第四讲 电渗析法淡化与除盐

1、 电电 厂厂 化化 学学 电渗析、反渗透、超滤以及渗析统称为膜分离法。所谓膜电渗析、反渗透、超滤以及渗析统称为膜分离法。所谓膜 分离系指在某种推动力作用下，利用特定膜的透过性能，达到分离系指在某种推动力作用下，利用特定膜的透过性能，达到 分离水中离子或分子以及某些微粒的目的分离水中离子或分子以及某些微粒的目的。 膜分离的推动力可以是膜两侧的压力差、电位差或浓度差膜分离的推动力可以是膜两侧的压力差、电位差或浓度差 。这种分离方法可在室温、无相变条件下进行，具有广泛的适。这种分离方法可在室温、无相变条件下进行，具有广泛的适 用性。各种膜分离法的推动力与分离对象如下表所示。用性。各种膜分离法的推动力

2、与分离对象如下表所示。 膜能使溶剂膜能使溶剂(水水)透过的现象称为渗透，膜能使溶质透过透过的现象称为渗透，膜能使溶质透过 的现象为渗析。的现象为渗析。 离子交换膜是电渗析器的重要组成部分，按其选择透过性离子交换膜是电渗析器的重要组成部分，按其选择透过性 能，主要分为阳膜与阴膜、按其膜体结构，可区分为异相膜、能，主要分为阳膜与阴膜、按其膜体结构，可区分为异相膜、 均相膜、半均相膜均相膜、半均相膜3种。异相膜的优点是机械强度好、价格低，种。异相膜的优点是机械强度好、价格低， 缺点是膜电阻大、耐热差、透水性大。均相膜则相反。缺点是膜电阻大、耐热差、透水性大。均相膜则相反。 异相模通常是具有交换基团的

3、聚合电异相模通常是具有交换基团的聚合电 解质解质(树脂树脂)与成膜材料与成膜材料(粘合剂粘合剂)粘合生成薄粘合生成薄 膜，井加入衬网而制成膜，井加入衬网而制成。 这种膜中的聚合电解质并不是连续的这种膜中的聚合电解质并不是连续的 ，它的化学性能不均匀，如下图所示，在，它的化学性能不均匀，如下图所示，在 没合电解质之间为成膜材料所充满，故叫没合电解质之间为成膜材料所充满，故叫 异相膜，异相膜， 膜中离子的迁移或靠聚合电解膜中离子的迁移或靠聚合电解 质颗粒之间的接触，或借颗粒之间存在的质颗粒之间的接触，或借颗粒之间存在的 溶液，成当两者同时存在时发生。溶液，成当两者同时存在时发生。 均相膜指整张膜完

4、全是按离子交换树脂的制造工艺制成的，均相膜指整张膜完全是按离子交换树脂的制造工艺制成的， 是将树脂的母体连接起来，成为连续的膜状物，在这种膜中聚合是将树脂的母体连接起来，成为连续的膜状物，在这种膜中聚合 电解质和成膜材料之间发生了化学结合电解质和成膜材料之间发生了化学结合而成为共聚体。而成为共聚体。 如下图所示。由于这种膜的化学性能是均匀的，膜的各部分如下图所示。由于这种膜的化学性能是均匀的，膜的各部分 具有相同特性，是单相的，故叫均相膜。具有相同特性，是单相的，故叫均相膜。 半均相膜的聚合电解质与成膜材料混合得十分均匀，它的半均相膜的聚合电解质与成膜材料混合得十分均匀，它的 化学性能的均匀性

5、可以大为提高，但两者之间没有化学结合。化学性能的均匀性可以大为提高，但两者之间没有化学结合。 (2)膜电阻：膜电阻与电渗析所需要的电压有密切的关系。电阻膜电阻：膜电阻与电渗析所需要的电压有密切的关系。电阻 越小，所需电压越低。膜电阻一般用膜的电阻率乘以膜的厚度越小，所需电压越低。膜电阻一般用膜的电阻率乘以膜的厚度 表示，单位为表示，单位为cm 2。 )( 21 )( 2 1 2 212 1 2 CC C C C CC x xC Cl Cl 即，当膜一侧NaZ浓度非常大时，X趋近 于0，此时膜另一侧的Cl-几乎不能透过膜来。 为降低电极反应在总能量消耗中所占的比例，工业生产为降低电极反应在总能量

