第七章 离子交换膜

1、第七章离子交换换膜与电与电渗析 电渗析的发展概述电渗析的发展概述 电渗析基本原理电渗析基本原理 离子交换膜的组成及分类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制备 离子交换膜的主要性能离子交换膜的主要性能 电渗析器电渗析器 电渗析的脱盐过程电渗析的脱盐过程 新型的电渗析过程新型的电渗析过程 电渗析在废水处理中的应用电渗析在废水处理中的应用 主要内容主要内容 3. 3. 山东东岳集团上周传出喜人消息：山东东岳集团上周传出喜人消息：“十一五十一五” 国家科技支撑计划国家科技支撑计划“全氟离子交换膜工程技术研全氟离子交换膜工程技术研 究究”项目的项目的4 4个课题全部通过了山东省科技厅组

2、个课题全部通过了山东省科技厅组 织的专家审核验收。织的专家审核验收。国产全氟离子膜国产全氟离子膜关键技术、关键技术、 工程放大及装备技术开发项目的完成，以及在万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。长期受制于人的历史。 我国我国20102010年度膜产业十大新闻年度膜产业十大新闻 电电渗析的发发展概概述 电渗析研究源于德国，与电渗析研究源于德国，与19521952年美国年美国IonicsIonics公司制备公司制备 世界第一台电渗析装置，用于苦咸水淡化；世界第一台电渗析装置，用于苦咸

3、水淡化； 2020世纪世纪5050年代末，日本开发海水浓缩制食盐；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我国电渗析技术研究始于19581958年，目前在电渗析主要年，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产量就占到了世界的1/31/3； 19811981年，我国由国家海洋局杭州水处理技术开发中心年，我国由国家海洋局杭州水处理技术开发中心 研发出研发出200m200m3 3/d/d规模的海水淡化电渗析装置。规模的海水淡化电渗析装置。 第一节节电电渗析基本原理 一、电电渗析的工作原理 电电

4、渗析（electrodialysis，简称简称ED）是指在直流电场电场 的作用下，溶液中的带电带电离子选择选择性定向迁迁移，透过过 离子交换换膜并并得以去除的一种种膜分离技术术。 电电位差为为推动动力，利用阴阴、阳阳离子交换换膜对对溶液中阴阴、 阳阳离子的选择选择透过过性(即阳阳膜只允许阳许阳离子通过过，阴阴 膜只允许阴许阴离子通过过），而使溶液中的溶质与质与水分离 的一种种物理化学过学过程。从从而实现实现溶液的浓缩浓缩、淡化、 精制和提纯纯的一种种膜过过程。 工作原理示意图图 阳阳模带负电带负电荷，阴阴膜带带正电电 荷 与与膜所带电带电荷相反的离子透 过过膜的现现象称为称为反离子迁迁 移 高

5、选择选择性渗透率、低电电阻力、 优优良的化学学和热稳热稳定性以 及一定的机械强度 234 阳阳膜组组成的电电渗析器 阴阴膜组组成的电电渗析器 二、电电渗析过过程中的传递现传递现象 1）主要过过程： 反离子迁迁移 2）次要过过程： 同名离子迁迁移（阳阳模-阴阴离子）、电电解质质渗析 （浓浓差扩扩散）、水渗透（渗透压压）、水的电电渗 透（离子水合） 3）非正常过过程： 压压差渗漏（溶液）、水的解离（极极化） 三、电电渗析过过程的两个两个基本条条件 直流电场电场的作用 使溶液中正、负负离子分别别向阴极阴极和阳极阳极作定向迁迁移 离子交换换膜的选择选择透过过性 使溶液中的带电带电离子在膜上实现实现反离

6、子迁迁移 四、离子交换换膜的选择选择透过过性 膜的静电静电作用、孔隙作用和扩扩散作用 带带大量电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，选择选择性越好 水合离子半径径小于孔隙大小才能通过过 膜对对溶解离子所具有的传递迁传递迁移能力，吸附-解吸-迁迁移 注意！注意！离子交换膜的作离子交换膜的作 用并不是起离子交换的用并不是起离子交换的 作用，而是起作用，而是起离子选择离子选择 性透过作用性透过作用！ 静电作用、孔隙作用和扩散作用静电作用、孔隙作用和扩散作用 第二节节离子交换换膜的组组成及分类类 一、离子交换换膜的组组成 树树脂、胶胶黏剂剂、增塑剂剂、着色剂剂、抗氧氧化剂

