[教学]反渗透渗出水处理系统工程

水处理工程（一）
• 在阴膜浓水一侧由于OH-的富集，产生氢氧化物 沉淀，造成结垢，阳膜一侧也会发生。
– 控制极限电流密度，定期倒换电极和酸洗
• （2）极限电流密度在临界极化状态下，离子在 膜中的迁移量等于离子在溶液中的电迁移量与浓 差扩散迁移量之和，即：
t ilimt ilimDc
FF
ilim
FDc
实际使用时所能承受的垂直方向的最大压力。 • 厚度：与膜电阻和机械强度有关 • 导电性：依靠其中含有的电解质溶液而导电
水处理工程（一）
选择透过性与膜电位 ： 膜对离子选择透过性的优劣，用离 子在膜中的迁移数和膜的选择透过度来表示。 在直流电场中,电解质溶液中阳阴离子定向迁移共同传递电量, 而在膜中只允许一种离子透过来传递电量。通常把某种离子 传递的电量与总电量之比称为该离子的迁移数（ti）
– 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
• ③水的渗透
– 水的渗透压作用，水由淡水室向浓水室渗透
• ④水的电渗透
– 水合离子，其迁移过程必然携带一定数量的水分子迁 移
• ⑤水的压渗 --两侧压力差造成 • ⑥水的电离
– 电流密度与液体流速不匹配，电解质离子未能及时补 充到膜的表面，而造成膜的淡水侧发生水的电离。
– 1主要部件
• 离子交换膜：组装前膜预处理，操作溶液浸泡24-48小时， 停运时充满溶液
• 隔板：膜的支撑体，保持膜间距，水流通道，
– 水流方式不同：有回路隔板无回路隔板 – 作用不同：浓、淡室隔板、极框、和导向隔板
• 电极：要求耐腐蚀、导电性能好 • 夹紧装置：把极区和膜堆组成不漏水的电渗析器整体
– 通过一张隔板的电流，就是隔板上平均电流密度与隔板有效 面积的乘积LBi，将通过一张隔板的电流除以法拉第常数F， 就得到水流经过一张隔板时每秒的理论脱盐量：
电流 (效 cic0)率 Q (cic0)v•dF (cic0)QF
LBi L•i
Ai
v
Q Bd
F
水处理工程（一）
– （2）膜面积及流程长度
择直流电源。
– 2计算公式
• （1）电流效率
– 是衡量电能利用程度的技术经济指标。
电流效 实 理 率际 论耗 耗电 电 10量 量 % 0
– 法拉第定律：在电渗析过程中，当1摩尔的盐分从淡水室迁 移至浓水室时需要消耗1个法拉第的电量（1法拉第电量等于 96500库仑） G 1q(C 1C2)tN /1000
五、电渗析除盐的设计计算 1设计步骤 计算出电渗析在临界极化状态下所需要的极限流程长度Llim 选定隔板形式，确定隔板构造数值 计算水流速度、电流密度、污染物含量 各段污染物含量均按临界极化状况的去除规律来分配。
水处理工程（一）
• 计算水头损失△p，以校核所选取的水流速的是否可行 • 根据电流密度计算电流，根据水的电阻率计算电压，一选
c0 第一级 c1 第二级 c2 第三级 c3 ······
第N级 cN
i1
i2
i3
iN
– 在临界极化状态下，各级入口和出口的淡水浓度，近
似存在如下关系：
Llim2.3FKv(1•m )dlgcc0i
1
1N
c0 c1
c1 c2
c2cN1
c3
cN
ccN 0N
令
cN c0
– 当已知原水含盐浓度c0和要求的淡水浓度cN,在级数确 定后，各级出口浓度可按下式求出
– 特种膜：包括两极膜、两性膜、表面涂层膜具有特殊 性能的离子交换膜。
（3）按材料性质分 有机离子交换膜 各种高分子合成的膜 无机离子交换膜 无机材料制成，热稳定性好、抗氧化、耐辐照及成本 低廉，磷酸锆、矾酸铝
水处理工程（一）
– 2.离子交换膜的性能
• 交换容量：一定量的膜样品中所含活性基团数 • 含水率：表示湿膜中所含水的百分数； • 破裂强度：衡量膜的机械强度的指标，表示膜在
Ⅰ 膜Ⅱ
[RSO3](Ⅰ) [Cl ](Ⅱ) [Na ](Ⅰ) [Na ](Ⅱ)
初始状态
Ⅰ 膜Ⅱ
[RSO3](Ⅰ)
[Na ](Ⅰ)
[Cl ](Ⅰ)
[Cl ](Ⅱ)
[Na ](Ⅱ)
平衡状态
顿南膜平衡示意图
水处理工程（一）
当体系处于平衡时，膜两侧的钠离子和氯离子碰
