9章—2电渗析法淡化与除盐

1、电流密度：单位膜面积通过的电流强度称为电流 密度i。 2、膜界面极化现象： 以阳膜淡水室一侧为例： 过大的电流密度会导致阳膜淡室侧膜表面的离子浓度 低到接近于零。要保持电流通过，则在界面层中由水 离解为H+和OH-，使之传递电流，这种现象称为极化 现象，它主要发生在阳膜的淡室一侧。 同时产生的另一种膜界面现象是水离解出的OH-在电 场力的作用下迁移过阴膜，造成阴膜浓室一侧PH上升。 产生沉淀反应。
1000

（3）当处于稳定状态时:
即
i i t t F F i C C t t D F 1000




i——电流密度，mA./cm2 当i增大时，C’下降，i达某一值时，C’=0 当i继续增大时，水H2O产生电离， H+、OH-传递电流。 这种现象——水的极化现象，也称浓差 极化。

极室中的反应： （1）阴极室进行还原反应： 2H++2e→H2↑ 形成了：Na(OH)、NaCl
碱性溶液。
并形成：Mg(OH)2、CaCO3沉积于电极上。（水垢）


（2）阳极室进行氧化反应： 4OH--4e→O2↑+2H2O 2Cl--2e→Cl2↑ 形成了：HCl；NaCl酸性溶液。 (三)耗电：1、极室反应耗电。 2、电流通过溶液和膜时的电阻耗能。

阳膜对阳离子的选择透过率（P+）：
t t P 100% 1 t
公式: 通电时阳离子所迁移的电量（实测电量） 与所有离子迁移总电量（理论量）之比值。 t+——阳离子在溶液中的迁移数。 t ——阳离子在膜内的迁移数（理想膜，t 应为1） 分子为：实际膜条件下，阳离子在阳膜内与在溶 液中的迁移数之差。 分母为：理想条件下阳离子在阳膜内与在溶液中 的迁移数之差。 P+越大，越接近1，膜性能越好。 2 2、膜电阻：电阻率×膜厚，单位：Ω·cm (测定)
2 C2 x C1 2C2
2 C1 x x 2 C2 2 xC2 x 2

平衡态膜两侧[Cl-]比值:
Cl Cl

2
1
2 C2 C2 C2 x C1 2C2 C1 C2 2 C2 x C2 C1 2C2
当C1

Cl C 时 Cl
六、电渗析工艺设计与计算


(一)电渗析的总流程长度的计算：(进出口长度) 隔板厚度d（cm），流道宽b（cm），流道长l（cm） 膜有效面积为bl cm2 1000 I 2 i mA cm 平均电流密度i bl I——电表所示电流量， dbv 一个淡室的流量：q L S q



流水道： 有回路式：流程长，流速高，电流效率高，一 次除盐效果好。 适用：流量小，除盐率高场合。 无回路式：流程短，流速低，要求隔网搅动 （搅动，水流冲动网，网使水流紊动）作用强， 及水流分布均匀。 适用：流量大，除盐率低场合。



2、极区：接直流电流的电极板， 设有原水进口，淡水，浓水出口及极室水的通路。 组成：电极，极框，电极托板，橡胶垫板等。 极框作用：防止膜贴到电极上，保证极室水流畅， 及时排掉电极的反应产物。 常用电极：石墨、钛涂钌、铅、不锈钢等。 3、紧固装置： 包括：两端压板和紧固螺栓，把膜堆均匀夹紧， 使其不漏水。 4、其它设备： 整流器、水泵、转子流量计等。
异相膜：用粘合剂（或膜材料） 与树脂粘合成膜并加 入衬网面制成，两相 按结构分类： 不均匀。 特点：价低，机械强度好， 适水性大，但膜电阻大， 耐热性差。 均相膜：树脂与成膜材料均匀。 特点：与异相膜相反。 半均相膜： 普通膜： 按抗腐蚀分类： 抗氯膜：

