膜技术及其应用-第七章 离子交换膜
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电渗析的发展概述
• 电渗析研究源于德国，与1952年美国Ionics公司制备 世界第一台电渗析装置，用于苦咸水淡化； • 20世纪50年代末，日本开发海水浓缩制食盐； • 我国电渗析技术研究始于1958年，目前在电渗析主要 装置部件及结构方面都有巨大的创新，仅离子交换膜 产量就占到了世界的1/3； • 1981年，我国由国家海洋局杭州水处理技术开发中心 研发出200m3/d规模的海水淡化电渗析装置。
第二节 离子交换膜的组成及分类
一、离子交换膜的组成 树脂、胶黏剂、增塑剂、着色剂、抗氧化剂、脱模剂等 二、离子交换膜的分类 • 离子交换膜是膜状的离子交换树脂，含有活性基团和 能使离子透过的细孔 • 常用的离子交换膜按其选择透过性可分为阳离子交换 膜、阴离子交换膜、特殊离子交换膜三大类 • 阳膜含有酸性活性基团，解离出阳离子，使膜呈负电 性，选择性透过阳离子 • 阴膜含有碱性活性基团，与阳模相反
酸性气体的清除与回收
第八节 电渗析在废水处理中的应用
• 水的纯化
海水、苦咸水、自来水制备初级和高级纯水的重要方法， 一般采用与离子交换树脂组合工艺，但注意电渗析不能 出去非电解质杂质
• 海水、盐泉卤水制盐
电渗析浓缩海水蒸发结晶制备食盐，不受地理气候限制， 易于自动化和工业化
• 废水处理 • 脱除有机物中的盐分
工作原理示意图
阳模带负电荷，阴膜带正电 荷 与膜所带电荷相反的离子透 过膜的现象称为反离子迁 移 高选择性渗透率、低电阻力、 优良的化学和热稳定性以 及一定的机械强度 2 3 4
• 阳膜组成的电渗析器
阴膜组成的电渗析器
二、电渗析过程中的传递现象
1）主要过程： 反离子迁移 2）次要过程： 同名离子迁移（阳模-阴离子）、电解质渗析 （浓差扩散）、水渗透（渗透压）、水的电渗 透（离子水合） 3）非正常过程： 压差渗漏（溶液）、水的解离（极化）
第一节 电渗析基本原理
一、电渗析的工作原理 • 电渗析（electrodialysis，简称ED）是指在直流电场 的作用下，溶液中的带电离子选择性定向迁移，透过 离子交换膜并得以去除的一种膜分离技术。 • 电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、 阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过，阴 膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离 的一种物理化学过程。从而实现溶液的浓缩、淡化、 精制和提纯的一种膜过程。
串 联
两级两段
具有同一水流方向的并联膜堆称为一段
• 一级一段特点是产水量与膜对数成正比，脱盐率 取决于一块隔板的流程长度，常用于大、中制水 厂，可含200～360个膜对； • 二级一段（多级一段）使操作电压降低，便于低 操作电压下获得高产水量； • 一级两段可增加脱盐流程长度，提高脱盐率，适 用于单台电渗析器一次脱盐，中、小型制水厂； • 多级多段发挥两者优点，同时满足对产量和质量 的要求。
第四节 离子交换膜的主要性能
1. 交换容量（IEC）：每克干膜所含活性基团的毫克当量数， 单位为meq/g 交换容量高，选择透过性好，导电能力强，但溶胀度大，影 响机械强度 一般约为2～3meq/g 2. 含水量：膜内与活性基团结合的内在水，以每克干膜含水 质量表示，一般含水量为20-40% 3. 膜电阻：关系工作所需电压和电能消耗，通常越小越好 4. 选择透过度：常用反离子迁移数和膜的透过度来表示 一般要求大于85Βιβλιοθήκη Baidu，反离子迁移数大于0.9，并希望在高浓 度电解质中仍有良好的选择透过性
