电渗析

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一对正、负电极之间的膜堆称为一级 具有同一水流方向的并联膜堆称为一段
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组装形式：
可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 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
•
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纳滤膜及其技术的应用领域
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五、微孔过滤（自学）
微孔过滤与超滤从原理上说没有本质的差别， 微滤只能截留更大分子的膜 分离过程。以压力为推动力的膜分离过程。
一 价 离 子 二小 价分 离 子 大分子 微粒 子 微滤
水
超滤
纳滤 反渗透
膜表面截留
膜内部网络截留
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超滤在水处理的应用
• 1．给水
• 去除细菌、胶体等物质。家庭用膜式净水器 • 与反渗透联合制备纯水
• 2．废水
• 回收分离有用物：涂料、羊毛脂、染料、纸浆等 • 废水深度处理 • 膜－生物反应器
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超 滤 过 滤 装 置
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超滤处理流程示意图
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四、纳滤技术（nanofiltration，NF）
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3、电渗析在水处理中的应用
• 海水淡化 • 流程：海水→海水泵→无阀滤池→海水池→水泵→ 纤维布过滤器→第一组电渗析器→中间水池→第二 组电渗析器→成品水池→脱硼装置→饮用水。 • 电渗析—离子交换组合工艺制取纯水 • 电渗析法处理电镀含镍废水、酸洗废水回收硫酸和 铁、芒硝回收硫酸和碱。
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2.液膜类型
内相
外相
①浸渍型：以多孔高分子膜作 由于将液膜含浸在多孔支撑体上，可以承 受较大的压力，且具有更高的选择性，可 为支架 , 使液体膜溶液 ( 有机 以承担合成聚合物膜不能胜任的分离要求。 溶剂 ) 浸渍在其孔穴部位 , 并 通常孔径越小液膜越稳定，但孔径过小将 使空隙率下降，从而将降低透过速度，存 在内外相均接触水溶液。 在传质面积小。
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压力 大分子 供水 超滤膜 水 盐 超滤过程 压力（要大于渗透压力） 盐 大分子 供水 反渗透膜 水 反渗透
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超 滤 与 反 渗 透 的 区 别 示 意
超滤的截留机理：主要是物质在膜表面及微孔内的吸附、在孔
内的停留（阻塞）、膜表面的机械截留（筛分）、架桥截留和
膜内部网络截留。
机械截留 吸附截 留 架桥 截留
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小结：膜滤分类及基本特征
方法
微滤 MF 超滤 UF 纳滤 NF 反渗透 RO 电渗析 ED 渗析 D
推动力
压力差 0.01-0.2MPa 压力差 0.1-0.5MPa 压力差 0.5-2.5MPa 压力差 1-10Mpa
传递机 理
透过物及大小
水、溶剂、 溶解物
截留物
膜类型
对称和不对 称的多孔膜 非对称的多 孔膜 致密非对称 膜或复合膜 致密非对称 膜或复合膜
电位差
浓度差
悬浮物、颗粒 筛分 物、纤维和细 菌 水、溶剂、离子 胶体、大分子 筛分 和小分子 不溶解的有机 0.0004-10μm 物 筛分+溶 溶质、二价盐、 水和溶剂 解/扩散 糖和染料 水、溶剂 溶质、盐（SS、 溶剂的 扩散 0.0004-0.06μm 大分子、离子） 电离离子 离子交 非解离和大分 换 0.0004-0.1μm 子物质 低分子物质、离 溶质扩 溶剂，分子量 子 >1000 散 0.0004-0.15μm
2）极化时，在浓水侧的阴膜界面上形成沉淀会堵塞水流通道。 • （ 电流密度是指单位面积膜通过的电流，使水分子产生离解反应时的 操作电流密度称为极限电流密度。 （ 3）由于沉淀和结垢的影响，膜性能发生变化，机械强度下降， 膜电阻增大，缩短了膜的使用寿命。


为了避免极化和结垢，目前采用的措施包括：

