第十七章 膜分离法1

负极
2
c
A
c
A
c
A
c
A
O2 Cl2
正极
一系列阴、阳膜交替排列 于两电极之间组成许多由 膜隔开的小水室
呈 碱 性 极 室
呈 酸 性 极 室
C——阳膜; A——阴膜
淡水 浓水
图14－1
电渗析原理图
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；
淡水室和 浓水室分 别得到淡 水和浓水
注意：在电渗析过程中，除了上述离子电迁移和 电极反应两主要过程以外，同时还发生一系列次 要过程，如下所述。
（1）反离子的迁移——离子交换膜的选择性不可能达到 100％，少量电荷相反的离子透过膜，即阴离子透过阳膜， 阳离子透过阴膜。当膜的选择性固定后，随着浓室盐浓 度增加，这种反离子迁移影响加大。 （2）电解质浓差扩散——膜两侧溶液浓度不同，在浓度 差作用下，电解质由浓室向淡室扩散，扩散速度随浓度 差的增高而增长。 （3）水的渗透——由于浓、淡水室存在浓度差，又是 由半透膜隔开，在水的渗透压作用下，水由淡水室向浓 水室渗透。浓度差愈大，水的渗透量也愈大。
与电渗析器构造基本相同,缺少电极.
2.5 扩散渗析的特点: 优点: 不耗电,运转费用低; 缺点:分离效率低,设备投资较大.
3 电渗析法
3.1 基本原理和工作过程
阳极： Cl- →Cl2↑ +2e 阴极 ： 2H++2e →H2↑ （氧化反应）： H2O →H+ +OH- （还原反应）： 4OH- →O2↑+2H2O+4e 阳膜:允许阳离子通过; 阴膜:允许阴离子通过; 形成淡水室和浓水室
离子选择透过 离子选择透过
水分子选择透过 水分子选择透过
推动力
浓度梯度 电位梯度 压力梯度 压力梯度 浓度梯度 电能
适用范围
分离离子态的溶质 分离浓度1000-5000mg/L离 子态溶质 分离浓度1000-10000mg/L 小分子态溶质 分离分子量大于500的大分 子溶质 分离离子和分子态溶质 分离离子态溶质
结垢的结果必然导致膜电阻增大，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。 思考：如何防止极化？ 最有效的方法是控制电渗析器在极限电流密度以 下运行。 定期倒换电极和酸洗，可将膜上积聚的垢层溶解 下来。
(2)极限电流密度----使膜界层中产生极化现象 的电流密度,称极限电流密度(i lim ),理论值为: i lim =CDF/(t平均-t)ξ

（4）水的电渗透——溶液中离子实际上都是以水合离 子形式存在，在其电迁移过程中必然携带一定数量的水 分子迁移，这就是水的电渗透。随着溶液浓度的降低， 水的电渗透量急骤增加。

