电渗析膜堆-天维加工图
电渗析
3.2 电渗析3.2.1 概述3.2.2 基础理论3.2.2.1 电渗析原理3.2.2.2 电渗析能耗3.2.2.3 Donnan平衡理论3.2.3 离子交换膜3.2.3.1 离子交换膜3.2.3.2 离子交换膜制备3.2.3.3 离子交换膜的性能3.2.3.4 商品化离子交换膜3.2.4 电渗析器3.2.4.1 电渗析器主要部件3.2.4.2 电渗析的组装3.2.4.3 国产电渗析器的规格性能3.2.5 极化和极限电流密度3.2.5.1 极化现象3.2.5.2 极限电流密度及极限电流系数3.2.5.3 影响极限电流的因素3.2.5.4 极限电流密度经验式3.2.5.5 极限电流测定方法3.2.6 电渗析淡化工艺过程设计3.2.6.1 基础计算式3.2.6.2 四种脱盐流程3.2.6.3 流程设计计算3.2.7 电渗析淡化工程设计3.2.7.1 原水利用3.2.7.2 电渗析进水水质要求3.2.7.3 预处理系统3.2.7.4 电渗析淡化场地布置3.2.8 电渗析系统和运行3.2.8.1 操作参数的选取与调整3.2.8.2 控制沉淀生成3.2.8.3 EDR运行方式3.2.9 应用实例3.2.9.1 沙漠苦咸水淡化车3.2.9.2 海水淡化装置3.2.9.3 海水浓缩制盐3.2.10 电渗析淡化的经济性3.2.10.1 产水成本3.2.10.2 经济操作电流密度3.2.10.3 几种淡化方法的比较3.2 电渗析3.2.1 概述在直流电场的作用下，离子透过选择性离子交换膜而迁移，从而使电解质离子自溶液中部分分离出来的过程称为电渗析（Electrodia lysis, ED）。
电渗析技术是开发较早并取得重大工业成就的膜分离技术之一。
初期的研究可以追溯到两个世纪以前。
大多数历史性的报道，都是从1748年法国学者A. Noller 首次发现水能通过膀胱膜自然地扩散到乙醇溶液的实验开始的。
这项实验发现和证实了水能透过动物膜的渗透现象。
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四、树脂的再生
• 逆流的再生流动方式 • 并流的再生流动方式 • 混合的再生流动方式
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五、离子交换过程的设备与操作
• 操作方式
静态交换与动态交换
• 设备类型
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一般离子交换罐；反吸附离子交换罐；
混合床离子交换罐；
流动床离子交换设备；
固定床连续作业设备流程。
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• 电流 电渗析器所需电压为电极电位、膜电位 和克服各项电阻所需电压之和。
离子从淡化室向浓缩室的迁移量是 按化学当量，随电流的大小而定，电流 大，淡化室向浓缩室迁移的离子量就大。
为减少电耗，电渗析器均采用很多 膜对串联结构。通常有200～300膜对。
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• 电极反应 • 膜电位 • 电阻 • 电流
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• 电极反应 指在阳极和阴极分别进行的氧化和还原 反应。
在阳极上：
H2O === H++OH4OH- - 4e === O2 + 2H2O 2Cl- - 2e === Cl2 H+ + Cl- === HCl
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第二节：电渗析与设备
一、渗析 二、电渗析 三、电渗析的传递过程 四、电渗析中的电化学过程 五、浓差极化 六、电渗析设备与操作
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双极膜电渗析由葡萄糖酸钠制备葡萄糖酸的实验研究
双极膜电渗析由葡萄糖酸钠制备葡萄糖酸的实验研究王伟;傅荣强;刘兆明【摘要】采用装配自产双极膜和阳膜的两隔室双极膜电渗析装置,研究了将10％(质量分数)葡萄糖酸钠溶夜转化为葡萄糖酸的实验过程.双极膜电渗析过程可使葡萄糖酸钠溶液电导率降低到3 mS/cm,实现超过95％转化率;随着料液中葡萄糖酸钠浓度的逐渐降低,电流密度、电流效率、产酸量均逐渐下降,而产酸能耗逐渐升高.随着膜对电压的升高,电流密度和产酸量均增加,产酸能耗也增加;膜对电压分别为1.3、1.5和1.8V时对应的电流密度为206、278和340 A/m2,对应的产酸量为56、73和98 mol/(m2·h),对应的产酸直流能耗为48、55和62kW· h/kmol;膜对电压的升高导致了较低的资本支出和较高的运营支出,最佳的膜对电压取决于总支出的最小化;当采用膜对电压为1.5V时第1年的总支出最小,但随后年份中膜对电压1.3V时的总支出最小.