例如水中的氯离子带负电荷，与阳膜的固定基例如水中的氯离子带负电荷，与阳膜的固定基团的负电荷同名，浓缩室中的氯离子由于浓度团的负电荷同名，浓缩室中的氯离子由于浓度大，会闯入阳膜进入淡化室，抵消淡化作用。大，会闯入阳膜进入淡化室，抵消淡化作用。3.3.浓差扩散浓差扩散v由于浓缩室中氯化钠浓度比淡化室高，在浓度由于浓缩室中氯化
25、钠浓度比淡化室高，在浓度差的作用下，氯化钠由浓缩室向淡化室中扩散。差的作用下，氯化钠由浓缩室向淡化室中扩散。254.4.水的渗透水的渗透v水由淡化室透过膜向浓缩室中迁移。水由淡化室透过膜向浓缩室中迁移。随着浓水随着浓水与淡水浓度差的增加，水的渗透量增大。与淡水浓度差的增加，水的渗透量增大。5.5.水的电渗透水的电渗透v离子在水中与水分子结合成为水合离子。离子在水中与水分子结合成为水合离子。v由于离子的水合作用，在反离子迁移和同名离由于离子的水合作用，在反离子迁移和同名离子迁移过程中都携带一定数量的水分子同时迁子迁移过程中都携带一定数量的水分子同时迁移移。v反离子迁移的同时从淡化室带出水，同名离
26、子反离子迁移的同时从淡化室带出水，同名离子迁移则相反。相比之下，反离子迁移从淡化室迁移则相反。相比之下，反离子迁移从淡化室带出的水量大于同名离子带出水量。带出的水量大于同名离子带出水量。266.6.水的分解水的分解v在电渗析过程中，由于发生在电渗析过程中，由于发生电流密度与离子扩电流密度与离子扩散速度不相适应散速度不相适应的情况，导致膜与水的界面上的情况，导致膜与水的界面上的水分子解离成的水分子解离成H H+和和OHOH-，并参与传导电流。水，并参与传导电流。水的分解影响水的的分解影响水的pHpH值，也使淡水量减少。值，也使淡水量减少。7.7.压差渗漏压差渗漏v当膜的两侧产生压力差时，溶液由压
27、力大的一当膜的两侧产生压力差时，溶液由压力大的一侧向压力小的一侧渗漏。侧向压力小的一侧渗漏。v可以看出，电渗析过程是个很复杂的过程，在可以看出，电渗析过程是个很复杂的过程，在实际应用中，应设法减小次要过程的不利影响。实际应用中，应设法减小次要过程的不利影响。27五、浓差极化现象五、浓差极化现象以阴膜为例说明电渗析的极化过程。见下图v电渗析器通电之前，阴膜两侧水的含盐量均为电渗析器通电之前，阴膜两侧水的含盐量均为CoCo。通电一段时间后，阴膜右侧淡。通电一段时间后，阴膜右侧淡室中水的盐量为室中水的盐量为C C，左侧浓水室中水的含盐量为，左侧浓水室中水的含盐量为C C1 1。由于。由于离子在膜内的
28、迁移速度大离子在膜内的迁移速度大于在水中的迁移速度于在水中的迁移速度，因而在淡室中阴膜与水界面上的淡水含盐量为，因而在淡室中阴膜与水界面上的淡水含盐量为C C,C,C C C。在浓室中阴膜与水界面上的浓水含盐量为在浓室中阴膜与水界面上的浓水含盐量为C C1 1，C C1 1 C C1 1。在膜的两侧出现两个厚。在膜的两侧出现两个厚度为度为的扩散层。随着电流的增加，淡室中的扩散层。随着电流的增加，淡室中C C和和C C不断下降。不断下降。v当当C C0 0时，阴膜与水界面上的阴离子全部参加了电迁移，这时的电渗析过程处于时，阴膜与水界面上的阴离子全部参加了电迁移，这时的电渗析过程处于临界状态。如果
29、继续增加电压，使操作电流超过极限电流时，迫使临界状态。如果继续增加电压，使操作电流超过极限电流时，迫使界面处的水分界面处的水分子解离成子解离成H+H+和和0H0H参加电荷的传递，即产生了参加电荷的传递，即产生了“极化极化”。c1c1ccc0阳阴阴膜阳膜28极化的影响：极化的影响：1.1.膜介面的电阻升高（膜介面的电阻升高（C C 0 0）；）；2.2.浓差膜电位升高，使电耗增大；浓差膜电位升高，使电耗增大；3.3.高浓端膜面上会析出难溶性盐类；高浓端膜面上会析出难溶性盐类；4.4.同电荷不同离子间的选择透过性下降；同电荷不同离子间的选择透过性下降；5.5.由于水被电离，并参与导电，使能耗升高，
