电渗析与电除盐ppt课件

1、 第五章第五章 电渗析与电除盐电渗析与电除盐一、一、 离子交换膜离子交换膜1.离子交换膜的分类离子交换膜的分类1按可交换离子性质分类按可交换离子性质分类 与离子交换树脂类似，离子交换膜与离子交换树脂类似，离子交换膜按其可交换离子的性能可分为阳离子交按其可交换离子的性能可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极离子交换膜。换膜、阴离子交换膜和双极离子交换膜。这三种膜的可交换离子分别对应为阳离这三种膜的可交换离子分别对应为阳离子、阴离子和阴阳离子。子、阴离子和阴阳离子。2按膜的构造和功能分类按膜的构造和功能分类 按膜的构造与功能可将离子交换膜分为按膜的构造与功能可将离子交换膜分为普通离子交换膜、双极离

2、子交换膜和镶嵌膜普通离子交换膜、双极离子交换膜和镶嵌膜三种。三种。 普通离子交换膜普通是均相膜，利用其普通离子交换膜普通是均相膜，利用其对一价离子的选择性浸透进展海水浓缩脱盐；对一价离子的选择性浸透进展海水浓缩脱盐；双极离子交换膜由阳离子交换层和阴离子交双极离子交换膜由阳离子交换层和阴离子交换层复合组成，主要用于酸或碱的制备；镶换层复合组成，主要用于酸或碱的制备；镶嵌膜由陈列整齐的阴、阳离子微区组成，主嵌膜由陈列整齐的阴、阳离子微区组成，主要用于高压渗析进展盐的浓缩、有机物质的要用于高压渗析进展盐的浓缩、有机物质的分别等。分别等。2. 离子交换膜的任务原理离子交换膜的任务原理1电渗析电渗析 在

3、盐的水溶液如氯化钠溶液中置入在盐的水溶液如氯化钠溶液中置入阴、阳两个电极，并施加电场，那么溶液中的阴、阳两个电极，并施加电场，那么溶液中的阳离子将移向阴极，阴离子那么移向阳极，这阳离子将移向阴极，阴离子那么移向阳极，这一过程称为电泳。假设在阴、阳两电极之间插一过程称为电泳。假设在阴、阳两电极之间插入一张离子交换膜阳离子交换膜或阴离子交入一张离子交换膜阳离子交换膜或阴离子交换膜，那么阳离子或阴离子会选择性地经过换膜，那么阳离子或阴离子会选择性地经过膜，这一过程就称为电渗析。膜，这一过程就称为电渗析。电渗析的中心是离子交换膜。在直流电场的作电渗析的中心是离子交换膜。在直流电场的作用下，以电位差为推

4、进力，利用离子交换膜的用下，以电位差为推进力，利用离子交换膜的选择透过性，把电解质从溶液中分别出来，实选择透过性，把电解质从溶液中分别出来，实现溶液的淡化、浓缩及钝化；也可经过电渗析现溶液的淡化、浓缩及钝化；也可经过电渗析实现盐的电解，制备氯气和氢氧化钠等。实现盐的电解，制备氯气和氢氧化钠等。 图图45为用于食盐消费的电渗析器的表为用于食盐消费的电渗析器的表示图。示图。Na+ClNa+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+ClClClClClClClClAKKKKKAAAADCDDDDCCC阳极水阴极水咸水Cl2NaOH脱盐水浓缩液 图图45 食盐消费电渗析器表示图食盐消费电渗析器表示图A

5、：阴离子膜，：阴离子膜，K：阳离子膜；：阳离子膜；D：稀室，：稀室，C：浓室：浓室2膜电解膜电解 膜电解的根本原理可以经过膜电解的根本原理可以经过NaCl水溶液水溶液的电解来阐明。在两个电极之间加上一定电的电解来阐明。在两个电极之间加上一定电压，那么阴极生成氯气，阳极生成氢气和氢压，那么阴极生成氯气，阳极生成氢气和氢氧化钠。阳离子交换膜允许氧化钠。阳离子交换膜允许Na+浸透进入阳浸透进入阳极室，同时阻拦了氢氧根离子向阴极的运动，极室，同时阻拦了氢氧根离子向阴极的运动，在阳极室的反响是：在阳极室的反响是：2 Na+ + 2 H2O + 2 e = 2 NaOH + H2 在阴极室的反响为：在阴极