撞数应该相等：[N ](1 a )[C ](1 ) l [N ](2 a )[C ](2 l)
c1 c0
c2
c1
c
2 0
cN N c0
水处理工程（一）
» 采用一级多段串联组装方式：各段淡水浓度逐步 降低，维持电流密度相同，必然膜对数不同，第 一段最多，逐次减少。
» 分段计算流速和膜对数 – （6）电流、电压及电耗
水处理工程（一）
• （2）按活性基团分类
– 阳离子交换膜--带有阳离子交换基团，它能选择性透 过阳离子而不让阴离子透过。分强酸性和弱酸性阳膜 » 活性基团：-SO3H、-PO3H2-、-OPO3H、-COOH、 -C6H4OH等
– 阴离子交换膜—膜体中含有带正电荷的碱性活性基团， 它能选择性透过阴离子而不让阳离子透过。分强碱性 和弱碱性 » 季胺基、伯胺基、仲胺基、叔胺基
(cic0)v•dF (cic0)QF
L•i
Ai
AQF(ci c0)
i• L Fvd(ci c0)
i•
在极限电流密度运行时，根据威尔逊公式有：
ilimK•vm•c
c
ci c0 2 .3 lg ci
c0
LlimK Fvvm(d2cc.i3ilcgc0c0)i
2.3Fv(1m)dlgci
K• c0
c0
由此可见，平衡时：
[Cl](2) [Cl](1) [Na](2) [Na](1)
水处理工程（一）
阳膜内阳离子浓度大于溶液中阳离子浓度，而阳膜 中阴离子浓度小于溶液中阴离子浓度。 说明阳离子容易进入阳膜，阴离子却受到阳膜的排 斥，也就是说膜对离子具有选择透过性
水处理工程（一）
• 三、电渗析器的构造
– 阴极还原反应 2H++2 e→H2↑阴极室溶液呈碱性 – 阳极氧化反应 4OH-→O2+2H2O+4e 阳极室溶液呈酸性
电渗析分离原理图 ①反离子的迁移 次交要换膜不可能100%的选择性，有少量与离子交换膜解离离子电 过荷程相反离子透过膜，阳通过阴,阴通过阳
水处理工程（一）
• ②电解质浓差扩散
水处理工程（一）
第九章膜分离
➢概述 ➢电渗析 ➢反渗透 ➢超滤
水处理工程（一）
水处理工程（一）
水处理工程（一）
第二节电渗析
• 一、电渗析原理与过程
– 原理：阴阳离子交换膜对溶液中阴阳离子的 选择透过性，而使溶液中的溶质与水分离的 一种物理化学过程。
• 阴膜只让阴离子穿过；阳膜只让阳离子穿过
• 电极两侧会发生氧化还原反应
(t
FDd t)K
'
ilimK•v•c
更一般的Wilson公式： ilimK•vm•c
wk.baidu.com
c ci c0 2 .3 lg ci c0
m为流速指数,其值的范围在0.33~0.90之内。K— 是一个综合经验常数
水处理工程（一）
• 得到结论：①水质条件不变时，淡化室流速与极限电流密
度成正比;②水量不变时，浓度成减小趋势，电流密度减
(t t)
（9-6）
ilim
极限电流密度，A/cm2;
c 淡水室溶液主体对数平均浓度,mmol/L;
扩散边界层厚度,cm;
D 离子扩散系数,cm2/s;
F 法拉第常数,96500C/mol
水处理工程（一）
Wilson提出扩散层厚度δ计算式：
K' v•d
（9-7）
（9-7）代入（9-6）并令：K
– 式中ti0是i离子在理想膜中的迁移数， ti0=1, ti取膜两侧溶液平 均浓度下的迁移数， ti可通过测定膜电位，由下式估算得到
ti
Em Em0 2Em0
– 式中Em即为实际测定的膜电位。而Em0是在测定Em的条件下 理想膜的膜电位。
– 为什么会产生膜电位？浓侧富集了高电位的阳离子，淡侧富
集了低电位的阴离子
ilimK•v•c
小;③不能靠提高电流密度或降低水流速来提高水质，否 则出现极化现象。
– 极限电流密度是电渗析器工作电流密度的上限： – 还有一个下限：克服浓度差扩散，电流密度要大于该值。
– 3流速与压力确定
• 过大设备易产生漏水和变形，过小水流不均匀，容易极化 和结垢。流速5~25cm/s，进水压力一般不超过0.3MPa
主要过程对电渗析有利，次要过程不利；设计中设法 消除不利影响
水处理工程（一）
• 二、离子交换膜
– 离子交换膜—非离子交换树脂（与离子发生反应） – 离子交换膜：母体+活性基团