%The process of converting 10％ sodium gluconate feed to gluconic acid with a two-chambered bipolar membrane electrodialysis pilot module was studied.It was indicated that the electrical conductivity of sodium gluconate could be reduced to 3 mS/cm and the conversion rate could reach 95％.As the concentration of sodium gluconate decreased,the current density,the current efficiency and the acid generation rate gradually declined,but the energy consumption for perunit of produced acid increased significantly.With the increase of the voltage per cell pair,the current density and the acid generation rate increased,but the energy consumption increased too.When the cell-pair voltage was 1.3,1.5 and 1.8 V,the current density was 206,278 and 340A/m2 respectively,and the acid generation rate was 56,73 and 98mol/(m2 · h) respectively,and the energy consumption for per unit of produced acid was 48,55 and 62 kW · h/kmol respectively.The increase of the cell-pair voltage caused the lower capital expenditure and the higher operating expenditure.The optimum cell-pair voltage should be decided by the overall expenditure.With the cell-pair voltage at 1.5 V,the first year overall expenditure was the least.But as the growth of the years,the cell-pair voltage at 1.3 V could cause the minimum overall expenditure.【期刊名称】《膜科学与技术》【年(卷),期】2017(037)001【总页数】7页(P107-113)【关键词】双极膜;电渗析;葡萄糖酸;离子交换【作者】王伟;傅荣强;刘兆明【作者单位】山东天维膜技术有限公司,潍坊261061;山东省荷电高分子膜材料省级重点实验室,潍坊261061;山东天维膜技术有限公司,潍坊261061;山东省荷电高分子膜材料省级重点实验室,潍坊261061;山东天维膜技术有限公司,潍坊261061;山东省荷电高分子膜材料省级重点实验室,潍坊261061【正文语种】中文【中图分类】TQ028.8葡萄糖酸是一种重要的工业原料，可用于医药工业生产葡萄糖酸衍生物作为营养强化剂及药用补充剂，可用于食品工业作为酸味剂、豆腐凝固剂以及防止乳品中乳石沉淀，也可用于配制清洗剂、织物及金属加工的助剂、皮革矾鞣剂、金属除锈剂、混凝土塑化剂、生物降解的螯合剂及二次采油的防沉淀剂等，具有广泛的应用[1-3].葡萄糖酸是由葡萄糖酸钠经氢型阳离子交换树脂置换钠离子而得，葡萄糖酸钠的工业生产有均相化学氧化法、电解氧化法、多相催化氧化法和发酵法等.均相化学氧化法采用次氯酸钠氧化法生产葡萄糖酸钠，转化率高，但中间步骤多，副产物多，成品含有氯化钠.电解氧化法能耗大，不易控制，因此工业化生产中很少采用.多相催化氧化法工艺简单，反应平稳，易于控制，反应条件温和，但该技术采用稀有金属钯/碳作为主要催化剂，价格昂贵，催化剂循环使用后容易失活，催化效率下降，目前已基本被发酵法取代.我国葡萄糖酸钠工业化生产普遍采用的是黑曲霉菌发酵制葡萄糖酸钠工艺，在葡萄糖溶液中加入无机盐、氮源和黑曲霉种子液后进行发酵；发酵过程中流加氢氧化钠控制发酵液pH在5.0～5.5，通过循环水控制发酵温度在35～38 ℃；菌体与发酵液分离后，发酵液经真空浓缩、结晶后可得葡萄糖酸钠晶体，或经喷雾干燥后制得葡萄糖酸钠粉状产品.葡萄糖酸钠转化为葡萄糖酸的传统生产工艺是离子交换法，即葡萄糖酸钠溶解后，经H型阳离子交换树脂转化为葡萄糖酸，再经真空浓缩、结晶、干燥，即得到葡萄糖酸产品.