第五章 电渗析与电除盐

•电渗析的原理是在直流电场的作用下，依靠对水中离 电渗析的原理是在直流电场的作用下 电渗析的原理是在直流电场的作用下， 子有选择透过性的离子交换膜 离子交换膜(ion exchange 子有选择透过性的离子交换膜 membrane)，使离子从一种溶液透过离子交换膜进入 ， 另一种溶液，以达到分离、提纯、浓缩、回收的目的。 另一种溶液，以达到分离、提纯、浓缩、回收的目的。
脱盐水
浓缩液
Cl2 A
Na
+
NaOH K
Na
+
AHale Waihona Puke Baidu
Na
+
K
Na
+
A
Na
+
K
Na
+
A
Na
+
K
Na
+
A
Na
+
K
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
D
阳极水
C
D
C
D
C
D
C
D
阴极水 咸水
图4—5 食盐生产电渗析器示意图 A：阴离子膜，K：阳离子膜；D：稀室，C：浓室 ：阴离子膜， ：阳离子膜； ：稀室， ：
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电渗析过程示意图
进水
阴离子 阳离子
阴膜, 阴膜 只允许阴离子通过 阳膜,只
允许阳离 子通过
进水时
－
＋
出水时
电极
浓水室
浓水
淡水
淡水室
2. 离子交换膜
•离子交换膜具有与离子交换树脂相同的组成， 离子交换膜具有与离子交换树脂相同的组成， 离子交换膜具有与离子交换树脂相同的组成 含有活性基团和能使离子透过的细孔。 含有活性基团和能使离子透过的细孔。常用的 阳膜、 离子交换膜按其选择透过性可分为阳膜、阴
电渗析技术在食品工业、化工及工业废水的 电渗析技术在食品工业、化工及工业废水的 食品工业 处理方面也发挥着重要的作用。 处理方面也发挥着重要的作用。特别是与反 渗透、纳滤等精过滤技术的结合，在电子、 渗透、纳滤等精过滤技术的结合，在电子、 制药等行业的高纯水制备中扮演重要角色。 制药等行业的高纯水制备中扮演重要角色。 此外，离子交换膜还大量应用于氯碱工 此外，离子交换膜还大量应用于氯碱工 氟磺酸膜（ 业。全氟磺酸膜（Nafion）以化学稳定性著 ） 是目前为止唯一能同时耐40％ 称，是目前为止唯一能同时耐 ％NaOH和 和 100℃温度的离子交换膜，因而被广泛应用作 ℃温度的离子交换膜， 食盐电解制备氯碱的电解池隔膜。 食盐电解制备氯碱的电解池隔膜。
全氟磺酸膜还可用作燃料电池的重要部 件。燃料电池是将化学能转变为电能效率最 高的能源，可能成为21世纪的主要能源方式 高的能源，可能成为 世纪的主要能源方式 之一。经多年研制， 之一。经多年研制，Nafion膜已被证明是氢 膜已被证明是氢 氧燃料电池的实用性质子交换膜， 氧燃料电池的实用性质子交换膜，并已有燃 料电池样机在运行。 料电池样机在运行。但Nafion膜价格昂贵 膜价格昂贵 美元/m ），故近年来正在加速开发 故近年来正在加速开发磺 （700美元 2），故近年来正在加速开发磺 美元 化芳杂环高分子膜， 化芳杂环高分子膜，用于氢氧燃料电池的研 以期降低燃料电池的成本。 究，以期降低燃料电池的成本。
（2）膜电解 ） 膜电解的基本原理可以通过NaCl水溶液 膜电解的基本原理可以通过 水溶液 的电解来说明。 的电解来说明。在两个电极之间加上一定电 则阴极生成氯气， 压，则阴极生成氯气，阳极生成氢气和氢氧 化钠。阳离子交换膜允许Na+渗透进入阳极 化钠。阳离子交换膜允许 渗透进入阳极 同时阻拦了氢氧根离子向阴极的运动， 室，同时阻拦了氢氧根离子向阴极的运动， 在阳极室的反应是： 在阳极室的反应是： 2 Na+ + 2 H2O + 2 e = 2 NaOH + H2 在阴极室的反应为： 在阴极室的反应为： 2 Cl－ － 2 e = Cl2 －
电渗析的核心是离子交换膜。 电渗析的核心是离子交换膜。在直流电场的作 用下，以电位差为推动力， 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， 选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，实 现溶液的淡化、浓缩及钝化； 现溶液的淡化、浓缩及钝化；也可通过电渗析 实现盐的电解，制备氯气和氢氧化钠等。 实现盐的电解，制备氯气和氢氧化钠等。 图4—5为用于食盐生产的电渗析器的示 为用于食盐生产的电渗析器的示 意图。 意图。