• 并非与水中离子发生交换反应，而是让离子选择性透过
– 1、离子交换膜的分类
（1）按膜体结构分类 异相膜-将离子交换树脂磨成粉末，加入粘合剂（如聚苯乙烯 等）滚压在纤维网上，也有直接滚压成膜。 优点：制造容易，机械强度高；缺点：选择性差/膜电阻大， 使用中容易污染 半均相膜：成膜材料与活性基团混合得十分均匀，但它们之 间没有化学结构， 均相膜 ：它是将制造离子交换树脂的母体材料制成连续的膜 状物，作为底膜，在上面嵌接上具有交换能力的活性基团。 膜中材料与活性基团发生化学结合，组成均匀，具有优良电
水处理工程（一）
• 四电渗析器的操作控制
– 1电能消耗
• 单位体积成品水的电能消耗按下式计算
W VI 103 Qd
• 电阻消耗占较大部分，电流效率随水的净化程度 提高而降低
2电流密度控制 （1）浓差极化：电流密度过大所致 离子在膜中的迁移数大于溶液中的迁移数，膜两侧产生浓度 梯度，电流强度越大，浓度梯度越大。电流提高到相当程度， c’值趋于零，淡水侧的边界层中就会发生水分子电离，这种 情况称为浓差极化，此时的电流密度称为极限电流密度。
– 2电渗析器组装
• 基本术语：
– 膜对：由1张阳膜、1张淡水隔板， 1张阴膜、1张浓水隔板 按一定顺序组成的电渗析器膜堆的最小脱盐单元
– 膜堆：若干模对的集合体 – 级：电渗析器中一对电极之间所包含的膜堆称为一级，一台
电渗析器的电极对数就是这台电渗析器的级数
水处理工程（一）
– 段：电渗析器中淡水水流方向相同的膜堆称为一段 – 台：用锁紧装置将电渗析器各部件锁紧成一整体称为
根据电中性法则：[Na](2) [Cl](2)
[Na](1) [Cl](1) [RS3O](1)
因此上式可写成 [C](2 l2)[N]a (1)[C](l1)
[C ]( 2 l2 ) [C ]( 2 1 l) [C ](1 l)[R3 S ](1 )O
[N ]( 2 a 2 ) [N ]( 2 a 1 ) [N ](a 1 )[R3 S ](1 )O
很显然，极限电流密度下Llim<L
水处理工程（一）
（3）段数和每段膜对数 求出流程总长度L总后，根据每 张隔板实际流程长度，求出串联的段数N=L总/L 每段膜对数
（4）水头损失：除盐流程上的n 综合27损8失Q vBd
paLbv•105
水处理工程（一）
– （5）进口与出口含盐量 在多段串联等水流速度组装 方式下，设各级淡水进出口浓度如下图
离子在膜中的迁移数大于在溶液中的迁移数！
如：在NaCl稀溶液：
而在阳膜中：
tNa 0.4 tCl 0.6
tNa 1 tCl 0
水处理工程（一）
膜的选择透过度Pi定义为i离子在膜中迁移数的增加值 与该离子在理想膜中的迁移数的增加值之比
Pi
ti ti ti0 ti
ti ti 1ti
水处理工程（一）
阳阳阴
极膜极
淡 侧
浓 侧
+
—+ 膜电位示意图
水处理工程（一）
– 3.离子交换膜的选择性透过机理
• 主要是一种聚电解质，在高分子骨架上带有若干 可交换活性基团。
R-SO-3--H+
固定基团 解离离子
R-CH2N(CH3)3+--OH-
固定基团
解离离子
磺酸性阳膜
季铵型阴膜
• 双电层理论
离子交换膜中活性基团
越多，双电层越厚，固
定基团对反离子的吸引
Na+
力和对同粒子的排斥力 就越大，膜的选择性越 外电场作用下
好。
双电层
R-SO-3--H+ R-SO-3--H+ R-SO-3--H+ R-SO-3--H+
热运动解离到 溶液中去
Na+ Cl-
水处理工程（一）
• Donnan膜平衡理论
• 膜相和溶液相，Na+型强酸离子交换膜浸入NaCl 溶液中，离子在膜和溶液中发生交换。
一台电渗析器 – 系列：将多台电渗析器串联起来成为一脱盐整体称为
一系列
• 组装形式：
– 可以按级段组装成各种方式 – 增加级数可降低电渗析的总电压，增加段数可以增加
脱盐流程长度，提高脱盐率 – 一般每段内的膜对数为150-200对，每台电渗析器的总
膜对数不超过400-500对
– 3附属设备
• 整流器、水质检测、水量计量、升压升泵、预处 理装置、进出水管路、酸洗设施等