离子交换工艺中[4]，阳离子交换树脂交换饱和后必须再生才能继续使用，一般通过硫酸再生；该过程不仅耗费大量酸，同时还产生大量高COD含盐废水，COD高达8 000 mg/L，含盐高达30 000 mg/L，该废水难以处理.为此，基于生产过程清洁化和工业可持续发展的要求，人们提出采用双极膜电渗析技术替代离子交换工艺[5-6].双极膜是一种具有特殊功能的离子交换膜，由阴膜层和阳膜层复合而得，在电场作用下能够解离水生成H+和OH-；当双极膜与阴、阳离子交换膜组合使用，形成电渗析设备，就可以实现即时酸和碱的生产.借助双极膜水解离作为H+和OH-的供应源，可以将有机酸盐直接转化为有机酸，同时副产的氢氧化钠循环用于发酵液的pH值调控，节约了工艺前端购买氢氧化钠的费用；同时双极膜电渗析生产工艺无需外加酸，不产生大量高COD含盐废水，在生产成本和环境友好方面明显优于离子交换工艺.已经有研究单位进行了双极膜电渗析制备葡萄糖酸的试验.徐铜文[7]研究了双极膜电渗析的组合形式对生产的影响，并通过传统电渗析与双极膜电渗析的集成提高生产效率[8]；金可勇[9-11]研究了杭州水处理技术研究开发中心生产的不同规格BPM2型双极膜电渗析设备在处理该料液体系时的适用性.这些研究表明，由双极膜和阳膜组成的2隔室结构电渗析设备更适合葡萄糖酸生产，且操作电流强度对生产成本有重要影响.山东天维膜技术有限公司经过多年的研发，成功开发了新型双极膜、新型阳离子交换膜以及实验型电渗析设备.本文将采用该自产双极膜、阳膜和电渗析设备，研究包括葡萄糖酸钠浓度(转化率)和操作电压在内的操作参数对双极膜电渗析制备葡萄糖酸的影响，这些操作参数的影响规律也适用于其它有机酸生产中，为双极膜电渗析技术应用于有机酸生产行业提供应用数据支持.1 实验部分1.1 实验试剂葡萄糖酸钠为山东福洋生物科技有限公司友情提供，分析纯；氢氧化钠和盐酸购自于国药集团化学试剂有限公司，分析纯；氯化钠由山东省海洋化工科学研究院友情提供，分析纯.1.2 实验装置实验所用的双极膜电渗析装置为山东天维膜技术有限公司自主研发生产，为2隔室结构膜堆，共组装10个膜对，每膜对含1张双极膜和阳离子交换膜(简称阳膜)；实验中使用的双极膜和阳膜均产自山东天维膜技术有限公司，型号分别为TWBP1和TWEDCII-2.双极膜和阳膜的性能参数如表1所示，双极膜电渗析器相关参数如表2所示，双极膜电渗析器组装示意图及双极膜电渗析原理示意图分别如图1和图2所示.双极膜在电流密度为1 000 A/m2下的跨膜电压小于1.5 V，水解离效率大于94%；阳膜在0.5 mol/L NaCl溶液中的面电阻为4～5 Ω·cm2，表观迁移数大于0.97(参比样Astom CMX面电阻为4 Ω·cm2，表观迁移数为0.98)；双极膜电渗析器隔板厚度为0.55 mm，单张膜片有效膜面积为84 cm2.双极膜电渗析装置配以直流电源、储液罐、循环泵、转子流量计、压力表以及恒温水浴锅构成了电渗析系统.通过恒温水浴锅控制实验在25 ℃下进行.表1 双极膜TWBP1和阳离子交换膜 TWEDCII-2性能参数Table 1 The performance parameter of TWBP1 and TWEDCII-2膜类型参数数值双极膜TWBP1湿态厚度0.20～0.25mm跨膜电压1.0～1.5V水解离效率0.94～0.98阳离子交换膜TWEDCII2湿态厚度0.15～0.17mm离子交换容量0.90～1.10mmol·g-1(干)水含量20%～30%面电阻4～5Ω·cm2表观迁移数0.97～0.98 注1：双极膜跨膜电压和水解离效率均在0.5 mol/L NaCl溶液测试，溶液温度25 ℃，电流密度1 000 A/m2；水解离效率指双极膜水解离产生OH-量与该电流下OH-理论产量的比值.注2：阳离子交换膜面电阻在0.5 mol/L NaCl溶液测试，溶液温度25 ℃，采用直流电流测量，电流密度70 A/m2；表观迁移数在0.1/0.5 mol/L NaCl溶液测试，溶液温度25 ℃.表2 双极膜电渗析器参数Table 2 The parameter of bipolar membrane electrodialysis参数数值双极膜TWBP1阳膜TWEDCII2极膜(靠近阳极室或阴极室的离子膜)全氟磺酸阳膜膜片尺寸10cm×20cm膜片有效尺寸7cm×12cm隔板厚度0.55mm电极板钛板,表面镀钌铱图1 双极膜电渗析器组装示意图Fig.1 The assembly diagram of bipolar membrane electrodialysis1.3 实验过程初始时，料液室溶液为3.2 L、质量分数约10%的葡萄糖酸钠溶液，碱液室溶液为0.6 L、质量分数2%的NaOH溶液，极室溶液为2 L、2%的NaOH溶液.实验过程中，料液和碱液的循环流速为3 cm/s，极室溶液循环流速为6 cm/s.实验采用恒电压操作，分别在膜对电压为1.3、1.5和1.8 V条件下进行，每隔1 min记录电流数据，每隔30 min记录料液和碱室体积并取样进行葡萄糖酸钠和氢氧化钠浓度的测定，实验至料液电导率基本不再降低时结束.