6、消耗中所占的比例，工业生产 中组成多膜电渗析槽，称为电渗析器。中组成多膜电渗析槽，称为电渗析器。 在电渗析过程中，电能的消耗主要用来克服电流通过溶液、在电渗析过程中，电能的消耗主要用来克服电流通过溶液、 膜时所受到的阻力以及进行电极反应。运行时，进水分别地不断膜时所受到的阻力以及进行电极反应。运行时，进水分别地不断 流经浓室、淡室以及极室。流经浓室、淡室以及极室。 淡室出水即为淡化水，浓室出水即为浓盐水，被室出水不断淡室出水即为淡化水，浓室出水即为浓盐水，被室出水不断 排除电极过程的反应物质，以保证电渗析的正常进行。排除电极过程的反应物质，以保证电渗析的正常进行。 极化是电渗析器运行中常见问题

7、，其危害如下。极化是电渗析器运行中常见问题，其危害如下。 (1)降低电流放率降低电流放率 由于极化时、导致水分子大量解离，在电由于极化时、导致水分子大量解离，在电 场作用下，水的解离造成场作用下，水的解离造成H 和 和OH离子的迁移，可见其部分离子的迁移，可见其部分 电能消耗在水的解离和与脱盐无关的电能消耗在水的解离和与脱盐无关的H 和 和OH离子迁移上，离子迁移上， 使电流放率下降。使电流放率下降。 (2)降低除盐率和产率降低除盐率和产率 极化会在浓水室阴膜表面上产生沉淀，极化会在浓水室阴膜表面上产生沉淀， 形成水垢，对运行带来不良的影响形成水垢，对运行带来不良的影响。 (3)淡水淡水pH值

8、下降。值下降。 电渗析法水处理除盐工艺系统可以分两种：一种是电渗析器本体的工艺电渗析法水处理除盐工艺系统可以分两种：一种是电渗析器本体的工艺 系统；另一种是电渗折器和其他水处理设备的组合系统。系统；另一种是电渗折器和其他水处理设备的组合系统。 (一一)电渗析器木体的工艺系统电渗析器木体的工艺系统 选则经济合理的电渗析工艺系统选则经济合理的电渗析工艺系统(即除盐方式即除盐方式)，是设计电渗析除盐水处理，是设计电渗析除盐水处理 工艺的一个重要部分。一般应根据原水水质、用水水量、用水水质要求等，工艺的一个重要部分。一般应根据原水水质、用水水量、用水水质要求等， 通过技术经济比较后确定。常用的除盐方式

9、有直流式、循环式和部分循环式通过技术经济比较后确定。常用的除盐方式有直流式、循环式和部分循环式 三种，如下图所示。三种，如下图所示。 (1)频繁倒极电渗析工艺：配有自动化控制，每小时倒换电极频繁倒极电渗析工艺：配有自动化控制，每小时倒换电极2-3次，对于次，对于 消除和防止结垢有良好效果。消除和防止结垢有良好效果。 (2)提高电渗析器的水利用率：采用浓水循环并加入少量盐酸的方法，使提高电渗析器的水利用率：采用浓水循环并加入少量盐酸的方法，使 水利用率提高到水利用率提高到7090。 (3)高温电渗析：将进水加热到高温电渗析：将进水加热到7075，电渗析工效大为提高，电耗显，电渗析工效大为提高，电