阴极还原反应 2H++2 e→H2↑阴极室溶液呈碱性结垢 阳极氧化反应 4OH-→O2+2H2O+4e 阳极室溶液呈酸性腐蚀
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原水
阳 阴
+
极水
阳
+
阴
阳
+
阴
阳 极
极
＋ 阳极
+
+
+
室
浓Fra Baidu bibliotek
—
淡
—
浓
—
淡
—
浓
—
淡
—
室 — 阴极
浓水
淡水
电渗析分离原理图
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电渗析过程
①反离子的迁移 交换膜不可能100%的选择性，有少 次要 过程
②乳化型：将表面活性剂、添 加剂及溶剂(内相试剂)的水溶 液高速搅拌(>2000转/分钟), 制成一个油包水(W/O)的乳状液, 然后再把这种乳状液加入到低 速搅拌(100转/ 分钟)的试液中, 并使乳状液均匀分散在试液中, 乳液型液膜的传质比表面最大，膜的厚度 最小，因此传质速度快，分离效果较好， 结果形成水包油, 再包水 具有较好的工业化前景。 (W/O/W)的多相乳浊液。
离子交换膜
非对称膜， 离子交换膜
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隔膜电解法原理及应用 （自学）
还记得电解浮选和电解凝聚原理吗？
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六、液膜分离
• 1. 液膜的概念和特点
液膜分离是一种新发展的膜分离技术，是新兴的节能型分离手段。 液膜是悬浮在液体中很薄的一层乳液微粒（ 3-5m ）。它能把两个 组成不同而又互溶的溶液隔开，并通过渗透现象起到分离的作用。 • 液膜的特点：膜薄、比表面积大、分离速度快、传质推动力大、提 • 取效率高、过程简单、试剂消耗量少，这对于传统萃取工艺中试剂昂 贵或处理能力大的场合具有重要的经济意义。 • 另外，液膜的选择性好，往往只能对某种类型的离子或分子的分离 具有选择性，分离效果显著。
•
量与离子交换膜解离离子电荷相反离子透过膜，阳通过阴, 阴通过阳 ②电解质浓差扩散
• 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 • 水的渗透压作用，水由淡水室向浓水室渗透
• ③水的渗透 • 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。
• 最大缺点：强度低，破损率高，难以稳定操作，而且过程与设备复杂。
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• 2. 液膜的组成与类型 • （1）液膜的组成 •
● 成膜的基本物膜溶剂：有机溶剂或水, 构成膜的基 体。如煤油、石蜡。
主要考虑液膜的稳定性和对溶质的溶解度。 对无载体液膜, 膜溶剂能优先溶解欲分离 组分, 而对其它组分溶质的溶解度则应很小； 对有载体液膜, 膜溶剂要能溶解载体, 而不 溶解溶质。
微滤、超滤、纳滤、反渗透对物质的截留
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小结：膜滤分类及基本特征
根据推动力的不同，膜分离有下列几种： 浓度差：扩散渗析 电位差：电渗析 压力差： 反渗透(RO, reverse osmosis)：MW<100, 0.2-0.3nm, 2 -3 A0 纳滤(NF, nanofiltration)：MW: 100-1000, 0.5-5 nm 超滤(UF, ultrafiltration)：MW: 1000—百万, 5 nm-0.2m 微滤(MF, microfiltration)：0.2-1 m (1A0=10-8 cm, 1m =10-4cm, 1nm=10-7cm)
海水淡化流程
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电 渗 析
反 渗 透
纯水制备流程示意图
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补 充 水
补 充 水
半光亮镀镍 电渗析
回收槽
光亮镀镍
回收槽 水洗槽 水洗槽 离子交换
电渗析
电渗析法回收含镍污水的工艺流程
镀镍废水回收镍：含镍废水经电渗析处理后，浓水中的镍浓度增高，可以返 回镀镍重复利用；淡水水镍浓度减少，可以返回水洗槽用在清洗水的补充水。 以硫酸钠溶液作为电极液，进行循环，加入硫酸钠是为了减轻铅电极的腐蚀， 经电渗析处理后，浓液浓度可以使NiSO4 · 7H2O达到100g/L左右，除镍率达 到90%以上。
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海水淡化----电渗析原理
盐水 极水
+
-
淡水
关 注
1 离子在电场下的定向迁移 2 膜的选择性透过 3 分离对象/产品的去向