图2 双极膜电渗析原理示意图Fig.2 Flow chart of bipolar membrane electrodialysis1.4 分析方法料液葡萄糖酸钠浓度的测定：配制一系列葡萄糖酸钠与葡萄糖酸的混合溶液，将葡萄糖酸折算为葡萄糖酸钠后溶液总浓度为10%；测试混合溶液的电导率，绘制溶液浓度与电导率标准曲线；双极膜电渗析过程中通过测量溶液电导率计算溶液中葡萄糖酸钠浓度.碱液NaOH浓度的测定：通过酸碱滴定法计算NaOH浓度，采用酚酞指示剂.葡萄糖酸钠转化率k、电流效率η以及能耗Ec分别根据公式(1)、(2)和(3)计算：(1)(2)(3)式中，V0和c0分别为初始时料液体积(L)及料液中葡萄糖酸钠浓度(mol/L)；Vt 和ct分别为时间t时料液体积(L)及料液中葡萄糖酸钠浓度(mol/L)；F为法拉第常数；N为双极膜电渗析器膜对数；It为电流，A；U为膜堆电压，V.2 结果与讨论2.1 双极膜电渗析过程控制膜对电压为1.5 V，双极膜电渗析转化葡萄糖酸钠过程的相关性能数据如表3所示.实验中碱液初始为2% NaOH，这是为了避免采用纯水时其过低电导率导致电渗析过程电流偏低，从而影响了电渗析设备处理量.随着实验的进行，料液中葡萄糖酸钠逐渐转化为葡萄糖酸，料液体积逐渐减少，而碱液体积逐渐增加；料液电导率逐渐降低，碱液电导率逐渐升高，电流密度随之逐渐降低，转化葡萄糖酸钠为葡萄糖酸过程逐渐变慢.实验开始时料液电导率为18.33 mS/cm，电流密度高达477.38 A/m2；在120 min时，料液电导率降为4.45 mS/cm，该点葡萄糖酸钠浓度为1.02%，转化率为89.65%，电流密度为94.05 A/m2；随后电流密度进一步降低，在210 min时，料液电导率为3.56 mS/cm，葡萄糖酸钠转化率超过95%，电流密度为65.48 A/m2.由此可计算双极膜电渗析过程的电流效率、产酸能耗(除另有说明，本文中的能耗均指直流能耗)以及产酸量(表4)，为深入了解该过程，对该3参数分别计算了每30 min的阶段数据和自实验开始计的累积数据.随着实验的进行，料液中葡萄糖酸钠浓度逐渐降低，阶段电流效率和阶段产酸量迅速降低，阶段产酸能耗迅速升高，如图3所示.实验刚开始的30 min，电流效率为79.21%，产酸量为每平方米双极膜每小时产葡萄糖酸131.42 mol，相应地每产1 kmol葡萄糖酸耗电45.75 kW·h；在第90 min到120 min阶段，葡萄糖酸钠浓度降低至1.0%～1.5%之间，电流效率为41.70%，产酸量为17.66 mol/(m2·h)，产酸能耗为105.99 kW·h/kmol；而在最后的30 min，电流效率仅为16.12%，产酸量为4.02 mol/(m2·h)，产酸能耗为281.37 kW·h/kmol.电流效率的下降相关于碱液浓度的增加以及料液电导率的降低，更高的碱液浓度导致更多的OH-穿过阳膜到达料液室中和了葡萄糖酸，更低的料液电导率导致更高的料液室电阻，从而更多的电流可能从电渗析器的进/出口通道中旁路通过[12]；电流效率的下降导致了产葡萄糖酸能耗的上升，电流效率和电流密度的同步下降导致了产葡萄糖酸量的快速下降.从累积数据分析，到第120 min，葡萄糖酸钠浓度降低至约1%，实现葡萄糖酸钠转化率约90%，此时总电流效率为70.87%，总产酸量为73.46 mol/(m2·h)，总能耗为54.66kW·h/kmol；随后的90 min内，实现了葡萄糖酸钠转化率达到95%，而总电流效率降低至62.55%，总产酸量降低至44.55 mol/(m2·h)，总能耗升高至63.65 kW·h/kmol.表3 双极膜电渗析转化葡萄糖酸钠实验数据1(膜对电压1.5 V)Table 3 The data 1 of gluconic acid preparation process (1.5 V)时间/min料液体积/L料液电导率/(mS·cm-1)料液NaGlu质量分数/%NaGlu转化率/%碱液体积/L碱液质量分数/%电流密度/(A·m-2)03.2218.339.330.000.602.00477.38303.1612.255.6940.090.666.17413.10603.117.5782.8970.070.727.98271.43903.075.3121.5484.260.757.98144.05120 3.054.4451.0289.650.789.0494.051503.034.0290.7792.210.798.4877.381803. 