电渗析法淡化技术

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达到平衡后，根据质量作用定律，截面两侧浓度积相 等。 [Na+]1[Cl-]1=[Na+]2[Cl-]2 （a ＋x) · = (b －x)(b－x) x 解得：x＝b2/(a＋2b) 则膜两侧离子浓度的比值： [Na+]1/[Na+]2 ＝[Cl-]2 / [Cl-]1＝(b-x)/x＝（a+b)/b 讨论： 当a>>b时 [Cl-]2 / [Cl-]1＝（a+b)/b =a/b=∞ 即（2）侧的CI离子几乎不能进入（1）侧。 当a<<b时 [Cl-]2 / [Cl-]1＝（a+b)/b =1 即两侧Cl和Na离子浓度近似相等。 离子交换膜的表面即相当于半透膜，上图相当于阳膜 的作用机理。
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☆
极化的影响：
1.膜介面的电阻升高（C’ →0）；
2.浓差膜电位升高，使电耗增大； 3.高浓端膜面上会析出难溶性盐类； 4.同电荷不同离子间的选择透过性下降； 5.由于水被电离，并参与导电，使能耗升高，电流效 率下降； 6.外液的PH值变化明显，对PH值有敏感的产品生产不 利，对设备有腐蚀作用。

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结论：

当膜的活性基团多，即a很大时，膜外的CI离子几乎不 能进入阳膜，膜即具有了选择透过性。 当膜外溶液浓度提高时，则进入阳膜的CI离子也增多。 所以说选择透过性也不是百分之百的，而是随着溶液

浓度的提高而下降。对于阴膜也有类似结果。
其理论对选择透过性作了定性解释有些现象也不能 很好解释。如：交换基团越多，选择透过性趆高，但 实际高到一定量时选择性反会下降，所以说还需进一 步完美。
(2)

开始时 平衡时 杜南平衡理论是讨论半透膜两侧离子分布不均的问题。 若膜的一侧有一种离子R不能透过膜，而另一侧的离子都可以透过膜，则 如上图所示（1）侧R不能透过膜，Na可透过，两离子浓度均为a；膜的（2） 侧NaCl浓度为b.当平衡时，设有x浓度的Na离子自（2）侧进入（1）侧， 为保持电中性，必有x浓度的Cl也进入（1）侧。

三室式：
NaCl
Cl2
H2
Cl
盐 水 精 制
+
Na
－
阴
阳 NaOH
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三、基本理论

（1）.Sollner双电层理论 以阳离子交换膜为例，当离子交换膜浸入电解质 溶液中，膜中的活性基团在溶剂水的作用下发生解离 产生反离子，并进入水溶液。 膜上活性基团在电离后带有电荷，以致在膜表面 附近，电解质溶液中带相反电荷（可交换）的离子形
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2.

同名离子迁移
同名离子迁移是指与膜的固定基团电荷符号相 同的离子迁移。 例如水中的氯离子带负电荷，与阳膜的固定基 团的负电荷同名，浓缩室中的氯离子由于浓度 大，会闯入阳膜进入淡化室，抵消淡化作用。 浓差扩散 由于浓缩室中氯化钠浓度比淡化室高，在浓度 差的作用下，氯化钠由浓缩室向淡化室中扩散。

1952年2月，美国首次将电渗析咸水淡化器的样 机公开展出。同年，美围、英国均研制出实用的离 子交换膜并于1954年正式用于淡化苦咸水制取饮用 水和工业用水的生产实践。
1959年苏联开始研究和推广应用电渗析技术。日本 引进电渗析技术后，首先并且主要用于海水浓缩制 盐。
2

2.主要用途

主要是咸水淡化，可将含盐量为6000mg／L的咸水淡化
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五、浓差极化现象
以阴膜为例说明电渗析的极化过程。见下图
c1’
阳
c1
σ
σ
c0 c
阴
c’

阴膜 阳膜 电渗析器通电之前，阴膜两侧水的含盐量均为Co。通电一段时间后，阴膜右侧淡 室中水的盐量为C，左侧浓水室中水的含盐量为C1。由于离子在膜内的迁移速度大 于在水中的迁移速度，因而在淡室中阴膜与水界面上的淡水含盐量为C’,C’﹤ C 。
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6. 水的分解 在电渗析过程中，由于发生电流密度与离子扩 散速度不相适应的情况，导致膜与水的界面上 的水分子解离成H+和OH-，并参与传导电流。水 的分解影响水的pH值，也使淡水量减少。 7. 压差渗漏 当膜的两侧产生压力差时，溶液由压力大的一 侧向压力小的一侧渗漏。 可以看出，电渗析过程是个很复杂的过程，在 实际应用中，应设法减小次要过程的不利影响。

3.