30、电流效由于水被电离，并参与导电，使能耗升高，电流效率下降；率下降；6.6.外液的外液的PHPH值变化明显，对值变化明显，对PHPH值有敏感的产品生产不值有敏感的产品生产不利，对设备有腐蚀作用。利，对设备有腐蚀作用。29极化现象的控制极化现象的控制v严格控制操作电流，使电渗析在低于极限电流严格控制操作电流，使电渗析在低于极限电流密度下运行；密度下运行；v强化电渗析隔室中的传质过程。如采用湍流效强化电渗析隔室中的传质过程。如采用湍流效果好隔网，高温电渗析等；果好隔网，高温电渗析等；v定期酸洗，加入防垢剂，倒换电极等措施消除定期酸洗，加入防垢剂，倒换电极等措施消除极化沉淀；极化沉淀；v可采用适当的预
31、处理改善水质。可采用适当的预处理改善水质。30六、工艺参数（1 1）水流线速度）水流线速度 电渗析的水流线速度与一个电渗析的水流线速度与一个淡水隔室的流量有关，为淡水隔室的流量有关，为单位时间内通过电渗单位时间内通过电渗析器淡水隔室单位截面上水的流量析器淡水隔室单位截面上水的流量v （5 51616）v式中，式中，V V为淡水流线速度，为淡水流线速度，cm/scm/s；Q Q为一段膜堆为一段膜堆的流量，的流量，m m3 3/s/s；N N为一段膜堆的组装膜对数；为一段膜堆的组装膜对数；W W为淡水隔板宽度，为淡水隔板宽度，cmcm；d d为淡水隔板的厚度，为淡水隔板的厚度，cmcm。一般电渗析
32、淡水隔室中水流线速度控制在。一般电渗析淡水隔室中水流线速度控制在5 515cm/s15cm/s范围内。范围内。3600NWdQ10V6 31（2）水流压降）水流压降v单位电渗析的水流压降即为水流阻力损失，主要由脱单位电渗析的水流压降即为水流阻力损失，主要由脱盐流道压降、内配水管和外配水管的压力损失及各部盐流道压降、内配水管和外配水管的压力损失及各部位局部阻力损失所组成。位局部阻力损失所组成。v工程上脱盐流道内的综合水流压降可用以下经验方程工程上脱盐流道内的综合水流压降可用以下经验方程计算计算（5 51717）式中，式中，p p为综合水流压降，为综合水流压降，MPaMPa；L L为流道长度，为流
33、道长度，cmcm；A A、b b为决定于隔板性质的经验系数，某些类型为决定于隔板性质的经验系数，某些类型隔板的隔板的A A、b b值见表值见表5 52 2。5b10ALVp 5b10ALVp32（3 3）极限电流与操作电流密度）极限电流与操作电流密度v极限电流是指电渗析发生极化时的临界极限电流是指电渗析发生极化时的临界电流，极限电流密度指通过单位面积离电流，极限电流密度指通过单位面积离子交换膜的电流。子交换膜的电流。v对于采用环形配水组装时，单台水流压降也可对于采用环形配水组装时，单台水流压降也可用以下经验式计算用以下经验式计算式中，式中，V V为淡水流线速度，为淡水流线速度，cm/scm/s
34、；p p为单台水流压降，为单台水流压降，MPaMPa。mnlimiik C V854.00106V.0p 33v上式中，上式中，C C 可用下式计算可用下式计算 式中式中C Cdidi、C Cdodo分别为电渗析淡水进、出口浓度，分别为电渗析淡水进、出口浓度，meq/Lmeq/L。也可用电渗析器。也可用电渗析器淡水进口浓度计算，若浓度以淡水进口浓度计算，若浓度以mg/Lmg/L表示，则其水力常数等见表示，则其水力常数等见P121P121表表5-35-3。v已知极限电流密度，则操作电流密度可用下式计算已知极限电流密度，则操作电流密度可用下式计算 式中，式中，为组成换算系数或水型系数；为组成换算系
35、数或水型系数；f fs s为安全系数；为安全系数；f ft t为温度校正系为温度校正系数，对目前采用的异相膜电渗析器，温度校正系数可用以下经验式计算数，对目前采用的异相膜电渗析器，温度校正系数可用以下经验式计算v式中，式中，T T0 0为测定极限电流时的水温，为测定极限电流时的水温，o oC C；T T为实际操作水温，为实际操作水温，o oC C。v通常，电渗析器的极限电流密度以通常，电渗析器的极限电流密度以NaClNaCl水溶液测定获得，因此式中水溶液测定获得，因此式中为为1.01.0，用于其他盐水溶液或溶液中存在多种离子时，不等于，用于其他盐水溶液或溶液中存在多种离子时，不等于1.0,1.
