膜的孔隙结构

一、定义

在某种推动力的作用下，利用某种隔膜特定的透过性能，使溶质或溶剂分离的方法称为膜分离。

分离溶质时一般叫渗析；分离溶剂时一般叫渗透。

二、分类与特点

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-0.2μm

微滤(MF, microfiltration)：0.2-1 μm

(1A0=10-8 cm, 1μ =10-4cm, 1nm=10-7cm)

膜分离的特点：

可在一般温度下操作，没有相变；

浓缩分离同时进行；

不需投加其他物质，不改变分离物质的性质；

适应性强，运行稳定。

第2节电渗析

一、原理

在直流电场作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中的阴、阳离子的选择透过性，分离溶质和水。

阴膜只让阴离子通过；阳膜只让阳离子通过。

阴极：

还原反应：2H＋＋2e →H2↑

阴极室溶液呈碱性，结垢

阳极：

氧化反应：4OH－→O2↑＋2H2O ＋4e

或2Cl-→Cl2↑+2e

阳极室溶液呈酸性，腐蚀

特点：只能将电解质从溶液中分离出去。不能去除有机物等。

二、离子交换膜

离子交换树脂：树脂与离子之间发生交换反应

离子交换膜：对溶液中的离子具有选择透过的特性

★按其结构分为：异相膜、均相膜。

异相膜：离子交换树脂磨成粉末，加入粘合剂，滚压在纤维网上。

均相膜：离子及交换树脂的母体材料制成连续的膜状物，作为底膜，然后在上面嵌接上活性基团。

★按离子选择性分：

阳离子交换膜（一般为聚苯乙烯磺酸型）：R－SO3H，在水中电离后，呈负电性

阴离子交换膜（聚苯乙烯季胺型）：R－CH2 N（CH3）3OH，电离后，呈正电性

★离子交换膜选择透过性主要是由于：

1）膜的孔隙结构；2）活性交换基团的作用。

离子交换膜是电渗析的关键部分，良好的电渗析应：1）高的离子选择性；2）渗水性差；3）导电性好；4〕化学稳定性和机械强度

三、关键设备

如图

电渗析可分为三部分：极区、膜堆和紧固部分

极区：常用的电极有不锈钢、石墨等

膜对：一对阴、阳膜和一对浓、淡水隔板交替排列，组成的最基本脱盐单元

膜堆：若干膜对的集合体

一级：一对正、负极之间的膜堆

一段：具有同一水流方向的并联膜堆

增加段数：加长水的流程长度，增加脱盐效率。

增加膜对数：提高水处理量

增加级数：降低两个电极之间的电压

四、电流效率与极限电流密度

1．电流效率

η＝实际去除的盐量m1/理论去除量m2 100%

m1＝q(C1-C2) t M B /1000

q：一个淡室的出水量, L/s

C1，C2：进出水含盐量, mmol/L

t：通电时间, s

M B：物质的摩尔质量

依据法拉第定律：m2=I t M B/F

F：法拉第常数I：电流强度，A

2．极限电流密度

如果电流密度过大――发生浓差极化现象

电流传导靠Na＋和Cl－

电流总量＝Cl－电量＋Na+电量

Cl－电迁移数（总电量中所占比例）＝0.5

Na+电迁移数（总电量中所占比例）＝0.5

但在阴膜中，由于钠离子不能通过，氯离子的迁

移数为1，为此补充此差需要动用边界层中的氯离子，

致使边界层与主流层之间存在浓度差。

当电流密度i过大时，C’趋于0，水分子开始电离，参加迁移，此时发生浓差极化现象―――――极限电流密度

极限电流密度的确定：电压-电流法

极化与结垢：

极化现象主要发生在阳膜的淡室一侧，沉淀主要发生在阴膜浓室一侧。

防止措施：1）极限电流法，在极限电流的70－90％下运行；2）倒换电极；3）定期酸洗

五、应用

1）海水或苦咸水（小于10克

/L）淡化；

2）自来水脱盐制取初级纯

水；

3）电渗析与离子交换组合制

取高纯水；

4）废液的处理回收（可以与

电极反应联合进行）

如酸洗废水回收硫酸和

铁，芒硝回收硫酸和碱

第3节扩散渗析

高浓度溶液中的溶质透过隔膜向低浓度溶液中迁移的过程，浓度差为推动力。

采用离子交换膜：阴膜。主要用于回收酸，碱。但不能将它们浓缩。其特点是不消耗能量。

回收硫酸时，只有原废水硫酸浓度大于10％时，才有实用价值。

第4节反渗透

一、渗透压和反渗透原理

渗透压：

当用一张半透膜将纯水和盐水分开，纯水会透过半透膜向盐水扩散，使盐水侧溶液水面升高，直到动态平衡。渗透的推动力就是渗透压，这是正渗透。

任何溶液都存在渗透压π，只是一般没表现出来。

π= i R T C

i：范特霍尔系数

C：溶液的浓度

当在盐水侧施加压力P>π，反渗透。一般压力在几十公斤。

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