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4. 水的渗透 水由淡化室透过膜向浓缩室中迁移。随着浓水 与淡水浓度差的增加，水的渗透量增大。 5. 水的电渗透 离子在水中与水分子结合成为水合离子。 由于离子的水合作用，在反离子迁移和同名离 子迁移过程中都携带一定数量的水分子同时迁 移。 反离子迁移的同时从淡化室带出水，同名离子 迁移则相反。相比之下，反离子迁移从淡化室 带出的水量大于同名离子带出水量。
第三节 电渗析法海水淡化技术
.本节主要内容：
一、概述 二、电渗析过程原理 三、基本理论 四、电渗析过程中的传递现象 五、浓差极化现象 六、电渗析海水淡化的操作技术
1
一、概述 1. 发展概况

萌芽于20世纪初，直到1940年才出现了具有实用价 值的多隔室电渗析器。1950年w．Juda试制出具有高 选择透过性能的阴离子交换膜和阳离子交换膜，从 而奠定了电渗析技术的实用基础。
电渗析有如下五个方面的特点： (1) 耗电低，经济效益显著。实践证明将2000－5000mg/L的苦咸水 淡化成500mg/L的淡水最经济；
(2) 系统应用灵活，操作维修方便。根据不同条件要求，可以灵活 地采用不同形式的系统设计，并联可增加产水量，串联可提高脱 盐率，循环或部分循环可缩短工艺流程。
在运行过程中，控制电压、电流、浓度、流量、压力与温度几个 主要参数，可保证稳定运行； (3)不污染环境； (4)使用寿命长。膜一般可用3—5年，电极可用7—8年，隔板可 用15年左右； (5)原水回收率高；海水、高浓度苦咸水原水回收率可达60％以 上。一般苦咸水回收率可达65％－80％。

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电渗析的规律：
异性电荷相吸； 膜中固定离子越多，吸引力越强，选择性越
高；
在电场作用下，溶液中的阳离子作定向连续
迁移通过带负电的阳膜。
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（2）Donnan平衡理论
Na+ = a R= a
(1)
Cl- = b Na+=b
(2)
Na+ = a+x Cl-= x
(1)
Cl- = b-x Na+=b-x
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1978年郑州铁路局商丘电渗析淡化站建成投产。由地 下苦咸水制取蒸汽机车锅炉用水。产水量为1200m3／d 以上。1982年商丘西站建成电渗析淡化站，产水量为 2400m3／d。
1981年国家海洋局第二海洋研究所等单位，在我国西 沙群岛的永兴岛上建立了我国规模最大的电渗析海水 谈化站，将海水淡化成饮用水。产水量为200m3／d。 我国电渗析器单台产淡水量可达50m3／d。制造电渗析 淡化器的工厂有20多个。
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3.电渗析技术的发展特点
采用电渗析法进行海水深度除盐，制取含盐量约为 500mg/L的初级纯水。电渗析法和离子交换法联合应用， 制取高纯度水。

电渗析谈化水站向自动化、电子计算机控制的无人操 作方向发展。 为了降低海水淡化的能量消耗，研究高温电渗析和 中温电渗析。研究利用太阳能加热海水和太阳能发电。 此外，也利用风力发电机取得廉价电能。 离子交换膜可称为电渗析器的心脏。研制各种性能的 离子交换膜就可以扩展电渗析的应用领域。
百度文库
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☆

极化现象的控制
在浓室中阴膜与水界面上的浓水含盐量为C1’， C1’﹥ C1。在膜的两侧出现两个厚
度为δ的扩散层。随着电流的增加，淡室中C和C’不断下降。

当C’＝0时，阴膜与水界面上的阴离子全部参加了电迁移，这时的电渗析过程处于 临界状态。如果继续增加电压，使操作电流超过极限电流时，迫使界面处的水分
子解离成H+和0H—参加电荷的传递，即产生了“极化”。
成含盐量为500mg/L的饮用水和工业用水。

电渗析海水淡化站并不普遍，主要原因是海水的含盐 量过高，消耗的电能大。

1974年日本旭化成公司在山口县野岛建成一座电渗析
海水淡化站，淡水产量为120m3/d。

1977年美国高温电渗析开始在现场进行海水淡化试验， 淡水产量为379m 3/d。
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发展前景



现有电渗析淡化器估计有5000多台。淡水产量在 1000m3／d以上的电渗淡化站有数十个。
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我国电渗析水质除盐技术在工业生产上得到了 广泛的应用。 电渗析主要用在如化工、医药、电力、电子、 轻工、饮料、纺织、印染、锅炉、化学分析等。