013.7550.6193.910.818.0470.242102.993.5560.4995.130.837.9865.48表4 双极膜电渗析转化葡萄糖酸钠过程实验数据2(膜对电压1.5 V)Table 4 The data 2 of gluconic acid preparation process (1.5 V)时间/min阶段电流效率/%累积电流效率/阶段产酸量/(mol·m-2·h-1)累积产酸量/(mol·m-2·h-1)阶段产酸能耗/(kW·h·kmol-1)累积产酸能耗/(kW·h·kmol-1)0------3079.2179.21131.42131.4245.7545.756073.5376.6898.25114.8352.0648.459 063.9474.1946.5292.0665.8651.3812041.7070.8717.6673.46105.9954.66150 26.4667.718.4060.45169.7357.8618020.4164.995.5551.30221.5760.8121016. 1262.554.0244.55281.3763.65图3 电流效率(a)、产酸量(b)及产酸能耗(c)与料液葡萄糖酸钠浓度的关系(膜对电压1.5 V)Fig.3 The relationship between the current efficiency (a), the acid generation (b), the energy consumption(c) and the concentration sodium gluconate(1.5 V)双极膜电渗析在转化有机酸盐过程中无法实现100%转化率，一般需要配以阳离子交换树脂进一步转化有机酸盐[5].上述实验表明，当葡萄糖酸钠浓度降低至约1%后，即料液电导率降低至约4.5 mS/cm，转化率约为90%，进一步提高转化率过程中的电流效率很低，以产酸能耗和单位膜面积产酸量计算的代价很高，工业生产过程中应避免追求过高的双极膜电渗析转化率.2.2 膜对电压对双极膜电渗析过程的影响双极膜电渗析过程的电流密度、产酸能耗以及产酸量显著地受膜对电压的影响，图4显示了膜对电压在1.3、1.5和1.8 V时平均电流密度、累积产酸能耗以及累积产酸量与料液中葡萄糖酸钠浓度的关系曲线.膜对电压为1.3 V时的平均电流密度和产酸量远低于膜对电压为1.5 V和1.8 V时的相应数据；而膜对电压为1.8 V时的平均电流密度和产酸量高于膜对电压为1.5 V时的相应数据.从图4中可读出，当料液中葡萄糖酸钠浓度降低到约1%时，膜对电压1.3 、1.5和1.8 V对应平均电流密度为206、278和340 A/m2，对应的产酸量为56、73和98 mol/(m2·h).产酸能耗相应地随操作电压的增加而增加，当料液中葡萄糖酸钠浓度降低到约1%时，膜对电压1.3、1.5和1.8 V对应产酸能耗为48、55和62 kW·h/kmol.图4 膜对电压对平均电流效率(a)、累积产酸量(b)及累积产酸能耗(c)的影响Fig.4 The influence of operating voltages on the average current efficiency (a), the accumulation acid generation (b) and the accumulation energy consumption(c)随着膜对电压的增加，单台设备的产酸量增加，单位产酸量的能耗增加，这表明同样的产酸量需要的设备数减少，即资本支出(capital expenditure, CapEx)减少，但设备的运行费用增加，即运营支出(operating expense, OpEx)增加；一定时期内的总支出为资本支出与运营支出的总和，膜对电压过低时资本支出可能过高，膜对电压过高时运营支出可能过高，合适的膜对电压取决于总支出的最小化.假定需要每小时转化100 m3质量分数10%葡萄糖酸钠溶液，按表5中的参数核算双极膜电渗析过程在不同膜对电压运行下的各项支出.第1年各项支出如图5(a)所示，膜对电压1.8 V时资本支出(设备及系统)最少，膜对电压1.3 V时运营支出(运营电费)最少，但膜对电压1.5 V时总支出却最少.第1～4年总支出如图5(b)所示，第1年膜对电压1.5 V时总支出最少，但随后年份膜对电压1.3 V时总支出最少，因为较低膜对电压下运营费用的减少.图5 双极膜电渗析过程第1年各项支出及第1～4年的总支出Fig.5 The expenditure of the 1 year and the total expenditure of the 1～4 years表5 双极膜电渗析过程总支出核算参数Table 5 The total calculation parameters of bipolar membrane electrodialysis项目数值设备及系统相关双极膜单价3000元/m2 阳膜单价600元/m2 膜利用率75% 膜更换频率每2年设备其它组件占膜总价50% 系统其它组件占设备总价50%运营相关年运行时间8000h 电费0.6元/kW·h 交流/直流电转化效率90% 其它部件(水泵等)耗电占设备耗电10%3 结论双极膜电渗析过程可使10%葡萄糖酸钠溶液电导率从18.33 mS/cm降低到3mS/cm，实现超过95%的转化率；随着料液中葡萄糖酸钠浓度的逐渐降低，电流密度、电流效率、产酸量均逐渐下降，而产酸能耗逐渐升高.随着膜对电压的升高，电流密度和产酸量均增加，产酸能耗也增加；膜对电压分别为1.3、1.5和1.8 V时对应电流密度为206、278和340 A/m2，对应的产酸量为56、73和98mol/(m2·h)，对应产酸直流能耗为48、55和62 kW·h/kmol；随着膜对电压的升高，导致了较低的资本支出和较高的运营支出，最佳的膜对电压取决于总支出的最小化；当采用膜对电压为1.5 V时，第1年的总支出最小，但随后年份中膜对电压1.3 V时的总支出最小.参考文献:[1] Ramachandran S, Fontanille P, Pandey A, et al. 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电渗析