6、室的反响为：2 Cl 2 e = Cl2 用氟代烃单极或双极膜制备的的电渗析器用氟代烃单极或双极膜制备的的电渗析器已成为用于制备氢氧化钠的主要方法，取代了已成为用于制备氢氧化钠的主要方法，取代了其他制备氢氧化钠的方法。其他制备氢氧化钠的方法。 假设在膜的一面涂上一层阴极的催化剂，假设在膜的一面涂上一层阴极的催化剂，在另一面涂一层阳极催化在这两个电极上加上在另一面涂一层阳极催化在这两个电极上加上一定的电压，那么可电解水，在阳极产生氢气，一定的电压，那么可电解水，在阳极产生氢气，而在阴极产生氧气。而在阴极产生氧气。3. 电渗析技术运用领域电渗析技术运用领域 自电渗析技术问世后，其在苦咸水淡化，自电

7、渗析技术问世后，其在苦咸水淡化，饮用水及工业用水制备方面展现了宏大的优势。饮用水及工业用水制备方面展现了宏大的优势。 随着电渗析实际和技术研讨的深化，我随着电渗析实际和技术研讨的深化，我国在电渗析主要安装部件及构造方面都有宏大国在电渗析主要安装部件及构造方面都有宏大的创新，仅离子交换膜产量就占到了世界的的创新，仅离子交换膜产量就占到了世界的1/3。我国的电渗析安装主要由国家海洋局杭。我国的电渗析安装主要由国家海洋局杭州水处置技术开发中心消费，现可提供州水处置技术开发中心消费，现可提供200m3/d规模的海水淡化安装。规模的海水淡化安装。电渗析技术在食品工业、化工及工业废水的电渗析技术在食品工业

8、、化工及工业废水的处置方面也发扬着重要的作用。特别是与反处置方面也发扬着重要的作用。特别是与反浸透、纳滤等精过滤技术的结合，在电子、浸透、纳滤等精过滤技术的结合，在电子、制药等行业的高纯水制备中扮演重要角色。制药等行业的高纯水制备中扮演重要角色。 此外，离子交换膜还大量运用于氯碱工此外，离子交换膜还大量运用于氯碱工业。全氟磺酸膜业。全氟磺酸膜Nafion以化学稳定性著以化学稳定性著称，是目前为止独一能同时耐称，是目前为止独一能同时耐40NaOH和和100温度的离子交换膜，因此被广泛运用作温度的离子交换膜，因此被广泛运用作食盐电解制备氯碱的电解池隔膜。食盐电解制备氯碱的电解池隔膜。 全氟磺酸膜还

9、可用作燃料电池的重要部全氟磺酸膜还可用作燃料电池的重要部件。燃料电池是将化学能转变为电能效率最件。燃料电池是将化学能转变为电能效率最高的能源，能够成为高的能源，能够成为21世纪的主要能源方式世纪的主要能源方式之一。经多年研制，之一。经多年研制，Nafion膜已被证明是氢膜已被证明是氢氧燃料电池的适用性质子交换膜，并已有燃氧燃料电池的适用性质子交换膜，并已有燃料电池样机在运转。但料电池样机在运转。但Nafion膜价钱昂贵膜价钱昂贵700美圆美圆/m2，故近年来正在加速开发磺，故近年来正在加速开发磺化芳杂环高分子膜，用于氢氧燃料电池的研化芳杂环高分子膜，用于氢氧燃料电池的研讨，以期降低燃料电池的本

10、钱。讨，以期降低燃料电池的本钱。一、电渗析electrodialysis)131. 原理和任务过程 用特制的半透膜用特制的半透膜(semi-permeable membrane) 将浓将浓度不同的溶液隔开，溶质即从浓度高的一侧透过膜而度不同的溶液隔开，溶质即从浓度高的一侧透过膜而分散分散(diffusion)到浓度低的一侧，这种景象称为渗析到浓度低的一侧，这种景象称为渗析作用作用(dialysis)，也称分散渗析、浓差渗析。，也称分散渗析、浓差渗析。 电渗析的原理是在直流电场的作用下，依托对水中离电渗析的原理是在直流电场的作用下，依托对水中离子有选择透过性的离子交换膜子有选择透过性的离子交换膜