工业生产中大多以自来水为原水。利用电渗析 可以直接制取除盐水。 在需要纯水的场合，电渗析可以作为离子交换 的预处理手段。无论采用哪种方式．电渗析除 盐均可取得降低制水成本、减轻污染的效果。
成双电层，如下页图所示。
双电层的强弱与膜上荷电活性基团数量有关，膜-溶 液界面离子分布及其相应化学电位与距离有关。
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膜与溶液介面离子分布 及相应化学位与距离的关系图示：
＋
电 位
＋ ＋ ＋ ＋
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
＋ － － － ＋
＋ ＋ ＋ － － ＋ －
距离
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阳离子交换膜上固定基团能构成足够强烈的负 电场，使膜外溶液中带正电荷离子极易迁移靠 近膜并进入膜孔隙，而排斥带负电荷离子。 如果膜上的活性基团少，则其静电吸引力也随 之减少，对同电荷离子的排斥作用也减少，降 低了对阳离子的选择透过性； 如果膜外溶液浓度很大，则扩散双电层的厚度 会变薄，一部分带负电荷的离子靠近阳膜的机 会增大，并导致非选择性透过阳离子交换膜； 对阴离子交换膜的情况恰好相反。 由此可得电渗析的规律：
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四、电渗析过程中的传递现象
在电渗析运行过程中传递现象比较复杂，在 脱盐时，离子的选择性迁移是主要过程。但是， 伴随主要过程的还有一些次要过程。这些次要 过程所产生的副作用总是力图抵消淡化过程， 因而降低除盐的效果。这种抵消作用表现为使 淡水中的盐量增加和使淡水水量减少。 1. 反离子迁移 反离子迁移是指与膜的固定基团电荷符号相反 的离子迁移，是电渗析的主要迁移过程。例如 阳膜的固定基团带负电荷，水中钠离子带正电 荷，钠离子透过阳膜的迁移即为反离子迁移。
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电渗析分离原理
料 液
阴极
阳极
阴离子交换膜
盐水
淡水
盐水
阳离子交换膜
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原理图示：
咸水（Na+ Cl-)
阴
Na+
阳
Na+ Na+
＋
ClCl-
Na+
ClCl-
Na+ Cl-
－
阳极水 浓缩水
阴极水 阳极水
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电渗析的流程
（1）电渗析器的构成： 膜堆、极区和夹紧装置 （2）电渗析器的组装方式
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膜法制碱原理图示：
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苦咸水淡 化 深度除盐 水的软化
5000 500 500
500 10 ＜20
1—5 ＜1 ＜1
＜5×10
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1—2
采用树脂电渗析方法或采用 电渗析—混合床离子交 换工艺。
废水的回 收与利用
含盐量 mg/L
5000
500
1—5
用于废水二级处理后的除盐。
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二、电渗析过程原理
在物理化学中，将溶质透过膜的观象称 为“渗析”，将溶剂透过膜的现象称为“渗 透”。对电解质的水溶液来说，溶质是离子， 溶剂是水。在电场的作用下，溶液中的离子透 过膜进行的迁移可以称为“电渗析”。 电渗析是指在直流电场作用下，溶液中的 荷电离子选择性地定向迁移透过离子交换膜并 得以去除的一种膜分离技术（见下图）。
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电渗析适用范围
用途 单位 海水淡化 含盐量 mg/L 含盐量 mg/L 含盐量 mg/L 硬度， mg/L （以CaCO3 计） 纯水制取 电阻率 Ω，cm 100×10
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除盐范围 起始 35000 终止 500
成品水的直流 耗电量 3 （KWh/m ） 15—17
说明
规模较小时（如500m /d以下） 建设时间短，投资少， 方便易行。 淡化到饮用水比较经济。 将饮用水除盐到相当与蒸馏 水的初级纯水比较经济。 在除盐过程中同时去除硬度。


5
4.

我国发展概况
我国1957年开始研制离子交换膜。最早研制成功了牛 皮纸膜和羊皮纸膜。 1966年聚乙烯异相膜在上海化工厂投产。成为我国第 一代具有实用性的商品膜，并且使用至今。年总产量 已超过20万m2。 我国第1台小型实用化的电渗析谈化器是在1964年由解 放军海军医学科学研究所研制成功的。1 1969年在北京化工厂内建立了我国最早的工业用水淡 化站。该站将地下水经电渗析和离子交换，制成化学 试剂用的高纯度水。100m3／d以上，供水至今。 可以认为1970年标志着我国电渗析技术进入了生产实 用的成熟阶段。