电渗析是膜分离技术的一种，它是在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的谈化、浓缩、精制或纯化的目的。
在水处理方面，这项技术首先用于苦咸水淡化，而后逐渐扩大到海水淡化及制取饮用水和工业纯水的给水处理中，并且在里金属废水处理、放射性废水处理等工业废水处理中部巳得到应用，目前已成为一种重要的膜法水处理方法，愈来愈受到重视。
对电渗析基本概念的研究始于本世纪初，但在相当长的一段时间内，一直采用动物皮、膀肋膜或人造纤维、羊皮纸等进行实验室研究，而这些膜都没有工业应用价值‘随着合成树脂的发展，1950年w．朱达试制出具有高选择性的明、阳离子交换膜后，才奠定了电渗析技术的实用基础。
1954年美、英等国将电渗析首先用于生产实践中，淡化苦咸水、制备工业用水和饮用水。
此后，电渗析技术逐步引入中东和北非。
自1959年起前苏联也开始研究和推广应用。
日本主要利用电渗桥法浓编制盐，1969年日本国内食盐有30％是用离于交换膜电渗析法生产的，1970年才将电渗新技术用于苦咸水淡化。
目前高于交换膜的研究、生产和应用均已达到很高的水乎。
电渗析技术领先的国家是美国和日本。
生产离子交换膜和电渗析器最多的国家是日本，如日本的旭化成、旭硝于和德山曹达等公司。
美国的Lo础c化学公司、AMF公司(机械和铸造公司)、Ionlcs(离子)公司等也都是生产离子交换膜的大企业。
电渗析器的发展韧期以小型化为主，如美国、前苏联、以色列等国均制造小型电渗析器，用于提供家庭饮用水。
美国还将电渗析用在人造卫星上，即将人体诽出的汗水和小便，用电渗析与活性炭床联合装置处理后再用作饮用水。
而目前电渗桥装置主要向大型化、高膜堆方向发展，发展高温电渗桥，提高电导，减少电耗，发展新型电渗析装置等。
同时正着重于膜的改性和特殊用途膜的开发研制，如耐高温、耐氧化、耐酸碱、耐辐射及抗有机污染等膜的研制。
我国电渗析技术的发展始于1958年*最初中国科学院化学所、上海医药工业研究院及海军某科研单位相继开展研究。
水污染控制技术-膜分离
膜分离
二、电渗析
（一）电渗析原理
海水或咸水中的盐分，能够解离成阳离子和阴离子。因 此，在直流电场作用下，利用只接通过阳离子的阳离子 交换膜和另一种只能通过阴离子的阴离子交换膜，分别 选择性地除去水中的阳离子和阴离子，从而达到分离、 浓缩和谈比的目的。
（二）电渗析装置
（三）反渗透装置
膜分离
1．板框式反渗透装置
这种装置的优点是结构简单，体积比管式的小， 缺点是装卸复杂，单位体积膜表面积小。
2. 管式反渗透装置
这种装置的优点是水利条件好，适当调节水流状 态就能防止膜的污染和堵塞，能够处理含悬浮物的溶 液，安装、清洗、维修都比较方便。它的缺点是：膜 的有效面积小，装置体积大，而且两头需要较多的联 结装置。
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2. 制造食盐
日本采用电渗析法制造食盐，最近将过去的盐田法逐步改为电渗析法。这种方法首先要进行海水的前处理。先 将盐水过滤，调节pH值，制成适合于电渗析的海水。再将它浓缩成盐浓度为18-20％的浓缩液。海水的盐浓度为 3%，用电渗析法可浓缩至6—7倍。将这种浓缩液在真空蒸发罐中加热从而制成固体盐，用这种方法制成的盐相当 纯，据说用于食品加工中味道很好。由于太纯，还要适当加入微量的镁盐。
（五）应用实例
膜分离
1. 反渗透法与离子交换法组合处理电镀含镍废水
采用醋酸纤维素反渗透膜的管式反渗透器及丙烯酸型725强酸性阳离子交换树脂。这种树脂在pH值为4 左右时，对废水中的镍离子的交换可以达到全饱和，有较大的交换容量，适合于吸附电镀废水中的镍离子。 用反渗透法处理电镀废水时，铜、铬、锌等的分离率在95%以上。
污水的物理处理技术 ——膜分离
渗析和电渗析技术简介及在水处理中的应用
渗析和电渗析技术简介及在水处理中的应用一、渗析和电渗析技术简介人们早就觉察，一些动物膜，如膀胱膜、羊皮纸〔一种把羊皮刮薄做成的纸〕，有分隔水溶液中某些溶解物质〔溶质〕的作用。
例如，食盐能透过羊皮纸，而糖、淀粉、树胶等则不能。
假设用羊皮纸或其他半透膜包裹一个穿孔杯，杯中满盛盐水，放在一个盛放清水的烧杯中，隔上一段时间，我们会觉察烧杯内的清水带有咸味，说明盐的分子已经透过羊皮纸或半透膜进入清水。