1、选择透过率： 离子在溶液中与在交换膜 中迁移数量不相同，在理想情况下，在膜中 迁移比例应等于1，但实际上达不到1。
二、电渗析原理及过程


（一）原理：在电场力的作用下，使阴、阳离 子作相反的一定向移动，利用阴阳离子交换膜 对阴阳离子的选择透过性，使阴阳离子在浓室 中浓度升高，淡室中浓度降低，来制取淡水。 （二）电渗析的过程： 通电后：水中的阴离子向阳极方向移动， 阳离子向阴极方向移动。 阴膜可选择通过阴离子而阳离子不能通过； 阳膜可选择通过阳离子而阴离子不能通过。
三、电渗析的 构造与组装：

（一）构造： 部件：压板，电极 托板，电极，极框， 阴、阳膜，浓、淡 水隔板等，整个结 构分为膜堆、极区， 紧固装置三大部分。




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。 由许多膜对叠到一起构成膜堆。 隔板作用：隔开阴、阳膜，板上设有配水 孔，布水槽，流水道及搅动水流的隔网等。 由于隔板与进出水的不同，浓、淡水室相 连接，其分别相应地分为淡室和浓室。 隔板材料：聚氯乙烯、聚丙烯、合成橡胶。 隔网形式：鱼鳞、编织、冲膜式网。

3、电流效率：η
m1 q (C1 C 2 ) F 100 % m 1000 I

η与膜对数无关，膜对数与电压成正增长。

4、电能效率： 与电流效率不同，是衡量电能利用程度 的指标。
理论耗电量 电能效率 实际耗电量

目前：电渗析的电能效率很低。
（二）极限电流密度：

1000

v——流速cm/s 电流效率公式：（已学） 将q、I代入
qC1 C 2 F 1000 I
dbv (C1 C2 ) F 1000 ibl 1000 1000


vd (C1 C2 ) F l (cm) 1000 i 极化时电流强度 ilim=KCvn 代入得： 极限电流密度工况下的脱盐流程长度：llim
由曲线两端等实验点作 两直线交于P点，过P点 引垂线，即得到ilim和相 应膜对电压VP。 许多流速下重复上述实 验，可得许多ilim和相应 的淡室对数平均离子浓 度C值，再用图解法可 确定K值和n值。


五、极化和沉淀

我们谈到了极化，当电流超过ilim时， 1、水极化产生H+和OH-（阳膜淡室侧） 而在阴膜的浓室侧则出现沉淀。
（二）、电渗析的组装：


级——一对电极之间的膜堆为一级。 段——具有同向水流的并联膜堆为一段。 一级一段 组装方式： 多级一段 一级多段 多级多段
四、电流效率与极限电流密度



（一）电流效率：实际除盐量与理论除盐量之比：η 1、实际除盐量：m1（克） M g m1 qC1 C2 t B 1000 q——一个淡水室的出水量（l/s） C1；C2——（淡水室）进出水含盐量mmol/l t——通电时间s MB——物质的摩尔质量 g/mol 2、理论除盐量：m（g） ItM B m F I ——电流，A ↗库仑 F——法拉第常数, 96500 C/mol



（5）极限电流密度的测定： 电压——电流法， 电压——流速法， PH——电流法， 极谱法， 激光干涉法等。 常用：电压——电流法。 步骤： 1）在进水浓度稳定的条件下，固定浓、淡水 的水流和进口压力。 2）测定电压——电流，相关数据组。 3）建立膜对电压——电流密度曲线。

4）求极限电流强度： ilim
Cl-(C2)

Na Cl Na Cl
1 1 2
2
1室
2室

据电中性法则：
1 1 1

Na Cl Z 则： Na Cl Cl
2
1 1
Na Cl

2 2
2
将浓度代入:
C1 x x C2 x 2 2
Mg 2 2OH Mg (OH ) 2 Ca 2 OH HCO3 CaCO3 H 2O

2、危害：增加膜电阻，增加消耗电能， 使膜的有效面积缩小。




3、防除垢措施： （1）控制操作电流，防极化，减缓 生成水垢。 （2）定期倒换电极，但浓淡室也相 应倒换。 （3）定期酸洗：用1~1.5%盐酸溶液 清洗，酸洗周期1周~1月一次。