11、(ion exchange membrane)，使离子从一种溶液透过离子交换膜进入，使离子从一种溶液透过离子交换膜进入另一种溶液，以到达分别、提纯、浓缩、回收的目的。另一种溶液，以到达分别、提纯、浓缩、回收的目的。电渗析过程表示图 浓水浓水 阳膜阳膜,只只允 许 阳允 许 阳离 子 经离 子 经过过 阴膜阴膜,只允许阴离子只允许阴离子经过经过 电极电极淡水淡水 出水时出水时 阳离子阳离子阴离子阴离子进水时进水时 进水进水 浓水室浓水室淡水室淡水室2. 2. 离子交换膜离子交换膜 离子交换膜具有与离子交换树脂一样的组成，离子交换膜具有与离子交换树脂一样的组成，含有活性基团和能使离子透过的细孔。常

12、用的含有活性基团和能使离子透过的细孔。常用的离子交换膜按其选择透过性可分为阳膜、阴膜、离子交换膜按其选择透过性可分为阳膜、阴膜、复合膜等数种。复合膜等数种。 阳膜阳膜(cation exchange membrane)含有阳离子交换基团，含有阳离子交换基团，在水中交换基团发生离解，使膜在水中交换基团发生离解，使膜上带有负电，能排斥水中的阴离上带有负电，能排斥水中的阴离子，吸引水中的阳离子并使其经子，吸引水中的阳离子并使其经过。过。 阴膜阴膜(anion exchange membrane)含有阴离子交换基含有阴离子交换基团，在水中离解出阴离子，使团，在水中离解出阴离子，使膜上带正电，吸引阴离子

13、并使膜上带正电，吸引阴离子并使其经过。其经过。 复合膜复合膜由一面阳膜和一复合膜复合膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄的网布面阴膜其间夹一层极薄的网布做成，具有方向性的电阻。当做成，具有方向性的电阻。当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳极时，正、负离子都不能透阳极时，正、负离子都不能透过膜，显示出很高的电阻。当过膜，显示出很高的电阻。当膜的朝向与上述相反时，膜电膜的朝向与上述相反时，膜电阻降低，膜两侧相应的离子进阻降低，膜两侧相应的离子进入膜中。入膜中。 3. 电渗析器 电渗电渗析器析器的组的组装表装表示图示图根本构造根本构造 电渗析器的级与段电渗析器的级与段 一级一段一

14、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联膜堆称为一段具有同一水流方向的并联膜堆称为一段实践运用的电渗析器实践运用的电渗析器二、电除盐二、电除盐EDI1. 简介简介 EDI概念最早是概念最早是wallers等人于等人于1955年年提出的，提出的，1957年年kallaman等人就恳求了等人就恳求了专利，但由于树脂充填技术的困难，直到专利，但由于树脂充填技术的困难，直到1987年才由年才由Millpore公司推出第一台商业公司推出第一台商业化化EDI，它一出现，就遭到广泛注重，目，它一出现，就遭到广

15、泛注重，目前世界上仅有前世界上仅有4家公司消费家公司消费EDI。 EDI，称为电除盐，称为电除盐Electrodeionization,EDI，或填充床，或填充床电渗析，或延续电除盐电渗析，或延续电除盐Continuous Deionization,CDI。EDI是将离子交换技是将离子交换技术和电渗析技术巧妙结合，并取两者之长术和电渗析技术巧妙结合，并取两者之长弥补对方之短的一种新型纯水处置技术。弥补对方之短的一种新型纯水处置技术。离子交换树脂具有深度脱盐之优点，可以离子交换树脂具有深度脱盐之优点，可以抑制电渗析因极化景象而脱盐不彻底之缺抑制电渗析因极化景象而脱盐不彻底之缺陷；然而电渗析因极化

16、景象发生水解电离陷；然而电渗析因极化景象发生水解电离产生的氢离子产生的氢离子H+和氢氧离子和氢氧离子OH-恰巧可用于离子交换树脂的再生。恰巧可用于离子交换树脂的再生。 EDI任务原理图任务原理图1阴离子可透膜；阴离子可透膜；2阳离子可透膜；阳离子可透膜；3阴离子交换剂；阴离子交换剂；4阳离子交换剂；阳离子交换剂；5浓水室；浓水室；6淡水室淡水室 EDI安装因在其淡水室中填充了离子交换树脂，离安装因在其淡水室中填充了离子交换树脂，离子交换树脂的导电性能比与之相接触水的导电性能要子交换树脂的导电性能比与之相接触水的导电性能要高高2-3个数量级，这样有效的提高了电渗析的极限电流个数量级，这样有效的提