假设把穿孔杯中的盐水换成糖水，则会觉察烧杯中的清水不会带甜味。
明显，假设把盐和糖的混合液放在穿孔杯内，并不断地更换烧杯里的清水，就能把穿孔杯中混合液内的食盐根本上都分别出来，使混合液中的糖和盐得到分别。
这种方法叫渗析法。
渗析时外加直流电场常常可以加速小离子自膜内向膜外的集中，为电渗析。
起渗析作用的薄膜，因对溶质的渗透性有选择作用，故叫半透膜。
近年来半透膜有很大的进展，消灭很多由高分子化合物制造的人造薄膜，不同的薄膜有不同的选择渗析性。
半透膜的渗析作用有三种类型∶①依靠薄膜中“孔道“的大小，分别不同的分子或粒子;②依靠薄膜的离子构造分别性质不同的离子，例如用阳离子交换树脂做成的薄膜可以透过阳离子，叫阳离子交换膜，用阴离子树脂做成的薄膜可以透过阴离子，叫阴离子交换膜;③依靠薄膜有选择的溶解性分别某些物质，例如醋酸纤维膜有溶解某些液体和气体的性能，而使这些物质透过薄膜。
一种薄膜只要具备上述三种作用之一，就能有选择地让某些物质透过而成为半透膜。
在废水处理中最常用的半透膜是离子交换膜。
电渗析过程原理可由图 3-23 来说明。
这是一个简洁的三隔室电渗析器，中间淡水室装有混合阴、阳离子交换树脂或装填离子交换纤维等，两边是浓室〔与极室在一起〕。
它的作用原理有以下几个过程。
① 电渗析过程∶在外电场作用下，水中电解质通过离子交换膜进展选择性迁移，从而到达去除离子的作用。
② 离子交换过程∶ 此过程靠离子交换树脂对水中的电解质的交换作用，到达去除水中的离子。
离子交换膜和电渗析
Electrodialysis
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离子交换膜（ion exchange membrane）是 电渗析器的主要部件，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 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”。
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电渗析运行时可能发生的过程
Electrodialysis
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电渗析过程中的其他迁移过程
① 同名离子迁移 ② 电渗析的浓差扩散 ③ 水的渗透 ④ 水的电渗透 ⑤ 压差渗漏 ⑥ 水的解离
Electrodialysis
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阳极
阴极
Arrangement of membranes for electrodialysis 2，4，6，8——淡化室；3，5，7——浓缩室
1950年 Juda试制成功了第一张具有选择透过性的阳、阴离子 交换膜，奠定了ED技术的实用基础，ED技术得到迅速发展。
1952年 美国Ionics公司制成了第一台电渗析装置；
1954~1956年 英、美将ED首先应用于生产实践中，主要应用 于苦咸水淡化、制备工业用水和饮用水，此后，ED 技术逐步 被引入北非、南非以及中东地区。
Electrodialysis
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二、离子交换膜的选择透过性
可由以下几个方面加以说明：
1. 孔隙作用——只有当被选择的离子的水合半径小于 孔隙半径时，该离子才能透过膜。
2. 静电作用——根据同电性相斥、异电性相吸的静电 作用规律，阳膜选择吸附阳离子；阴膜选择吸附阴 离子。
《电渗析器》word版
电渗析器一、电渗析器的主要结构电渗析器的主要由膜堆、级区及夹紧装置组成，见图7-6。
本结构及组装形式1-压紧板；2-垫板；3-电极；4-垫圈；5-导水、极水板；6-阳膜；7-淡水隔板框；8-阴膜；9-浓水隔板框—极水；—浓水；……淡水在电渗析器中“膜对”是最小电渗析工作单元，它由阴膜、淡水隔板、阳膜和浓水隔板组成。
由若干个膜对组成的总体称为“膜堆”。
置于电渗析器夹紧装置内侧的电极称为“端电极”。
在电渗析器膜堆内，前后两极共同的电极称为“共电极”。
电渗析器的组装方式有串联、并联及串-并联相结合的几种形式。
常用“级”和“段”来表示。
“级”是指电极对的数目。
“段”是指水流方向，水流通过一个膜堆后，改变方向进入后一个膜堆，即增加一段。
电渗析器的组装方式有一级一段、一级多段、多级多段等。
图7-7是电渗析器的组装方式示意图。
一级一段电渗析器即一台电渗析器仅含一段膜堆，由于只有一对端电极，通过每个膜对的电流强度相等。
水流通过膜堆时，是平行地向同一方向通过各膜对，实际上这样的膜堆是以并联的形式组成一段。
这种电渗析器的产水量大，整台脱盐率就是1张隔板流程长度的脱盐率，多用于大、中型制水场地。
国内一级一段电渗析器一般含有200~360个膜对。
一级多段电渗析器通常含有2~3段，使用一对电极，膜堆中通过每个膜对的电流强度相等。