36、0,故需用加故需用加权平均计算出组成换算系数。权平均计算出组成换算系数。dodidodicclncccDtslimi f f iTTtO987.0f34（4 4）电流效率电流效率v电流效率表示电渗析过程中电流利用程度，为单位电流效率表示电渗析过程中电流利用程度，为单位时间内实际脱盐率与理论脱盐率的百分比，是电渗时间内实际脱盐率与理论脱盐率的百分比，是电渗析的主要技术指标。析的主要技术指标。一般表达式为一般表达式为v v式中，法拉第常数式中，法拉第常数F F为为96500C/mol96500C/mol或或26.8A26.8Ah/molh/mol。v若咸水脱盐，电流效率一般为若咸水脱盐，电流效率一
37、般为90%-95%90%-95%；海水脱盐为；海水脱盐为70%-85%70%-85%。INFccQdodi35（5 5）出口浓度）出口浓度v极限电流下的出口浓度可用下式计算：极限电流下的出口浓度可用下式计算：v式中，式中，k ki i、n n为为WilsonWilson常数。常数。（6 6）脱盐率脱盐率 电渗析器除掉的盐量与给水含盐量的百分比为脱盐率，电渗析器除掉的盐量与给水含盐量的百分比为脱盐率，脱盐率常以单台或单级为基础进行计算，计算公式如下脱盐率常以单台或单级为基础进行计算，计算公式如下 v当电渗析器确定后，当电渗析器确定后，d d、L L为常数，处理水型确定后，、为常数，处理水型确定后
38、，、n n和也是和也是常数，故脱盐率仅是流速的函数，而与淡水的进口浓度无关。则常数，故脱盐率仅是流速的函数，而与淡水的进口浓度无关。则脱盐率可用简单的经验式表达脱盐率可用简单的经验式表达vA A和和为经验常数，与处理水型有关。为经验常数，与处理水型有关。n1m1ididoVcFdLkexpccVcFdLIexpcclimdido%100cccfdidodi Aeflim36（7 7）脱盐能耗）脱盐能耗v脱盐能耗可用单位物质量（脱盐能耗可用单位物质量（molmol）的电解质所需的脱盐）的电解质所需的脱盐能耗；或单位体积产水量所需的直流电能耗计算。能耗；或单位体积产水量所需的直流电能耗计算。v用单
39、位物质量（用单位物质量（molmol）的电解质所需的脱盐能耗表示时，）的电解质所需的脱盐能耗表示时，可用下式之一计算可用下式之一计算 v式中，式中，W WN N为电渗析迁移单位物质的量（为电渗析迁移单位物质的量（molmol）电解质所）电解质所需能耗，需能耗，kWkWh/Nh/N；Q Qd d为一个淡水隔室的流量，为一个淡水隔室的流量，L/sL/s；I I为电流，为电流，mAmA；RsRs为为N N对膜对的总电阻，对膜对的总电阻，；f f为脱盐率。为脱盐率。fNcQRI1078.2Wdids27N37v式中式中U Ui i、I Ii i分别为各级电压（分别为各级电压（V V）和电流（）和电流（
40、A A）；）；Q Q为水产量，为水产量，m3/hm3/h。v当采用等压操作时，式中当采用等压操作时，式中U Ui i为常数。为常数。v上式表明，上式表明，分离单位物质的量（分离单位物质的量（molmol）电解质或）电解质或单位体积产水量所需要的能耗随电流密度的增单位体积产水量所需要的能耗随电流密度的增加而上升。加而上升。v在循环式脱盐中，功率按对数平均电流计算，在循环式脱盐中，功率按对数平均电流计算，但整流器选型时按起始电流选择额定电流。但整流器选型时按起始电流选择额定电流。3iiM10QIUW38（8）膜对电压）膜对电压v由一张阳膜、一张阴膜和浓、淡水隔板组成一个膜对。由一张阳膜、一张阴膜和