7、剂、脱脱模剂剂等 二、离子交换换膜的分类类 离子交换换膜是膜状状的离子交换树换树脂，含有活性基团团和 能使离子透过过的细细孔 常用的离子交换换膜按其选择选择透过过性可分为为阳离子交换阳离子交换 膜膜、阴离子交换膜阴离子交换膜、特殊离子交换膜特殊离子交换膜三大类类 阳阳膜含有酸性活性基团团，解离出阳阳离子，使膜呈负电负电 性，选择选择性透过阳过阳离子 阴阴膜含有碱碱性活性基团团，与阳与阳模相反 选择性透过选择性透过 特殊离子交换换膜 双极双极膜由一面阳阳膜和一面阴阴膜其间夹间夹一层极层极薄的网网布做 成，具有方向性的电电阻。当阳当阳膜面朝向阴极阴极，阴阴膜面 朝向阳极时阳极时，正、负负离子都不能

8、透过过膜，显显示出很高 的电电阻。当当膜的朝向与与上述相反时时，膜电电阻降低，膜 两侧两侧相应应的离子进进入膜中。 直流电场下，双极性膜直流电场下，双极性膜 可将水离解，能够将水可将水离解，能够将水 分离成分离成H+与与OH- 两种离两种离 子，可作为子，可作为H+与与OH-的的 供应源。供应源。 第三节节 离子交换换膜的制备备 按照离子交换换膜的主体组组分可分为为均相膜和异异相膜 均相膜中各成分以分子状态状态均匀匀分布，不存在相界面 异异相膜是通过胶过胶黏剂剂把粉状树状树脂制成片状状膜，存在相界面 1.异异相膜（压压延和模压压，溶液型胶胶黏剂剂，离子型交换树换树脂） 2.半均相膜（胶胶黏剂剂

9、吸浸单单体后聚合制备树备树脂，均匀匀分散） 3.均相膜（直接薄膜化，制备备基膜后引入离子交换换基团团或者 先引入离子交换换基团团后再成膜） 4.新型离子交换换膜（双极双极膜和螯螯合膜） 第四节节离子交换换膜的主要性能 1. 交换换容量（IEC）：每克干膜所含活性基团团的毫克当当量数数， 单单位为为meq/g 交换换容量高，选择选择透过过性好，导电导电能力强，但溶胀胀度大，影 响响机械强度 一般约为约为23meq/g 2. 含水量：膜内与内与活性基团结团结合的内内在水，以每克干膜含水 质质量表示，一般含水量为为20-40% 3. 膜电电阻：关关系工作所需电压电压和电电能消耗，通常越小越好 4.

10、选择选择透过过度：常用反离子迁迁移数数和膜的透过过度来来表示 一般要求大于85%，反离子迁迁移数数大于0.9，并并希望在高浓浓 度电电解质质中仍有良好的选择选择透过过性 离子交换换膜的性能要求 选择选择透过过性高，要求在95%以上； 导电导电性好，要求其导电导电能力应应大于溶液的导电导电能力； 交换换容量大； 溶胀胀率和含水率适量； 化学稳学稳定性强； 机械强度大。 第五节节电电渗析器 一、电电渗析器的主要结构结构 电电渗析器由膜堆、极区极区和压紧压紧装置三部分组组成 常用基本术语术语包括膜对对、级级、段等 膜对对：由阳阳膜、浓浓（或淡）水室隔板、阴阴膜、淡（浓浓） 水室隔板交替排列成浓浓水室

