渗析和电渗析过程1

反离子在实际膜内、理想膜内及溶液中的 迁移数。 一般要求实用的电渗析膜的选择透过度 大于8 5％，反离子迁移数大于0．9。



5．机械强度：包括爆破强度和抗拉强度， 即膜所能承受垂直方向上的最大压力和平 行方向的最大拉力，单位Mpa。 膜的机械强度主要取决于膜材料，膜结构 和增强材料。 通常增大交联度、减少交换容量和含水量 会使膜的机械强度增强。 一般实用膜的爆破强度应大于O．3MP a 。

上面的几种物质传递过程，只有反离子 迁移有利于电渗析过程，应设法加强， 而其它几种都会降低电渗析过程的效率， 应设法抑制。

因此，从上面的分析可知，好 的电渗析膜应具备如下几个条 件，离子选择透过性要大，电 解质渗析量要小，渗水量要低， 膜电阻要小，机械强度要大， 膜结构要均匀，而且成本要低 廉。
5．渗漏，在膜两侧压力差的作用下，造成高压侧溶液向 低压侧渗漏，从而降低了电渗析过程的效率。 6．水的电渗析，是由于膜的选择透过性及离子在膜内的 迁移数大于它在溶液中的迁移数。 当操作电流密度增大到一定程度时，反离子迁移被强 化，使膜附近界面内反离子浓度趋于零，从而逼迫淡 室中的水分子电离产生H+和0H-离子来负载电流，进 入浓室，这种水的电渗析现象称为电渗析过程的极化 现象。 发生极化的最小电流密度称为极限电流密度ilim。


这种与膜所带电荷相反的离子透过膜的传递 现象称为反离子迁移。 反离子迁移的结果使得在相邻的隔离室中交 替出现高离子浓度溶液和稀离子浓度溶液， 这样的隔离室分别被称为浓室和淡室。 然后可以从浓室中引出被浓缩的离子溶液， 而从淡室中引出脱除了部分离子的稀溶液。


在实际的电渗析系统中，一般把2 O 0～40 O块阴、阳离子传递膜与特制的 隔板等部件装配起来，而形成l 0 0～2 0 0个隔离室。 从上述分析可知，电渗析过程完成的三 个基本条件为：直流电场，离子选择传 递膜和含离子的被处理溶液。



6．2．1电渗析过程的基本原理 电渗析过程的原理示意图如图6一10所 示。在两电极之间交替放置着阴离子传 递膜和阳离子传递膜. 其中，阳离子传递膜选择透过阳离子; 而阴离予传递膜选择透过阴离子。


在两种膜所形成的隔离室中充满含离子的水 溶液，如NaC I溶液， 当加上直流电磕后，在电场的作用下，溶液 中的阳离子向阴极方向运动，这些阳离子容 易透过带负电的阳离子传递膜，而易被带正 电的阴离子传递膜所阻挡； 同时溶液中的阴离子向阳极方向运动，这些 阴离子容易透过带正电的阴离子传递膜，而 易被带负电的阳离子传递膜所阻挡。
4．反离子迁移数和选择透过度：这两 个参数是描述膜选择透过性的。 其中膜内某种离子迁移数定义为该种离 子在膜内的迁移量与全部离子在膜内迁 移量的比值。 如在N aC L体系中，阳膜内的离子迁移 数为： 反离子迁移数：


同名离子迁移数：


对于理想的电渗析膜，反离子迁移数为 1，而同名离子的迁移数为0。 膜的选择透过度定义为：




血液透析(人工肾)的装置如图6—4，透析液 的典型组成由表6一l所示; 人体所需的成分采用与血液大体相同或更高 一些的浓度； 准备由人体除去的成分则采用低一些的浓度， 并调节成与正常人血液相同的渗透压，每次 透析约3_6小时; 需透析液l 0 O一2 0 O升。 透析过程中，血液成分与透析液成分变化如 图6—5所示。
在许多应用中，有许多其它过程同电渗析过程相竞 争，如蒸馏，离予交换，反渗透和色谱分离等过程。 l 9 8 8年，全世界电渗析设备的总销售额超过 l· l 0 8美元。 5× 虽然该过程的原理已被建立了5 0多年，但真正工业 化的时间还不到二十年，最近十年的年销售额增长率为1 5％左右，据有关专家预测，电渗析过程将会继续开发出 新的应用领域，市场的增长速度可能会超过现在增长的 水平。
随着超滤技术的发展，渗析过程逐渐被超滤 过程所代替，其应用领域在不断缩小。 尽管如此，渗析过程在某些方面的应用中仍 是一种有效的膜分离过程，原因在于它本身的一 些特点：如渗析过程是在等温、等压的务件下操 作，接近于生物体内的膜分离过程；设备和装置 较其它膜分离过程简单;当处理一些高浓度蛋白 质溶液时(百分之几以上)，由于浓差极化的原因， 应用超滤过程较因难， 此时应用渗析过程就比较适宜。


离子传递膜之所以对离子有选择透过作 用，是由于膜中的孔隙和活性基团。 膜中孔隙的孔径一般为几十埃到几百埃， 为离子的透过提供了通道。 而膜中的活性基团，如磺酸型阳膜中的 一S O 3H，李胺型阴膜中的一N(C H 3)3 0H，在膜浸入水溶液时，会因膜的吸水 溶胀，发生解离，产生解离离子(或称 反离子)，并进入溶液，如H+，0H-，于 是在膜上就
式中：N一传质速率9／s K一总传质系数cm／s ;A一膜面积cm2 △CLm一膜两侧的对数平均浓度差g／m 3
总传质系数K，不仅与膜的性质有关，还与膜 两侧流体的流动状态有关，一般认为在膜两侧流 体的主体中，没有传质阻力，物质通过两侧流体 的传质阻力集中于膜两侧的边界层中，渗析过程 中膜两侧边界层浓度分布如图6—2，则总传质系 数K与物质在两层液膜及膜中的传质系数Kl ，K2 和 Km有如下关系： l／K=l／Km+l／K l+l／K