这类电渗析器段与段之间的水流方向图7-7 电渗析器的“级”和“段”示意图相反，内部必须装有用来改变水流方向的导向隔板，使水流从一段出来改变方向流入另一段，这种方式实际是串联组装。
在级内分段是为了增加脱盐流程长度，以提高脱盐率。
这种形式的电渗析器单台产水量较小，压降较大，脱盐率较高，适用于中、小型制水场地。
多级多段电渗析器使用共电极使膜堆分级。
一台电渗析器含有2~3级、4~6段。
将一台电渗析器分成多级多段进行组装，是为了获得更高的脱盐率，多用于小型海水淡化器和小型纯水装置。
二、电渗析器的性能指标1．淡水产量Q d = 0.0036nvdb 7-22式中Q d——单台电渗析器在单位时间内的淡水产量，m3/h；n ——并联的膜对数；v ——除盐室中的流速，cm/s；d ——隔板厚度，cm；b ——隔板流水道宽度，cm；2．脱盐率：f = (C j-C d) / C j×100% 7-23式中 f ——脱盐率，%；C j ——进水含盐量，mmol/L；C d——出水含盐量，mmol/L；3．电流效率电流效率= 理论耗电量/ 实际耗电量×100%= 26.8×Q d (C j-C d) /（In）×100% 7-24式中I——电流，A；其它符号同前。
工业废水膜分离法全解
13.6 扩散渗析
• 扩散渗析是使高浓度溶液中的溶质透过薄膜 向低浓度溶液中迁移的过程。扩散渗析的推动力 是薄膜两侧的浓度差。
• 最初扩散渗析使用的薄膜是惰性膜，大多用 于高分子物质的提纯。使用离子交换膜的扩散渗 析，利用膜的选择透过性，可以分离电解质。 扩散渗析的渗析速度与膜两侧溶液的浓度 差成正比。只有当原液的浓度大于10%时，扩散 渗折的回收效果才显著，才有实用价值。
离子交换树脂的种类
离子交换树脂按照功能基团的性质可分为：含有酸性基团的阳离 子交换树脂、含有碱性基团的阴离子交换树脂、含有胺羧基团等的 整合树脂、含有氧化-还原基团的氧化还原树脂(或称电子交换树脂) 以及两性树脂等五种，还有新近发展起来的萃淋树脂(或称溶剂浸渍 树脂)等等。其中，阳、阴离子交换树脂按照活性基团电离的强弱程 度 ， 又 分 别 分 为 强 酸 ( 如 -SO3H) 、 弱 酸 ( 如 -COOH) 、 强 碱 ( 如 N(CH3)3+0H-)、弱碱(如-NH2)树脂。
两面装有反渗透膜。在压力作用下，透过膜的淡化水在 隔板内汇集并引出。
（2）管式
– 管式装置分为内压管式和外压管式两种。
– 内压管式将膜镶在管的内壁，含盐水在压力作用下在管 内流动，透过膜的淡化水通过管壁上的小孔流出；
– 外压管式将膜铸在膜的外壁，透过膜的淡化水通过管壁 上的小孔由管内引出。
（3）卷式
1、单程式
– 在单程式系统中，原水一次经过反渗透器 循环式系统有一部分浓水回流重新处理，可 提高水的回收率，但淡水水质有所降低。
3、多段式
– 多段式系统可充分提高水的回收率，用于产 水量大的场合，膜组件逐渐减少是为了保持 一定流速，以减轻膜表面的浓差极化现象。
电渗析器-膜技术
电渗析器-膜技术一．概述电渗（简称ED）作为新兴的膜分离设备，于五十年代发展至今，已成为一种成熟的化工单元操作，日益受到广大水处理用户的青睐。
电渗析技术所以能在短短几十年内得到如此迅猛的推广应用，是由于它较传统的分离方法更具无可比拟的优越性；分离过程能耗低、无相变，无需其他化学药品，无环境二次污染，节约酸碱，设备简单，操作方便，一般水质经过电渗析处理，可一步制取初级纯水。
电渗析装置已广泛用于治金、化工、石油、煤炭、电子、电力、城建、医药、纺织、铁路、食品、饮料等行业的工业用水处理方面，获得令人满意的技术经济效益。
二．电渗析原理电渗析器是在外加直流电场的作用下，当含盐分的水流经阴、阳离子交换膜和隔板组成的隔室时，水中的阴、阳离子开始定向运动，阴离子向阳极方向移动，阳离子向阴极方向移动，由于离子交换膜具有选择透过性，阳离子交换膜（简称阳膜）的固定交换基团带负电荷，因此允许水中阳离子通过而阻挡阴离子，阴离子交换膜（简称阴膜）的固定交换基团带正电荷，因此允许水中的阴离子通过而阻挡阳离子，致使淡水隔室中的离子迁移到浓水隔室中去，从而达到淡化的目的。
电渗析器通电以后，电极表面发生电极反应，致使阳极水呈酸性，并产生初生态的氧O2和氧气Cl2。
阴极水呈减性，当极节水中有Ca=+和Ng++时由生成CaCO3和Ng(OH)2水垢，结集在阴极上，阴极室有氧气H2排出。
因此极水要畅通，不断排出电极反应产物，有利于电渗析器正常运行。
三、电渗析的结构电渗析不论其规格怎样，形式如何，均由膜堆、电极、夹紧装置三大部件组成。
1. 膜堆一张阳膜、一张隔膜、一张阴膜，再一张隔板组成一个膜对，一对电极之间所有的膜对之和称膜堆。
它是电渗析器的心脏部件，也是电渗析器性能好、坏的关键部件。
在此简单介绍组成膜对零件的主要材料：（1）阴、阳离子交换膜：按膜中活性基团的均一程度可分为异相膜（非均质），均相膜与半均相膜。
理论上讲均相膜优越，事实上由于各制膜厂技术水平不齐，生产经验不等，制出来的膜性能相关很大，即使同一家厂的产品由于批号不一样性能差别也不小。