41、浓、淡水隔板组成一个膜对。v在运行过程中，电流通过该膜对的压降称为膜对电压。在运行过程中，电流通过该膜对的压降称为膜对电压。膜对电压直接与电渗析直流电能耗有关，是整流器设计膜对电压直接与电渗析直流电能耗有关，是整流器设计和选型的主要依据。和选型的主要依据。通常膜对电压可以关联成为流速和通常膜对电压可以关联成为流速和浓度的函数浓度的函数v式中，式中，UpUp为单位膜对电压降为单位膜对电压降V V；k、为与处理水为与处理水型有关的常数，对碳酸氢盐水型分别为型有关的常数，对碳酸氢盐水型分别为0.0650.065、0.15890.1589、0.670.67。VckUamp39v膜堆电压即为加在膜堆两端
42、的电压，由膜堆电压即为加在膜堆两端的电压，由N N对单对单位位膜对电压构成。膜对电压构成。v 膜堆电压与极区电压之和为电渗析器总电压，即膜堆电压与极区电压之和为电渗析器总电压，即v式中，式中，UeUe为极区电压，为极区电压，V V；v极区电压包括：极区电压包括：引出线与电极之间的接触电位、电极引出线与电极之间的接触电位、电极本身的电压降、电极与极水之间的电极电位及极水和本身的电压降、电极与极水之间的电极电位及极水和极膜的电阻等形成的电压降。极膜的电阻等形成的电压降。v当电渗析器总电压计算值大于当电渗析器总电压计算值大于300V300V时，可采用多级组时，可采用多级组装，以便选用合适电压等级的整
43、流器。装，以便选用合适电压等级的整流器。psNUU UeUsU40（9）膜对电阻）膜对电阻v单位膜对电阻计算的一般表达式为单位膜对电阻计算的一般表达式为 v式中，式中，RpRp为单位膜对电阻，为单位膜对电阻，；vc ca a为浓、淡水隔室的当量平均浓度；为浓、淡水隔室的当量平均浓度；va a1 1/c/ca a项为溶液电阻；项为溶液电阻；va a2 2为膜电阻项；为膜电阻项；va a3 3c ca a为校正项，处理低浓度水时可忽略不计。为校正项，处理低浓度水时可忽略不计。a32a1pcaacaR41离子交换树脂填充式电渗析离子交换树脂填充式电渗析(EDI)(EDI)(EDI)(EDI)是一种将
44、电渗析和离子交换相结合的除盐工艺，是一种将电渗析和离子交换相结合的除盐工艺，国内也称为填充式电渗析。国内也称为填充式电渗析。该技术取电渗析和离子交换两者之长，既利用离子该技术取电渗析和离子交换两者之长，既利用离子交换能深度脱盐的特点，克服电渗析浓差极化使水解交换能深度脱盐的特点，克服电渗析浓差极化使水解离产生离产生H H+和和OHOH-的特性，克服交换树脂失效后需再生的的特性，克服交换树脂失效后需再生的缺陷，完美地达到了优势互补相得益彰的功效。缺陷，完美地达到了优势互补相得益彰的功效。该技术把总固体溶解量（该技术把总固体溶解量（TDSTDS）为）为1-20mg/L1-20mg/L的水制成的水制
45、成8-17M8-17M的纯净水，使其在电子、电力、化工等行业得的纯净水，使其在电子、电力、化工等行业得到推广应用，有可能取代原来的电渗析、反渗透、离到推广应用，有可能取代原来的电渗析、反渗透、离子交换工艺或它们的组合工艺，成为制备高纯水的主子交换工艺或它们的组合工艺，成为制备高纯水的主要技术。要技术。42(EDI)(EDI)的特点的特点v1 1）离子交换树脂用量少，约相当于普通离子交换树脂）离子交换树脂用量少，约相当于普通离子交换树脂柱用量的柱用量的5%5%。省略了离子交换混床和再生装置；。省略了离子交换混床和再生装置；v2 2）离子交换树脂不需酸、碱化学再生，劳动强度降低；）离子交换树脂不需