（5）水的电离——在不利的操作条件下，由于 电流密度与液体流速不匹配，电解质离子未能及 时地补充到膜的表面，而造成膜的淡水侧发生放 的电离，生成H+和OH-离子，以补充淡水侧离子之 不足。
废水的物理化学处理方法
---- 膜分离法
学习内容
1 概述 2 扩散渗析法 3 电渗析 4 反渗透法 5 超滤法 6 液膜分离技术
1 概述
1.1 膜分离法(膜析法）
利用特殊的薄膜对液体中的成分进行选择性分离的技术. 利用天然或人工合成膜以外界能量或化学位差做推动力 对水溶液中某些物质进行分离、分级、提纯和富集方法 的统称。
渗透
半透膜
反渗透
半透膜 大於滲透壓 的壓力
滲透壓
高濃度溶液
低濃度溶液
低濃度溶液 (a)
高濃度溶液 (b)
所施加之压力 > 渗透压
3．反渗透透过机理： (1)溶解扩散理论; (2)选择性吸着——毛细管流机理见图
t
t
亲水性 2t 图14-5 毛细管流机理 2nm时，临界孔径
4.2 反渗透膜
反渗透膜是一类具有不带电 荷的亲水性基团的膜，种类 很多。按成膜材料可分为有 机和无机高聚物，应用比较 广的是: (1)醋酸纤维素膜(CA膜)：由 乙酰基含量为39.8%或臵换 度2.46的醋酸纤维素作骨架 制成 (2)芳香族聚酰胺膜:美国杜邦 公司的“B-9”和“B-10”中 空纤维件。 (3)聚苯并咪唑膜:
换树脂就得到表面涂层膜，如在苯乙烯磺酸型阳膜的表面再薄薄地涂 上一层酚酸磷酸树脂膜，得到的膜对一价阳离子有较好的选择性，而 且有阻止二价阳离子透过的性能。
2.离子交换膜性能要求:
(1)选择透过性高; (2)导电性好; (3)交换容量大; (4)溶胀率和含水率适量; (5)化学稳定性强; (6)机械强度大.
6．膜透水速度较小， 膜透水速度高，故 要求工作压力高， 工作压力低，耗 耗电量也较高 电量也较低
7．膜使用寿命一般为 一般使用5年以上性 3年 能基本不变 8．价格较便宜 抗氯性较差，价格 较高
CA膜介绍 无强烈氢键的无定形链状高分子化合物，将其溶解在丙 酮中并加入甲酰胺作添加剂，经混合调制、过滤、铸塑 成型；然后再经蒸发、冷水浸渍、热处理，即可得到醋 酸纤维素膜(简称CA膜)。 外观为乳白色、半透明，有一定的韧性，膜厚100～ 250μm。其结构如图所示。具有不对称结构。表面结构 致密，孔隙很小，通称为表皮层或致密层、活化层；下 层结构较疏松，孔隙较大，通称为多孔层或支撑层。
CA膜
聚酰胺复合膜
1．不可避免地会发生 化学稳定性好，不 水解，脱盐率会下 会发生水解，脱 降 盐率基本不变 2．脱盐率95%，逐年 递减 3．易受微生物侵袭 4．只能在pH值4-7范 围内运行 脱盐率高，>98% 生物稳定性好，不 受微生物侵袭 可在pH值3-11范围 内运行
5．在运行中膜会被压 膜不会被压紧，因 紧，因而产水量会 而产水量不变 不断下降
综上所述，电修析器在运行时，同时发生着多种复 杂过程。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，在电渗析器的设计和操作中，必须设法消
推动力??? ----液膜两侧的浓度差（离子运动）
2.2 渗析膜发展
惰性膜----高分子物质的提纯; 离子交换膜----分离电解质.
2.3 扩散渗析的应用----从酸洗钢材废液中 回收硫酸
1.工艺流程:
2. 渗析器内的工作过程:
阴离子交换膜
回收室
原液室
问题:1.原液室与回收室内离子种类是如何变化? 2.硫酸浓度对渗析扩散有何影响?
3.电压消耗及工作电压----电渗析器需要的电压越 高,电耗就越大. 电渗析器的工作电压V可分解为以下几部分: V=Ed+Em +IRj+IRm +IRs
式中
Ed——电极反应所需的电势，V； Em——克服膜电位所需的电压，V； Rj——接触电阻，Ω； Rm——膜电阻，Ω； Rs——溶液电阻，Ω；它包括浓水、淡水和极水电阻。
icRT
C——溶液的物质的量的浓度,mol/m3; i——系数,海水i=1.8
4 反渗透
• 反渗透—在溶液一侧施加大于渗透压的压力,则溶液 中的水会透过半透膜,流向纯水一侧,溶质则被留在 Nhomakorabea液一侧.
icRT
C——溶液的物质的量的浓度,mol/m3; i——系数,海水i=1.8
反渗透原理
式中:C--界面层外溶液中的离子浓度; D—扩散系数; F—法拉第常数; t平均—反离子在交换膜内的迁移数; t—反离子在溶液中的迁移数; ξ--界面层厚度
2.电流效率----从废水溶液中除去一定量盐类物质 时,理论上需要的电量与实际消耗的电量的比值, 称为电流效率. 衡量电渗析器电流利用率的指标.
3.4 电渗析器—利用电渗析原理脱盐或处理废 水的装置 1. 构造
(1)膜堆：一对阴阳膜和一对浓淡水隔板交替排列， 组成最基本的脱盐单元，称为膜对。 一对电极之间若干膜对组成膜堆。 (2)极区：电极、极框、电极托板、橡胶垫板。 供电,配水,排水作用. (3)压紧装臵: 压杆、螺杆紧固。 将极区和膜堆组成不漏水的整体.
4 电能消耗及电能效率 电能消耗计算公式:
式中
V——工作电压，V； I——工作电流，A； Qd——淡水产量，m3／h。
电能效率是电渗析器电能利用率的指标,它是理论电能消耗 量与实际电能消耗量的比值.
3.6 电渗析法在废水处理中的应用 1.两种主要的工艺类型 (1)阳膜阴膜交替排列而成的普通工艺—从废 水中单纯分离污染物离子,或将污染物离子 与非电解质污染物分离. (2)复合膜与阳膜构成的特殊电渗析分离工 艺—从废水中制取酸和碱.
3.5 电渗析的工艺技术问题和指标
1. 极化现象和极限电流密度
(1)极化现象:电渗透过程中,电流强度大到使C’ 趋于零,此时淡水侧会发生水分子的电离,使H+和 OH-离子的迁移来补充传递电流,这种现象叫极化 现象.
?????极化现象的结果??? 结垢
•阴膜浓水一侧，由于OH-离子富集，pH值增高，便产生 氢氧化物沉淀； •阳膜的浓水一侧，由于膜表面处的离子浓度c2’比c’大得 多，也容易造成膜面附近结垢。
1.2 主要特点
(1)无物相变化,能量转化效率高; (2)大多不消耗化学药剂; (3)常温操作,不消耗热能; (4)设备可用于生产.
1.3 膜法的分类及各自特征
表17-1 几种膜分离法的特征及其区别
分离过程
扩散渗析 电渗析 反渗透 超滤 液膜渗析
膜名称
渗析膜 离子交换膜 反渗透膜 超滤膜 液膜
膜功能
只有当原液少硫酸的浓度不小于10%时，扩散渗折的回收效果才显著， 才有实用价值。
2.4 设备
为了提高膜两侧的浓度差，水与原液在阴膜的两侧相向而 流。 为了便于操作、安全、节能，一般均采用高位液槽重力流； 扩散渗析器需要使用耐酸的阴离子交换膜，阴膜之间放置 隔板。根据流量确定并联的隔板数目。将数十张至成百张 隔板按要求叠放，用压紧装置紧固成一个整体。