脱除有机物中的盐分 医药：葡萄糖、甘露醛、氨基酸、维生素C，中草药等 中草药有效成分的分离和精制，可通过电渗析把中草 药提取液分离成无机阳离子和生物碱、无机阴离子和有
机酸、中性化合物和高分子化合物三部分
食品：牛乳、乳清等
• 超滤、反渗透、电渗析 组合工艺提取甘露醇
本章习题
• • • 掌握电渗析的工作原理及其组成示意图 电渗析过程发生哪些传递现象？哪些是主要的，哪些是次要 的，哪些是非正常的？ 电渗析过程中离子交换膜起什么作用？阳膜和阴膜各带什么 电荷，它们有什么特点？ 电渗析过程发生的两个基本条件 离子交换膜为什么具有选择透过性？它的主要性能有哪些？ 电渗析器的主要结构，膜对、膜堆以及段和级的含义，它有 哪些性能指标？ 双极膜的特点 电渗析的应用主要是水的纯化和脱盐
四、实际应用的电渗析器
五、电渗析仪的性能指标
• • • • 淡水产量 脱盐率 电能消耗 电流效率
第六节 电渗析的脱盐过程
1.连续式脱盐
2.循环式脱盐
第七节 新型的电渗析过程
• 填充混合离子交换树脂电渗析过程 • 含离子交换膜的Donnan渗析
• 双极膜水解离电渗析
双极膜是阴、阳膜紧密相邻或结合而成，直流电场下可将 水离解 双极性膜单独使用可实现电解反应；与阳膜和阴膜组合使 用可实现离子交换反应，可将盐转化成相应的酸与碱、可 从氨基酸盐制备氨基酸。
第七章 离子交换膜与电渗析
主要内容
•电渗析的发展概述 •电渗析基本原理 •离子交换膜的组成及分类 •离子交换膜的制备 •离子交换膜的主要性能 •电渗析器 •电渗析的脱盐过程 •新型的电渗析过程 •电渗析在废水处理中的应用
我国2010年度膜产业十大新闻
3. 山东东岳集团上周传出喜人消息：“十一五” 国家科技支撑计划“全氟离子交换膜工程技术研 究”项目的4个课题全部通过了山东省科技厅组 织的专家审核验收。国产全氟离子膜关键技术、 工程放大及装备技术开发项目的完成，以及在万 吨级电解装置上成功应用，改写了我国氯碱工业 长期受制于人的历史。
三、电渗析过程的两个基本条件
• 直流电场的作用 使溶液中正、负离子分别向阴极和阳极作定向迁移 • 离子交换膜的选择透过性 使溶液中的带电离子在膜上实现反离子迁移
离子交换膜为什么具有选择透过性呢
四、离子交换膜的选择透过性
膜的静电作用、孔隙作用和扩散作用
• 带大量电荷的膜吸引反离子、排斥同名离子；膜中固定 离子越多，吸引力越强，选择性越好 • 水合离子半径小于孔隙大小才能通过 • 膜对溶解离子所具有的传递迁移能力，吸附-解吸-迁移 注意！离子交换膜的作 用并不是起离子交换的 作用，而是起离子选择 性透过作用！
离子交换膜的性能要求
• • • • • • 选择透过性高，要求在95%以上； 导电性好，要求其导电能力应大于溶液的导电能力； 交换容量大； 溶胀率和含水率适量； 化学稳定性强； 机械强度大。
第五节 电渗析器
一、电渗析器的主要结构 电渗析器由膜堆、极区和压紧装置三部分组成 常用基本术语包括膜对、级、段等 膜对：由阳膜、浓（或淡）水室隔板、阴膜、淡（浓） 水室隔板交替排列成浓水室和淡水室，最小电渗析工 作单元 膜堆由一系列膜对组成，位于电渗析器的中部。 极区由托板、电极、极框和弹性垫板组成 压紧装置由盖板和螺杆组成，其作用是将极区和膜堆组 成不漏水的电渗析器整体
• • •
• •
第三节 离子交换膜的制备
按照离子交换膜的主体组分可分为均相膜和异相膜