10、耗显 著下降，但要求膜能耐高温、耐化学侵蚀、强度好。著下降，但要求膜能耐高温、耐化学侵蚀、强度好。 (4)不解体清洗的电渗析：研制出有效的化学清洗液，用以清除膜面附着不解体清洗的电渗析：研制出有效的化学清洗液，用以清除膜面附着 物物(软垢软垢)，可使装置在，可使装置在23年内不必拆开清洗。年内不必拆开清洗。 (5)鼓泡式电渗析：借助于放入气泡的搅动作用来提高传质效果，并能清鼓泡式电渗析：借助于放入气泡的搅动作用来提高传质效果，并能清 除膜面污染，该装置不设置隔网，预处理亦可简化，由于借空气的提升力，除膜面污染，该装置不设置隔网，预处理亦可简化，由于借空气的提升力， 即可注入水，给水泵亦可省去。

11、即可注入水，给水泵亦可省去。 (6)与其它脱盐技术相组合的除盐工艺研究：如与离子交换联合组成适应与其它脱盐技术相组合的除盐工艺研究：如与离子交换联合组成适应 范围更广的电渗析离子交换除盐系统。范围更广的电渗析离子交换除盐系统。 用只能让水分子透过，而不允许溶质透过的半透膜将纯水用只能让水分子透过，而不允许溶质透过的半透膜将纯水 与咸水分开，则水分子将从纯水一侧通过膜向咸水一侧透过。与咸水分开，则水分子将从纯水一侧通过膜向咸水一侧透过。 结果使咸水一侧的液面上升，直至到达某一高度，此即所谓渗结果使咸水一侧的液面上升，直至到达某一高度，此即所谓渗 透过程，如右图所示。透过程，如右图所示。 反渗透膜

12、是一种只允许水通过而不允许溶质透过的半透膜。反渗透膜是一种只允许水通过而不允许溶质透过的半透膜。 用于水的淡化除盐的膜按物理形态可分为：对称膜、不对称膜和用于水的淡化除盐的膜按物理形态可分为：对称膜、不对称膜和 复合膜。对称膜又称均质模；复合膜通常是用两种不同的膜材料，复合膜。对称膜又称均质模；复合膜通常是用两种不同的膜材料， 分别制成表面活性层和多孔支撑层；不对称膜指膜的断面为不对分别制成表面活性层和多孔支撑层；不对称膜指膜的断面为不对 称结构，主要有醋酸纤维素膜和芳香族聚酰胺膜两大类。称结构，主要有醋酸纤维素膜和芳香族聚酰胺膜两大类。 醋酸纤维素膜醋酸纤维素膜(CA膜膜)的断面可分成表皮层

13、、过渡层和支撑层的断面可分成表皮层、过渡层和支撑层 三部分。表皮层结构致密，孔径三部分。表皮层结构致密，孔径0.8lnm，厚约厚约0.25um，起脱盐起脱盐 的关键作用。表皮层下面为孔径约的关键作用。表皮层下面为孔径约20nm的过渡层，其下为结构疏的过渡层，其下为结构疏 松、孔径为松、孔径为100400nm的多孔支撑层，膜总厚度约的多孔支撑层，膜总厚度约100um，含水含水 量占量占60左右。左右。 选择性吸着毛细管流机理是以吉布斯吸附式为依据，认选择性吸着毛细管流机理是以吉布斯吸附式为依据，认 为膜表面由于亲水性原因，能选择吸附水分子而排斥盐分，因为膜表面由于亲水性原因，能选择吸附水分子而排

14、斥盐分，因 面在固液界面上形成厚度为两个水分子面在固液界面上形成厚度为两个水分子(1nm)的纯水层。在的纯水层。在 施加压力作用下，纯水层中的水分于便不断通过毛细管流过反施加压力作用下，纯水层中的水分于便不断通过毛细管流过反 渗透膜渗透膜(见上图见上图)。膜表皮层具有大小不同的极细孔隙，当其中。膜表皮层具有大小不同的极细孔隙，当其中 的孔隙为纯水层厚度的一倍的孔隙为纯水层厚度的一倍(2nm)时，称为膜的临界孔径，可时，称为膜的临界孔径，可 达到理想的脱盐效果。达到理想的脱盐效果。 当孔隙大于临界孔径，透水性增大，但盐分容易从孔隙中当孔隙大于临界孔径，透水性增大，但盐分容易从孔隙中 透过，导致脱