（4）极限电流密度：ilim(C'=0时的i)
FD C ilim t t 1000 δ——界面膜厚度与水流有关。 k n v
v——水的流速， 厘米/s n——是变量与温度有关，n=0.3~0.9 与隔网形成的 水紊动有关。 k——系数，与隔板形式及厚度等因素有关。 代入原 式中： FD ilim Cv n t t k 1000
§9-2电渗析法淡化与除盐
膜分离法：反渗透，超滤和渗析法 的统称。 这几种方法的特点：都是利用物质 的可选择透过性的膜。
各种膜分离法的分离对象推动力。


渗透——膜能使溶剂（水）透过的现象称 为渗透。 渗析——膜能使溶质透过的现象称为渗析。
一、离子交换膜及其作用机理：



（一）离子交换膜： 分类： 阳膜：用阳离子交换树 脂制成，只准阳离子 按选择透过性分： 通过。 阴膜：用阴离子交换树 脂制成，只准阴离子 通过。
2.3Fd v1n C1 llim lg cm 1000 K C2
n p 278 Q ( 对) dbv

电渗析并联膜对数:np
Q——淡水产量m3/h 278——换算系数

实际工程中：可据淡水产量，及处理要求选用定型产品并 确定台数，及串并联组合方式。 串联——提高水质， 并联——增加产水量。
Mg 2 2OH Mg (OH ) 2 Ca OH HCO3 CaCO3 H 2O
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（1）膜内迁移量：
i t F


i——电流密度， F——法拉第常数 。 t ——阳离子进膜内 迁移数。 膜内迁移量，相当于 单位时间，单位面积 所迁移的物质的量。
2
2
1
C1 C2



当1室Na+Z-浓度非常大时，x→0，2室中的Cl几乎不能透过膜来。 我们把交换膜的溶液界面看成半透膜，固定于 离子交换膜的活动基团（如树脂上的-SO4--…） 相当于Z-可交换离子为Na+，当膜含有相当多 的活性基团时，溶液中的Cl- 几乎不进入膜内， 也即膜对离子具有选择透过性。 若增大C2 ，进入膜的Cl-也随着增加，→膜的选 择透过性相应降低。 阴离子交换膜的原理也相同。

（二）设计参数的初步确定：
1、脱盐率： 取决于隔板厚度，流程长度，流速及电流 密度，某一类隔板，均有多种规格。


表介绍了无回路网式聚丙烯隔板，在流速6cm/s，进水盐 量2000mg/lNaCl。25℃时的单段除盐率。 手册上还有许多，供设计者初选。




（二）离子交换膜的作用机理： 膜的主要性能：离子的选择透过性，作用机理为道南 （唐南Donnan）平衡理论。 Z离子不可透过膜， Na+；Cl－可自由透过膜。 NaZ 膜 NaCl （1） 膜 （2 ）
Z-(C1)
-(C ) -(C -x) Z Cl 1 2 → Na(C1+x) Na+(C1) Na+(C2) Cl-(x) Na+(C2-x) 初始 平衡状态 当体系处平衡时，膜两侧的Na+和Cl-浓度的乘积,即扩 散速率必须相等:

（2）溶液中的迁移量：
i t F

t+——阳离子进溶液中的迁移数， 由于
i i t ＞ t 造成浓度差C’；C。 F F


据菲克扩散定律：扩散物质的通量φ为： D(C C ) mmol/cm2· s


D——扩散系数cm2/s C’ ； C——界面层两侧物质的量浓度mmol/l δ——边界层厚cm
C——浓度，水在流道中流动，C逐渐降低，变化规律： 沿流向按指数关系分布，C采用对数平均值。
C
C1 C2 C1 2.3lg C2


C1、C2—淡室进出水浓度mmol/l 令： FD K t t k 1000
ilim KCv

n
K——称为水力特性系数， 主要与膜的性能，隔板形 式与厚度、隔网形式，水的 离子组成，水温等有关。 K和n可由实验确定。