46、酸、碱化学再生，劳动强度降低；环保效益明显；环保效益明显；v3 3）工艺过程易实现自动控制，产水水质稳定；）工艺过程易实现自动控制，产水水质稳定；v4 4）产水水质高，电阻率为）产水水质高，电阻率为15-18M15-18Mcmcm，达到国家电，达到国家电子级水子级水级标准，满足中国和美国药典对药用水的要求；级标准，满足中国和美国药典对药用水的要求；v5 5）有脱出二氧化碳、硅、硼、氨等弱解离物质的能力；）有脱出二氧化碳、硅、硼、氨等弱解离物质的能力；v6 6）装置占地空间小，操作安全性高、运行费用低。）装置占地空间小，操作安全性高、运行费用低。43EDIEDI结构简图结构简图 AMAMCMCM
47、 +阳极阳极Na+Na+ClCl浓水室淡水室浓水室填充式电渗析内膜与混合树脂组合结构简图填充式电渗析内膜与混合树脂组合结构简图 阳树脂阴树脂Na+Na+ClCl44v将离子交换树脂填充到电渗析器内的淡水室中。淡水将离子交换树脂填充到电渗析器内的淡水室中。淡水实内填充的阴、阳树脂体积比大约为实内填充的阴、阳树脂体积比大约为2 21 1。该系统与电渗析该系统与电渗析-离子交换系统相比，淡水实的阴、离子交换系统相比，淡水实的阴、阳树脂不需要再生。阳树脂不需要再生。v 在直流电场的作用下，生产过程中水中的离子、离在直流电场的作用下，生产过程中水中的离子、离子膜及离子交换树脂间发生交互作用：阴、阳离子交
48、子膜及离子交换树脂间发生交互作用：阴、阳离子交换树脂对水中离子的吸附交换作用、离子交换膜与溶换树脂对水中离子的吸附交换作用、离子交换膜与溶液界面处发生的极化使水解离所产生的液界面处发生的极化使水解离所产生的H H+、OHOH-实现离实现离子交换树脂的再生作用。子交换树脂的再生作用。45v以上三个方面的交互作用可使阴、阳树脂所吸以上三个方面的交互作用可使阴、阳树脂所吸附的阴、阳离子，被电渗析极化过程产生的附的阴、阳离子，被电渗析极化过程产生的OHOH-与与H H+取代，实现树脂的离子交换和吸附，强取代，实现树脂的离子交换和吸附，强化了深度脱盐作用，达到连续不断地脱除水溶化了深度脱盐作用，达到连续
49、不断地脱除水溶液中的离子产生纯水或高纯水。液中的离子产生纯水或高纯水。46EDIEDI内部的交换过程内部的交换过程v EDIEDI过程中，离子首先通过扩散到离子交换树脂上，然后过程中，离子首先通过扩散到离子交换树脂上，然后在电场作用下穿过树脂到达膜面；在电场作用下穿过树脂到达膜面；v在离子交换树脂之间和交换树脂与膜之间相互接触的地方，在离子交换树脂之间和交换树脂与膜之间相互接触的地方，如果电流超过了迁移溶解离子所需的能量，水就会电离成如果电流超过了迁移溶解离子所需的能量，水就会电离成氢离子和氢氧根离子。氢离子和氢氧根离子。v在适当强电流的作用下，离子交换树脂不断地被酸或碱再在适当强电流的作用下
50、，离子交换树脂不断地被酸或碱再生。则交换下来的阴、阳离子会与溶液中的离子一起进入生。则交换下来的阴、阳离子会与溶液中的离子一起进入浓缩室中。浓缩室中。47在在EDIEDI装置的设计和运行过程中装置的设计和运行过程中应注意的几个关键因素应注意的几个关键因素1 1）合理配置阴、阳导电材料交换容量。）合理配置阴、阳导电材料交换容量。导电材料总的阴、阳离子交换容量不同，会导致沿导电材料总的阴、阳离子交换容量不同，会导致沿水流流程交换容量的变化，使操作过程不稳定，降低水流流程交换容量的变化，使操作过程不稳定，降低电流效率。电流效率。v2 2）选用选择透过性高、浓差扩散系数低的离子交换膜。）选用选择透过性
