电渗析分离技术

离子交换膜的选择性透过机理:
Sollner双电层理论和Donnan平衡理论
Sollner双电层理论 固相活性基团吸引相反电荷的溶液中的离子, 分子 运动使这些离子企图从膜移开, 二者达到平衡, 形成 扩散层: 紧密层液体稳定,不进行相对运动. 扩散层的 厚度与外部溶液性质有关. 若固相带电荷小,外溶液 浓, 离子价数高, 则扩散层小
电渗析的原理
非选择性膜仅起位垒作用，防止电渗析产物混合， 对离子无选择性
• 电渗析离子交换膜是带电荷的高分子电解质,布 满孔道.阳膜带负电荷,阴膜带正电荷 • 16.1.4.3 电渗析器工作原理
16.1.5 电渗析过程和伴随过程
反离子迁移. 同离子迁移, 渗析, 水的渗透, 水的电渗透, 渗 漏, 极化, 电解
16.2 离子交换膜
16.2.1 离子交换膜的基本概念和分类 定义 离子交换膜是片状离子交换树脂, 含活性交换基团的 高分子电解质. 离子交换膜的分类
1) 按交换基团分类: 阳离子交换膜(强酸弱酸型)和阴离子 交换膜(强碱弱碱型), 特种机能的离子交换膜
按膜体宏观结构分类: 异相离子交换膜(粉状交换树脂和黏 合剂压制而成), 均相离子交换膜(不使用黏合剂, 交换树脂 与成模一体化, 交换基团分布均匀而连续), 半均相离子交 换膜(黏合剂与离子交换树脂具有一定化学关系, 结合牢靠 相对均一)
16电渗析分离技术
膜分离技术之一
在直流电场作用下,离子透过选择性离子交换膜而迁移,使 电解质离子自溶液中部分分离出来的过程称为电渗析过程
电渗析的用途
1） 从电解质溶液中分离部分离子， 使电解质浓度降低或 使另一电解质浓度增高； 2）从非电解质溶液中分离电解 质离子；3）在电解质中将不同电荷数的同性离子分离
膜的交换基团相同, 交联度大孔径小的膜, 以及离子在膜内 的淌度对反离子的选择透过性起主导作用; 反之, 膜内的反 离子浓度起主导作用
16.2.3 离子交换膜的电化学性能
膜的导电性与下列因素有关 1 膜内固定基团的浓度和含水率, 随之增高 2 反离子的影响, 反离子淌度大,则导电能力大 3 膜外浓度, 随之增高
Donnan平衡理论
膜在电解质中离解产生离子与溶液中的离子进行交换平衡
膜中离子平衡
CN为Cl-, Cg为Na+,
CR为X-
当CR >>C,
• 影响膜选择性的因素: 膜 的固定离子浓度越高, 膜的选择性越好; 溶液的离子浓度大, 膜的选择 性差 • 离子水合和迁移数
• 离子在水溶液中存在水合离子,离子运动时, 水合层也随 着运动. 基本水合层随离子运动,与外部因素无关, 二级 水合层不固定, 但定向排布. 基本水合层的水分子数为 水合数,离子价数越高, 水合程度大. 水合程度大, 在水溶 液中运动阻力大, 易引起水的电渗析和逃水现象. • 迁移数: 正负离子传递电量占总传递电量的比例为迁移 数.
迁移数
由于水合状态的存在
Y为电渗水的摩 尔数 在膜中的迁移为
在膜内部, 反离子的迁移数大于同名离子的迁移数
反离子在膜中的迁移数大于在溶液中的迁移数 P衡量膜的选择透过性能, 定义为
P=1为理想状态
不同反离子间的选择透过性
Tji随电流密度的升高而下降, 到达某电流密度时保持 稳定; 随脱盐液流速增大而升高; 随脱盐总浓度的增大 而升高; 与脱盐液离子的组成无关; 符合下式
16.2.4 离子交换膜的浓缩特性
与 多种因素有关
16.2.5 通过膜的物质传递过程动力学
对流传质, 扩散传质, 电迁移传质
对流传质
扩散传质
电迁移传质
16.3 电渗析器 构造
隔板, 导水板, 电极, 离子交换膜, 极水板框, 锁紧装置, 保护框
16.4 影响电渗析操作的因素
扩散
极化
• 当扩散层中C1趋于0时, 即极化发生, 得到极限 电流公式
湍流和隔板中设网有助于消除极化. 判断极化: 电阻增大, 电流下降, 产水的水质下降; 浓水和 淡水的pH变化, 产水不呈中性, 电流效率下降, 膜表面出 现沉淀和结垢
影响极限电流密度的因素
电解质溶液的浓度 二者呈正比
电解质溶液的组分
溶液温度, 提高温度,极限电流增大 流体力学条件: 扩散层厚度呈反比 离子交换膜: 离子在膜内与溶液内迁 移数之差与极限电流呈反比
4 Hale Waihona Puke Baidu度, 随之增高
膜电位和膜 的选择透过度
影响离子交换膜选择透过度的因素 膜的固定基团浓度和孔径, 浓度大孔径小, 透过度好; 适当 的交联度有利透过度的提高; 外界溶液浓度大,不利与透过度
水的电渗透
影响因素: 膜的含水率, 膜的含水率高, 水的电渗透量增加; 膜的交联度高, 水的电渗透率低 溶液浓度及离子种类. 溶液浓度大, 水的电渗透减小. 水合 强的离子存在,导致强的水电渗透量.
离子交换膜的结构 化学结构
高分子母体:通常为交联高聚物, 具有导入活性基团的 官能基 活性离子基团: 有等电荷的阴阳离子组成即 固定离子 和反离子
物理结构 孔隙结构和交联结构, 接枝结构和缠绕结构
16.2.2 离子交换膜的基本功能及选择性透过机理
离子交换膜的基本功能
膜的选择性来源于
1) 膜中的微细孔隙; 2) 固定的离子活性交换基团;3) 膜对 组成物质的溶解扩散作用. 即孔隙作用, 静电作用, 扩散 作用和外力作用 膜置于溶液后,活性基团电离, 吸引异性离子, 通过扩散进入 孔隙并不断有吸引-解离平衡产生, 最终从膜中移出
16.5 电渗析系统的操作参数