11、和淡水室，最小电电渗析工 作单单元 膜堆由一系列膜对组对组成，位于电电渗析器的中部。 极区极区由托板、电极电极、极极框和弹弹性垫垫板组组成 压紧压紧装置由盖板和螺杆组组成，其作用是将极区将极区和膜堆组组 成不漏水的电电渗析器整体 电渗析装置 v 膜堆膜堆 二、电电渗析器的组组装 电渗析器的组装依其应电渗析器的组装依其应 用不同而有所不同。其用不同而有所不同。其 组装的情况是用级和段组装的情况是用级和段 来表示的。来表示的。 级：级：一对一对正、负正、负电极电极之之 间的膜堆称为一级；间的膜堆称为一级； 段：段：具有具有同一水流方向同一水流方向 的并的并联膜堆称为一段联膜堆称为一段。 电渗析器的

12、组装示意图电渗析器的组装示意图 三、电电渗析器的级与级与段 一级一段一级一段一级两段一级两段两级一段两级一段两级两段两级两段 一对正、负电极之间的膜堆称为一级一对正、负电极之间的膜堆称为一级 具有同一水流方向的并具有同一水流方向的并联膜堆称为一段联膜堆称为一段 并并 联联 串串 联联 一级级一段特点是产产水量与与膜对数对数成正比，脱盐脱盐率 取决决于一块块隔板的流程长长度，常用于大、中制水 厂厂，可含200360个个膜对对； 二级级一段（多级级一段）使操作电压电压降低，便于低 操作电压电压下获获得高产产水量； 一级两级两段可增加脱盐脱盐流程长长度，提高脱盐脱盐率，适 用于单单台电电渗析器一次脱

13、盐脱盐，中、小型制水厂厂； 多级级多段发挥两发挥两者优优点，同时满时满足对产对产量和质质量 的要求。 四、实际应实际应用的电电渗析器 五、电电渗析仪仪的性能指标标 淡水产产量 脱盐脱盐率 电电能消耗 电电流效率 第六节节电电渗析的脱盐过脱盐过程 1.连续连续式脱盐脱盐 2.循环环式脱盐脱盐 第七节节 新型的电电渗析过过程 填填充混合离子交换树换树脂电电渗析过过程 含离子交换换膜的Donnan渗析 双极膜水解离电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

14、合使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。从氨基酸盐制备氨基酸。 酸性气气体的清清除与与回收 第八节节电电渗析在废废水处处理中的应应用 水的纯纯化 海水、苦咸水、自来来水制备备初级级和高级纯级纯水的重要方法， 一般采用与与离子交换树换树脂组组合工艺艺，但注意电电渗析不能 出去非电电解质杂质质杂质 海水、盐盐泉卤卤水制盐盐 电电渗析浓缩浓缩海水蒸发结发结晶制备备食盐盐，不受地理气气候限制， 易于自动动化和工业业化 废废水处处理 脱脱除有机物中的盐盐分 目前，电

15、电渗析在废废水处处理实践实践中应应用最普遍的有： 造纸纸工业废业废水处处理，利用电电渗析法处处理造纸纸工业业的亚亚硫酸纸纸 浆废浆废液和洗浆废浆废水及碱碱法造纸纸黑液，从从中回收化学药学药品，已 得到工业应业应用。 从从芒硝废废液中制取硫酸和氢氧氢氧化钠钠。 从从酸洗废废液中制取硫酸和沉淀重金属属离子。 电镀废电镀废水和废废液处处理，含CdCd2+ 2+、Cu Cu2+ 2+、Ni Ni2+ 2+、Zn Zn2+ 2+、Cr Cr6+ 6+等重金 属属离子和氰氰化物的电镀废电镀废水都适宜用电电渗析法处处理，其中应应 用最成熟的是含镍废镍废水处处理。 从从放射性废废水中分离放射性元素，然后将将其

16、浓缩浓缩液掩埋。 脱除有机物中的盐分脱除有机物中的盐分 医药：葡萄糖、甘露醛、氨基酸、维生素医药：葡萄糖、甘露醛、氨基酸、维生素C，中草药等，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机酸、中性化合物和高分子化合物三部分 食品：牛乳、乳清等食品：牛乳、乳清等 超滤、反渗透、电渗析超滤、反渗透、电渗析 组合工艺提取甘露醇组合工艺提取甘露醇 本章习题习题 掌握电渗析的工作原理及其组成示意图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？的，哪些是非正常的？ 电渗析过程中离子交换膜起什么