3. 电渗析器 电渗 析器 的组 装示 意图
基本结构
电渗析器的级与段
一对正、 一对正、负电极之间的膜堆称为一级
一级一段 两级一段
一级两段
两级两段
具有同一水流方向的并联膜堆称为一段 具有同一水流方向的并联膜堆称为一段
实际应用的电渗析器
二、电除盐（EDI） 电除盐（ ）
1. 简介 EDI概念最早是 概念最早是wallers等人于 等人于1955年提出的， 年提出的， 概念最早是 等人于 年提出的 1957年kallaman等人就申请了专利，但由于树脂充填 等人就申请了专利， 年 等人就申请了专利 技术的困难，直到1987年才由 年才由Millpore公司推出第一 技术的困难，直到 年才由 公司推出第一 台商业化EDI，它一出现，就受到广泛重视，目前世界 台商业化 ，它一出现，就受到广泛重视， 上仅有4家公司生产 家公司生产EDI。 上仅有 家公司生产 。 EDI，称为电除盐（Electrodeionization,EDI）， ，称为电除盐（ ）， 或填充床电渗析，或连续电除盐（ 或填充床电渗析，或连续电除盐（Continuous Deionization,CDI。EDI是将离子交换技术和电渗析技 。 是将离子交换技术和电渗析技 术巧妙结合， 术巧妙结合，并取两者之长弥补对方之短的一种新型 纯水处理技术。离子交换树脂具有深度脱盐之优点， 纯水处理技术。离子交换树脂具有深度脱盐之优点， 可以克服电渗析因极化现象而脱盐不彻底之缺点； 可以克服电渗析因极化现象而脱盐不彻底之缺点；然 而电渗析因极化现象发生水解电离产生的氢离子（ 而电渗析因极化现象发生水解电离产生的氢离子（H+） 和氢氧离子（ 恰巧可用于离子交换树脂的再生。 和氢氧离子（OH-）恰巧可用于离子交换树脂的再生。
2. 离子交换膜的工作原理 （1）电渗析 ） 在盐的水溶液（如氯化钠溶液） 在盐的水溶液（如氯化钠溶液）中置入 阳两个电极，并施加电场， 阴、阳两个电极，并施加电场，则溶液中的阳 离子将移向阴极，阴离子则移向阳极， 离子将移向阴极，阴离子则移向阳极，这一过 程称为电泳 如果在阴、 电泳。 程称为电泳。如果在阴、阳两电极之间插入一 张离子交换膜（ 张离子交换膜（阳离子交换膜或阴离子交换 ），则阳离子或阴离子会选择性地通过膜 则阳离子或阴离子会选择性地通过膜， 膜），则阳离子或阴离子会选择性地通过膜， 这一过程就称为电渗析 电渗析。 这一过程就称为电渗析。
3. 电渗析技术应用领域 自电渗析技术问世后，其在苦咸水淡化 苦咸水淡化， 自电渗析技术问世后，其在苦咸水淡化， 饮用水及工业用水制备方面展示了巨大的优势 方面展示了巨大的优势。 饮用水及工业用水制备方面展示了巨大的优势。 随着电渗析理论和技术研究的深入， 随着电渗析理论和技术研究的深入，我 国在电渗析主要装置部件及结构方面都有巨大 的创新， 的创新，仅离子交换膜产量就占到了世界的 1/3。我国的电渗析装置主要由国家海洋局杭 。 州水处理技术开发中心生产， 州水处理技术开发中心生产，现可提供 200m3/d规模的海水淡化装置。 规模的海水淡化装置。 规模的海水淡化装置
用氟代烃单极或双极膜制备的的电渗析器 氟代烃单极或双极膜制备的的电渗析器 已成为用于制备氢氧化钠的主要方法， 已成为用于制备氢氧化钠的主要方法，取代了 其他制备氢氧化钠的方法。 其他制备氢氧化钠的方法。 如果在膜的一面涂上一层阴极的催化剂， 如果在膜的一面涂上一层阴极的催化剂， 在另一面涂一层阳极催化在这两个电极上加上 一定的电压，则可电解水，在阳极产生氢气， 一定的电压，则可电解水，在阳极产生氢气， 而在阴极产生氧气。 而在阴极产生氧气。
一、电渗析（electrodialysis)
* 电渗析是一种利用电能来进行的膜分离技术， 电渗析是一种利用电能来进行的膜分离技术， 以直流电为推动力， 这种设备是以直流电为推动力 这种设备是以直流电为推动力，在外加电场 作用下， 作用下，利用阴阳离子交换膜对溶液中电解 质离子的选择透过性， 质离子的选择透过性，使溶液中的阴阳离子 发生分离的一种理化过程。 发生分离的一种理化过程。 * 这种设备由于其能耗低、产水量大、脱盐率 这种设备由于其能耗低、产水量大、 稳定性强等特点。 高、稳定性强等特点。 * 广泛应用于医药、电子、化工、食品、硬水 广泛应用于医药、电子、化工、食品、 软化、海水淡化等方面。我国始于50年代 年代。 软化、海水淡化等方面。我国始于50年代。