均相膜中各成分以分子状态均匀分布，不存在相界面 异相膜是通过胶黏剂把粉状树脂制成片状膜，存在相界面 1.异相膜（压延和模压，溶液型胶黏剂，离子型交换树脂） 2.半均相膜（胶黏剂吸浸单体后聚合制备树脂，均匀分散） 3.均相膜（直接薄膜化，制备基膜后引入离子交换基团或者 先引入离子交换基团后再成膜） 4.新型离子交换膜（双极膜和螯合膜）
选择性透过
• 特殊离子交换膜 双极膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄的网布做 成，具有方向性的电阻。当阳膜面朝向阴极，阴膜面 朝向阳极时，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，膜电阻降低，膜 两侧相应的离子进入膜中。
直流电场下，双极性膜 可将水离解，能够将水 分离成H+与OH- 两种离 子，可作为H+与OH-的 供应源。
目前，电渗析在废水处理实践中应用最普遍的有： ⑴ 造纸工业废水处理，利用电渗析法处理造纸工业的亚硫酸纸 浆废液和洗浆废水及碱法造纸黑液，从中回收化学药品，已 得到工业应用。 ⑵ 从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠。 ⑶ 从酸洗废液中制取硫酸和沉淀重金属离子。 ⑷ 电镀废水和废液处理，含Cd2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr6+等重金 属离子和氰化物的电镀废水都适宜用电渗析法处理，其中应 用最成熟的是含镍废水处理。 ⑸ 从放射性废水中分离放射性元素，然后将其浓缩液掩埋。
二、电渗析器的组装
• 电渗析器的组装依其应 用不同而有所不同。其 组装的情况是用级和段 来表示的。 • 级：一对正、负电极之 间的膜堆称为一级； • 段：具有同一水流方向 的并联膜堆称为一段。
电渗析器的组装示意图
三、电渗析器的级与段
一对正、负电极之间的膜堆称为一级
并 联
一级一段 两级一段 一级两段
电渗析的发展概述
• 电渗析研究源于德国，与1952年美国Ionics公司制备 世界第一台电渗析装置，用于苦咸水淡化； • 20世纪50年代末，日本开发海水浓缩制食盐； • 我国电渗析技术研究始于1958年，目前在电渗析主要 装置部件及结构方面都有巨大的创新，仅离子交换膜 产量就占到了世界的1/3； • 1981年，我国由国家海洋局杭州水处理技术开发中心 研发出200m3/d规模的海水淡化电渗析装置。
第二节 离子交换膜的组成及分类
一、离子交换膜的组成 树脂、胶黏剂、增塑剂、着色剂、抗氧化剂、脱模剂等 二、离子交换膜的分类 • 离子交换膜是膜状的离子交换树脂，含有活性基团和 能使离子透过的细孔 • 常用的离子交换膜按其选择透过性可分为阳离子交换 膜、阴离子交换膜、特殊离子交换膜三大类 • 阳膜含有酸性活性基团，解离出阳离子，使膜呈负电 性，选择性透过阳离子 • 阴膜含有碱性活性基团，与阳模相反
酸性气体的清除与回收
第八节 电渗析在废水处理中的应用
• 水的纯化
海水、苦咸水、自来水制备初级和高级纯水的重要方法， 一般采用与离子交换树脂组合工艺，但注意电渗析不能 出去非电解质杂质
• 海水、盐泉卤水制盐
电渗析浓缩海水蒸发结晶制备食盐，不受地理气候限制， 易于自动化和工业化
• 废水处理 • 脱除有机物中的盐分
工作原理示意图
阳模带负电荷，阴膜带正电 荷 与膜所带电荷相反的离子透 过膜的现象称为反离子迁 移 高选择性渗透率、低电阻力、 优良的化学和热稳定性以 及一定的机械强度 2 3 4
• 阳膜组成的电渗析器
阴膜组成的电渗析器
二、电渗析过程中的传递现象
1）主要过程： 反离子迁移 2）次要过程： 同名离子迁移（阳模-阴离子）、电解质渗析 （浓差扩散）、水渗透（渗透压）、水的电渗 透（离子水合） 3）非正常过程： 压差渗漏（溶液）、水的解离（极化）