6.2电渗析过程 电渗析过程是一个电化学分离过程。 在电渗析过程中，应用荷电膜，使溶液中的 离子在电位差推动力的作用下透过膜，而同 溶剂和其它的不带电的组分分开。 电渗析广泛地应用于苦成水脱盐，在世界的 某些地区电渗析是生产淡水的主要过程。 由于新开发的离子交换膜同原来的膜相比， 具有更高的选择性，更低的膜电阻，更好的 热稳定性、化学稳定性以及更好的机械强度， 使电渗析过程已不仅仅限于在脱盐方面应用， 而已在食品、医药及化学工业的应用中引起 广泛的重视。
12 来说却高迭9
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这样如果改进操作状态，减少两液膜的阻 力，则有利于低分子物质的通过.
6.1.2渗析过程的应用 渗析过程是最早被发现、研究和利用的膜分 离过程。 但是由于浓度差是渗析过程唯一的推动力， 渗析过程往往受体系本身条件的限制： 处理速度较慢，选择性较差； 难以对物系进行较完全的分离，使之在工业中的 应用受到限制。



2．含水量：电渗析膜的含水量是指膜 内与活性基团结合的内在水的质量与干 膜质量比的百分数。 膜的含水量与其交换容量和交联度有关， 前者关系如上所述，对于后者，一般交 联度大，膜结构紧密，含水量低。 综合考虑膜的导电能力和溶胀，一般膜 的含水量为2 0～40％左右。



3.膜电阻：常用单位膜面积的电阻、面电阻 (Q· 2)和电阻率(单位长度的面电阻，Q· m)， cm c 或电导率(Q-1· -1)来表示膜电阻，膜电阻是 cm 电渗析膜的重要特征之一，直接影响电渗析 过程所需要的电压和电耗， 一般来说，膜电阻越低越好。 通常以膜在0．1 N KC l或0．1 N NaC l溶液 中测定的膜电导为比较标准。
B侧中的水根据扩散原 理透过膜向 A 侧 扩散， 而A 侧透析液中的溶质 透过 膜 向B侧 扩 散，但 不同的溶质扩散速度不 同，通常低分子比高分 子扩散得快，正是利用 不同溶质的不同扩散速 度，使渗析液中的溶质 得以分离。
在渗析过程中，浓度差 是唯一的推动力。
渗析过程的膜可以是多孔的，也可以是均 质的，评价膜的参数一般包括透过性(溶质和水 的透过性)、机械强度、生物适应性、有无溶出 物及灭菌难易等。 渗析过程的传质速率方程为： N=KA△CLm ------------- (6—1)


3．电解质的渗析，亦称浓差扩散，是反离 子在膜两侧浓度差的作用下发生的逆电场力 方向的扩散，是由浓室向淡室的扩散，随着 浓室中溶液浓度的提高而扩散速度加快，同 样降低了电渗析过程的效率。 4．水的渗透，随着电渗析过程的进行，淡 水室中的水含量越来越大，会有越来越多的 水从淡室渗透至浓室，而导致淡水的损失。


1.反离子迁移，是电渗析过程的主要传递过 程，使进料得以脱盐或浓缩。 2.同名离子迁移，是与膜中固定基团带相同 电荷的离子透过膜的迁移。这是由于电渗析 膜的选择性不可能l 00％，但与反离子迁移 量相比，只有量很小的一部分同名离子在电 场和浓度梯度的作用下，透过膜发生迁移， 如阴离子透过阳膜，而阳离子透过阴膜。 同名离予的迁移降低了电渗析过程的效率。

渗析器主要有板框式(K ill)、螺旋卷式(K 0ff)，如 图6—6，和中空纤维式，如图6—7。



血液渗析(HD)过程通常不能有效地脱除中等分予量(5 00—2 0，0 0 0)的尿毒素，长期使用，会使这些有 毒物质在血液中积累，因而又开发了另一种血液过滤 (HF)过程的人工肾，由于HF的透水量大,又不具备再 吸收功能，所以必须对血液进行补液，以保持体液量 的衡定. 图6—8为两种人工肾的示意图，两种人工肾的性能同 肾小球的比较见表6—2 . 由于血液渗析与血液过滤各有优缺点，可以将二者有 机地结合起来，成为血液透析过滤(HDF)，这三种血 液净化方法对血液中不同分子量溶质的透析效能见图 6—9.
2
(6—2)
亦可写成阻力的形式，总阻力R与在两液膜及 膜中的传质阻力R 1，R 2和Rm的关系为： ’
R=Rm+R l+R2 (6--3)
不同的物质这三种阻力在总阻力中所占的 百分比是不同的。 Colion曾考察了血液透析系统，得到的结 果如图6一3所示，对分子量较小的尿素来说， 渗析膜的阻力占总阻力的6 0％; 而对于分子量较大的VB ％。
这些带电荷的固定基团会对溶液中的带 同种电荷的离予产生排斥作用，而对带 并种电荷的离子产生吸引作用，并充许 其透过膜，而使膜具有对离子透过的选 择性，图6—1 l即为电渗析膜具有离子 选择透过性的示意图。


膜 的 这 种 选 择 透 过 性 可 用 Gibbs— Donnan平衡来解释和估算，离子在膜内 的传递速率则可用N e r n s t—Pla n c k来表达。 在实际中，电渗析过程物质透过膜的传 递十分复杂，以N aC l水溶液渗析过程 为例加以说明，见图6—1 2，主要有以 下的几种物质传递过程：