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1、电渗析的基本原理
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
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电渗析器组装
• 几个术语：
• 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 • 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
主要过程对电渗析有利，次要过程均会影响电渗析的除盐 或浓缩效率，增加电耗。设计中，应选择理想的离子交换膜和 最佳的操作条件，设法消除或改善这些不利影响。
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极化与极限电流浓度
• 电渗析过程中，膜内反离子的迁移数大于溶液中的迁移数，从而造 成淡水室中在膜与溶液的界面处形成离子亏空现象，当操作电流密 度增大到一定程度时，主体溶液内的离子不能迅速补充到膜的界面 电渗析的极化现象对电渗析的运行有很大影响： 上，从而迫使水分子电离产生H+和OH—来负载电流，这就是电渗 （ 1）极化时一部分电能消耗在水的电离上，使电流效率下降； 析的极化现象。
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膜支架
O
3. 液膜分离原理
C 液料 液料 液膜 R C+R→P 液膜 液料 液膜
R1
C+R1 → P1
(c) 膜中化学反应
• 纳滤膜是上世纪80年代在反渗透复合膜基础上开发出来的，
是超低压反渗透技术的延续和发展分支，早期被称作低压反
渗透膜或松散反渗透膜。目前，纳滤膜已从反渗透技术中分 离出来，成为独立的分离技术。 纳滤膜的孔径为纳米级，介于反渗透膜(RO)和超滤膜(UF)之 间，因此称为“纳滤”。
纳滤膜的表层较RO膜的表层要疏松得多，但较UF膜的要致密
•
● 表面活性剂：稳定液膜，如多胺系、山梨糖醇酐单 油酸酯类（Span80）等。
•
● 添加剂/流动载体：提高膜的选择性, 实现分离传质
的关键因素。如磷酸三丁脂、P204t、TBP等
载体与欲分离的溶质形成的配合物要有适 当的稳定性, 在膜的外侧生成的配合物能在 膜中扩散, 而到膜的内侧要能解络。
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二、电渗析(Electrodialysis)
渗析液 溶剂 膜
电渗析是利用离子交换膜和直流
电场的作用，从水溶液分离出电
解质组分的一种电化学分离过程。 典型过程： 血液透析； 用于海水淡化、纯水制备和 废水处理； 在分析上可用于无机盐溶液 的浓缩或脱盐
原液
A 溶 剂 B
溶 质
x1 x2
渗出液
溶剂＋扩散物质
得多。因此其制膜关键是合理调节表层的疏松程度，以形 成大量具纳米级的表层孔。
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•
纳滤膜主要用于截留粒径在0.1～1nm，分子量为1000左 右的物质，可以使一价盐和小分子物质透过，具有较小的 操作压（0.5～1MPa）。其被分离物质的尺寸介于反渗透膜 和超滤膜之间，但与上述两种膜有所交叉。 纳滤恰好填补了超滤与反渗透之间的空白,它能截留透过 超滤膜的那部分小分子量的有机物,透析被反渗透膜所截留 的无机盐。 而且，纳滤膜对不同价态离子的截留效果不同,对单价离子 的截留率低(10%-80%),对二价及多价离子的截留率明显高 于单价离子(90%)以上。
（1）控制工作电流密度在极限电流密度下运行； （2）定时倒换电极； （3）定期酸洗。
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电渗析装置示意动画
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2.电渗析器装置与组装
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；浓、淡室隔开 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
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三、超滤法
• 超滤与反渗透类似，依靠压力和膜进行工作
• 制膜材料：
• 醋酸纤维素或聚砜酰胺等，省去热处理工序，成膜孔径较大，能够 在较小的压力下工作，有较大的通水量。
• 与反渗透的区别：
• 用途：分离分子量500-500000的物质，直径为0.00510μm的大分子和胶体 超滤过程的本质：是一种筛滤过程，膜表面的空隙 大小是主要的控制因素，溶质能否被膜孔截留取决 于溶质粒子的大小、形状、柔韧性以及操作条件等， 而与膜的化学性质关系不大。