第一节 电渗析基本原理
一、电渗析的工作原理 • 电渗析（electrodialysis，简称ED）是指在直流电场 的作用下，溶液中的带电离子选择性定向迁移，透过 离子交换膜并得以去除的一种膜分离技术。 • 电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、 阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过，阴 膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离 的一种物理化学过程。从而实现溶液的浓缩、淡化、 精制和提纯的一种膜过程。
串 联
两级两段
具有同一水流方向的并联膜堆称为一段
• 一级一段特点是产水量与膜对数成正比，脱盐率 取决于一块隔板的流程长度，常用于大、中制水 厂，可含200～360个膜对； • 二级一段（多级一段）使操作电压降低，便于低 操作电压下获得高产水量； • 一级两段可增加脱盐流程长度，提高脱盐率，适 用于单台电渗析器一次脱盐，中、小型制水厂； • 多级多段发挥两者优点，同时满足对产量和质量 的要求。
第四节 离子交换膜的主要性能
1. 交换容量（IEC）：每克干膜所含活性基团的毫克当量数， 单位为meq/g 交换容量高，选择透过性好，导电能力强，但溶胀度大，影 响机械强度 一般约为2～3meq/g 2. 含水量：膜内与活性基团结合的内在水，以每克干膜含水 质量表示，一般含水量为20-40% 3. 膜电阻：关系工作所需电压和电能消耗，通常越小越好 4. 选择透过度：常用反离子迁移数和膜的透过度来表示 一般要求大于85Βιβλιοθήκη Baidu，反离子迁移数大于0.9，并希望在高浓 度电解质中仍有良好的选择透过性
脱除有机物中的盐分 医药：葡萄糖、甘露醛、氨基酸、维生素C，中草药等 中草药有效成分的分离和精制，可通过电渗析把中草 药提取液分离成无机阳离子和生物碱、无机阴离子和有
机酸、中性化合物和高分子化合物三部分
食品：牛乳、乳清等
• 超滤、反渗透、电渗析 组合工艺提取甘露醇
本章习题
• • • 掌握电渗析的工作原理及其组成示意图 电渗析过程发生哪些传递现象？哪些是主要的，哪些是次要 的，哪些是非正常的？ 电渗析过程中离子交换膜起什么作用？阳膜和阴膜各带什么 电荷，它们有什么特点？ 电渗析过程发生的两个基本条件 离子交换膜为什么具有选择透过性？它的主要性能有哪些？ 电渗析器的主要结构，膜对、膜堆以及段和级的含义，它有 哪些性能指标？ 双极膜的特点 电渗析的应用主要是水的纯化和脱盐
四、实际应用的电渗析器
五、电渗析仪的性能指标
• • • • 淡水产量 脱盐率 电能消耗 电流效率
第六节 电渗析的脱盐过程
1.连续式脱盐
2.循环式脱盐
第七节 新型的电渗析过程
• 填充混合离子交换树脂电渗析过程 • 含离子交换膜的Donnan渗析
• 双极膜水解离电渗析
双极膜是阴、阳膜紧密相邻或结合而成，直流电场下可将 水离解 双极性膜单独使用可实现电解反应；与阳膜和阴膜组合使 用可实现离子交换反应，可将盐转化成相应的酸与碱、可 从氨基酸盐制备氨基酸。
第七章 离子交换膜与电渗析
主要内容
•电渗析的发展概述 •电渗析基本原理 •离子交换膜的组成及分类 •离子交换膜的制备 •离子交换膜的主要性能 •电渗析器 •电渗析的脱盐过程 •新型的电渗析过程 •电渗析在废水处理中的应用
我国2010年度膜产业十大新闻
3. 山东东岳集团上周传出喜人消息：“十一五” 国家科技支撑计划“全氟离子交换膜工程技术研 究”项目的4个课题全部通过了山东省科技厅组 织的专家审核验收。国产全氟离子膜关键技术、 工程放大及装备技术开发项目的完成，以及在万 吨级电解装置上成功应用，改写了我国氯碱工业 长期受制于人的历史。