15、盐率下降。反之若孔隙小于临界孔径，脱盐率透过，导致脱盐率下降。反之若孔隙小于临界孔径，脱盐率 增大，而透水性则下降。增大，而透水性则下降。 4，反渗透淡化装置、工艺流程与布置系统：，反渗透淡化装置、工艺流程与布置系统： 装置：装置： 卷式、中空纤维式膜组件卷式、中空纤维式膜组件(元件元件)由于膜的充填密度大、单位由于膜的充填密度大、单位 体积膜组件的处理量大，常用于大水量的脱盐处理；而对含悬体积膜组件的处理量大，常用于大水量的脱盐处理；而对含悬 浮物、粘度较高的溶液，则主要采用管式及板式膜组件。浮物、粘度较高的溶液，则主要采用管式及板式膜组件。 目前反渗透装置有板框式、管式、卷式和中空纤维式目

16、前反渗透装置有板框式、管式、卷式和中空纤维式4种类型。种类型。 工业上应用最多的是卷式和中空纤维式膜组件，它占据了绝大工业上应用最多的是卷式和中空纤维式膜组件，它占据了绝大 多数天然水的脱盐和海水淡化市场。其中卷式膜组件是在天然水多数天然水的脱盐和海水淡化市场。其中卷式膜组件是在天然水 脱盐中使用最广泛的反渗透组件。脱盐中使用最广泛的反渗透组件。 卷式装置如右图所示，把导流卷式装置如右图所示，把导流 隔网、膜和多孔支撑材料依次迭隔网、膜和多孔支撑材料依次迭 合，用粘合剂沿三边把两层膜粘合，用粘合剂沿三边把两层膜粘 结密封，另一开放边与中间淡水结密封，另一开放边与中间淡水 集水管联接，再卷绕一起

17、。集水管联接，再卷绕一起。 含盐水由一端流入导流隔网，含盐水由一端流入导流隔网， 从另一端流出，透过膜的淡化水从另一端流出，透过膜的淡化水 沿多孔支撑材料流动，由中间集沿多孔支撑材料流动，由中间集 水管引出。水管引出。 中空纤维式装置是把一束外径中空纤维式装置是把一束外径50100 m、壁厚壁厚12 25mm的中空纤维弯成的中空纤维弯成U形，装于耐压管内，纤维开口端固定在形，装于耐压管内，纤维开口端固定在 环氧树脂管板中，并露出管板。透过纤维管壁的淡化水沿空心环氧树脂管板中，并露出管板。透过纤维管壁的淡化水沿空心 通道从开口端引出。该装置特点是，膜的装填密度最大而且不通道从开口端引出。该装置特

18、点是，膜的装填密度最大而且不 需外加支撑材料。需外加支撑材料。 反渗透法工艺流程由预处理、膜分离以及后处理反渗透法工艺流程由预处理、膜分离以及后处理3 部分组成。部分组成。 预处理要求进水水质达到规定指标，并且应加酸预处理要求进水水质达到规定指标，并且应加酸 调节进水调节进水pH值到值到5.56.2，以防止某些溶解固体沉积，以防止某些溶解固体沉积 膜面而影响产水量。膜面而影响产水量。 根据生产用水的使用要求，后处理方法有根据生产用水的使用要求，后处理方法有pH调整、调整、 杀菌、终端混床、微孔过滤或超滤等工序。杀菌、终端混床、微孔过滤或超滤等工序。 越滤分离的特性有：越滤分离的特性有： (1)分离过程不发生相变化、耗能量少；分离过程不发生相变化、耗能量少； (2)分离过程可以在常温下进行，适合一些热敏性物质如果汁、分离过程可以在常温下进行，适合一些热敏性物质如果汁、 生物制剂及某些药品等的浓缩或者提纯；生物制剂及某些药品等的浓缩或者提纯； (3)分离过程仅以低比压泵提供的压力作为推动力。设备及工分离过程仅以低比压泵