（2）按膜的结构和功能分类 ） 按膜的结构与功能可将离子交换膜分为 普通离子交换膜、 普通离子交换膜、双极离子交换膜和镶嵌膜 三种。 三种。 普通离子交换膜一般是均相膜， 普通离子交换膜一般是均相膜，利用其 对一价离子的选择性渗透进行海水浓缩脱盐； 对一价离子的选择性渗透进行海水浓缩脱盐； 双极离子交换膜由阳离子交换层和阴离子交 换层复合组成，主要用于酸或碱的制备； 换层复合组成，主要用于酸或碱的制备；镶 嵌膜由排列整齐的阴、阳离子微区组成， 嵌膜由排列整齐的阴、阳离子微区组成，主 要用于高压渗析进行盐的浓缩、 要用于高压渗析进行盐的浓缩、有机物质的 分离等。 分离等。
膜、复合膜等数种 等数种。 •阳膜(cation exchange membrane)含有阳离子交换 阳膜 含有阳离子交换
基团，在水中交换基团发生离解，使膜上带有负电， 基团，在水中交换基团发生离解，使膜上带有负电， 能排斥水中的阴离子，吸引水中的阳离子并使其通过。 能排斥水中的阴离子，吸引水中的阳离子并使其通过。
第五章 电渗析与电除盐
一、 离子交换膜 1.离子交换膜的分类 离子交换膜的分类 （1）按可交换离子性质分类 ） 与离子交换树脂类似， 与离子交换树脂类似，离子交换膜 按其可交换离子的性能可分为阳离子交 按其可交换离子的性能可分为阳离子交 换膜、阴离子交换膜和双极离子交换膜。 换膜、阴离子交换膜和双极离子交换膜。 这三种膜的可交换离子分别对应为阳离 阴离子和阴阳离子。 子、阴离子和阴阳离子。
1. 原理和工作过程
•用特制的半透膜(semi-permeable membrane) 将浓度 用特制的半透膜 用特制的半透膜 不同的溶液隔开， 不同的溶液隔开，溶质即从浓度高的一侧透过膜而扩 到浓度低的一侧， 散(diffusion)到浓度低的一侧，这种现象称为渗析作用 到浓度低的一侧 这种现象称为渗析作用 (dialysis)，也称扩散渗析、浓差渗析 扩散渗析、 ，也称扩散渗析 浓差渗析。
• 阴膜(anion exchange membrane)含有阴离子
交换基团，在水中离解出阴离子， 交换基团，在水中离解出阴离子，使膜上 带正电，吸引阴离子并使其通过。 带正电，吸引阴离子并使其通过
• 复合膜复合膜由一面阳膜和一面阴膜其
间夹一层极薄的网布做成，具有方向性的 间夹一层极薄的网布做成， 电阻。当阳膜面朝向阴极， 电阻。当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳 极时， 负离子都不能透过膜， 极时，正、负离子都不能透过膜，显示出 很高的电阻。当膜的朝向与上述相反时， 很高的电阻。当膜的朝向与上述相反时， 膜电阻降低，膜两侧相应的离子进入膜中。 膜电阻降低，膜两侧相应的离子进入膜中。
EDI工作原理图 工作原理图 1—阴离子可透膜；2—阳离子可透膜；3—阴离子交换剂； 阴离子可透膜； 阳离子可透膜； 阴离子交换剂； 阴离子可透膜 阳离子可透膜 阴离子交换剂 4—阳离子交换剂；5—浓水室；6—淡水室 阳离子交换剂； 浓水室； 阳离子交换剂 浓水室 淡水室
EDI装置因在其淡水室中填充了离子交换树脂，离 装置因在其淡水室中填充了离子交换树脂， 装置因在其淡水室中填充了离子交换树脂 子交换树脂的导电性能比与之相接触水的导电性能要 个数量级， 高2-3个数量级，这样有效的提高了电渗析的极限电流 个数量级 密度，加快了离子的迁移速， 密度，加快了离子的迁移速，减弱了电渗析的极化现 从而实现了深度除盐的目的。另外， 象，从而实现了深度除盐的目的。另外，离子交换树 脂在淡水室中对水流有扰动作用，能改善水流状态， 脂在淡水室中对水流有扰动作用，能改善水流状态， 促进离子扩散，可提高极限电流密度。同时， 促进离子扩散，可提高极限电流密度。同时，离子交 换树脂对水中离子有较强的捕捉能力，可以将水中离 换树脂对水中离子有较强的捕捉能力， 子吸附在树脂颗粒上，被吸附的离子在电场作用下， 子吸附在树脂颗粒上，被吸附的离子在电场作用下， 通过树脂颗粒搭建的离子传输通道迁移到膜表面 装置中离子的迁移发生在树脂颗粒相、 （EDI装置中离子的迁移发生在树脂颗粒相、溶液相 装置中离子的迁移发生在树脂颗粒相 或二者的混合相中），透过离子选择性膜进人浓水室， ），透过离子选择性膜进人浓水室 或二者的混合相中），透过离子选择性膜进人浓水室， 提高了电渗析对离子的去除效果。 提高了电渗析对离子的去除效果。