三、电渗析过程的两个基本条件
• 直流电场的作用 使溶液中正、负离子分别向阴极和阳极作定向迁移 • 离子交换膜的选择透过性 使溶液中的带电离子在膜上实现反离子迁移
离子交换膜为什么具有选择透过性呢
四、离子交换膜的选择透过性
膜的静电作用、孔隙作用和扩散作用
• 带大量电荷的膜吸引反离子、排斥同名离子；膜中固定 离子越多，吸引力越强，选择性越好 • 水合离子半径小于孔隙大小才能通过 • 膜对溶解离子所具有的传递迁移能力，吸附-解吸-迁移 注意！离子交换膜的作 用并不是起离子交换的 作用，而是起离子选择 性透过作用！
离子交换膜的性能要求
• • • • • • 选择透过性高，要求在95%以上； 导电性好，要求其导电能力应大于溶液的导电能力； 交换容量大； 溶胀率和含水率适量； 化学稳定性强； 机械强度大。
第五节 电渗析器
一、电渗析器的主要结构 电渗析器由膜堆、极区和压紧装置三部分组成 常用基本术语包括膜对、级、段等 膜对：由阳膜、浓（或淡）水室隔板、阴膜、淡（浓） 水室隔板交替排列成浓水室和淡水室，最小电渗析工 作单元 膜堆由一系列膜对组成，位于电渗析器的中部。 极区由托板、电极、极框和弹性垫板组成 压紧装置由盖板和螺杆组成，其作用是将极区和膜堆组 成不漏水的电渗析器整体
• • •
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第三节 离子交换膜的制备
按照离子交换膜的主体组分可分为均相膜和异相膜
均相膜中各成分以分子状态均匀分布，不存在相界面 异相膜是通过胶黏剂把粉状树脂制成片状膜，存在相界面 1.异相膜（压延和模压，溶液型胶黏剂，离子型交换树脂） 2.半均相膜（胶黏剂吸浸单体后聚合制备树脂，均匀分散） 3.均相膜（直接薄膜化，制备基膜后引入离子交换基团或者 先引入离子交换基团后再成膜） 4.新型离子交换膜（双极膜和螯合膜）
选择性透过
• 特殊离子交换膜 双极膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄的网布做 成，具有方向性的电阻。当阳膜面朝向阴极，阴膜面 朝向阳极时，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，膜电阻降低，膜 两侧相应的离子进入膜中。
直流电场下，双极性膜 可将水离解，能够将水 分离成H+与OH- 两种离 子，可作为H+与OH-的 供应源。
目前，电渗析在废水处理实践中应用最普遍的有： ⑴ 造纸工业废水处理，利用电渗析法处理造纸工业的亚硫酸纸 浆废液和洗浆废水及碱法造纸黑液，从中回收化学药品，已 得到工业应用。 ⑵ 从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠。 ⑶ 从酸洗废液中制取硫酸和沉淀重金属离子。 ⑷ 电镀废水和废液处理，含Cd2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr6+等重金 属离子和氰化物的电镀废水都适宜用电渗析法处理，其中应 用最成熟的是含镍废水处理。 ⑸ 从放射性废水中分离放射性元素，然后将其浓缩液掩埋。
二、电渗析器的组装
• 电渗析器的组装依其应 用不同而有所不同。其 组装的情况是用级和段 来表示的。 • 级：一对正、负电极之 间的膜堆称为一级； • 段：具有同一水流方向 的并联膜堆称为一段。
电渗析器的组装示意图
三、电渗析器的级与段
一对正、负电极之间的膜堆称为一级
并 联
一级一段 两级一段 一级两段