17、高了电渗析的极限电流密度，加快了离子的迁移速，减弱了电渗析的极化景密度，加快了离子的迁移速，减弱了电渗析的极化景象，从而实现了深度除盐的目的。另外，离子交换树象，从而实现了深度除盐的目的。另外，离子交换树脂在淡水室中对水流有扰动作用，能改善水流形状，脂在淡水室中对水流有扰动作用，能改善水流形状，促进离子分散，可提高极限电流密度。同时，离子交促进离子分散，可提高极限电流密度。同时，离子交换树脂对水中离子有较强的捕捉才干，可以将水中离换树脂对水中离子有较强的捕捉才干，可以将水中离子吸附在树脂颗粒上，被吸附的离子在电场作用下，子吸附在树脂颗粒上，被吸附的离子在电场作用下，经过树脂颗粒搭建的离子传输通

18、道迁移到膜外表经过树脂颗粒搭建的离子传输通道迁移到膜外表EDI安装中离子的迁移发生在树脂颗粒相、溶液相安装中离子的迁移发生在树脂颗粒相、溶液相或二者的混合相中，透过离子选择性膜进人浓水室，或二者的混合相中，透过离子选择性膜进人浓水室，提高了电渗析对离子的去除效果。提高了电渗析对离子的去除效果。 膜法膜法EDI水处置系统图水处置系统图大型大型EDI安装安装EDI作原理作原理Product WaterH2O(7)WasteStream(NaCl)conc(6)(5)(4)(2)(3)(3)Feed WaterNaCl(1)ClNaHOHNaCl(+)(-)1.进水进入树脂和膜的间隔2. 树脂捕获水

19、中离子3. 电场使离子向电极挪动4. 阳膜只允许阳离子经过5. 阴膜只允许阴离子经过6.水被分解，再生离子交换树脂7. 浓缩的离子进入到废水中8. 淡水室产出纯水 EDI膜堆主要由两个电性相反的电极和多个模块单元对组成，膜堆主要由两个电性相反的电极和多个模块单元对组成，一个膜单元对由一个填满阳离子和阴离子交换树脂的淡水室一个膜单元对由一个填满阳离子和阴离子交换树脂的淡水室D-室、一个阳膜、一个阴膜、一个浓水室室、一个阳膜、一个阴膜、一个浓水室C-室组成。室组成。EDI膜堆包含多个膜单元对。在每个膜堆的内部有两个带有膜堆包含多个膜单元对。在每个膜堆的内部有两个带有600V电压的电极，是每个膜堆必

20、需的电压。正极带正电压，负电压的电极，是每个膜堆必需的电压。正极带正电压，负极带负电压，电流在正极和负极之间经过极带负电压，电流在正极和负极之间经过30个膜单元。任一个个膜单元。任一个淡水室都包含着阳树脂和阴树脂，它相当于一个淡水室都包含着阳树脂和阴树脂，它相当于一个8千米厚的混床。千米厚的混床。一个阳膜朝着阴极的方向把淡水室和浓水室分开，在另外一边，一个阳膜朝着阴极的方向把淡水室和浓水室分开，在另外一边，阴膜也把淡水市和浓水室分开。阴膜也把淡水市和浓水室分开。EDI膜是离子交换树脂膜，只膜是离子交换树脂膜，只允许带适当电荷的离子经过，水根本上不能经过。树脂经过水允许带适当电荷的离子经过，水根

21、本上不能经过。树脂经过水的分别继续的再生。在电场中，水分子被分别成的分别继续的再生。在电场中，水分子被分别成H+和和OH- ，被，被异性电荷相吸，异性电荷相吸，H+经过阳阳树脂移向阴极的方向，经过阳阳树脂移向阴极的方向，OH-经过阴经过阴树脂移向阳极的方向。这种树脂移向阳极的方向。这种H+和和OH-的迁移再生了树脂，阳膜的迁移再生了树脂，阳膜允许允许H+经过进入浓水室，阴膜允许经过进入浓水室，阴膜允许 OH-经过也进入浓水室，经过也进入浓水室，H+和和OH-结合生成消费的水。浓水室中本人水的流动将带走水结合生成消费的水。浓水室中本人水的流动将带走水中的阴阳离子。膜阻止带相反电荷的离子的进入淡水

22、室在水流中的阴阳离子。膜阻止带相反电荷的离子的进入淡水室在水流经过淡水室的过程中，离子被树脂去除，所以膜的有效侧淡经过淡水室的过程中，离子被树脂去除，所以膜的有效侧淡水室就会产生纯水。水室就会产生纯水。 2. EDI制水特点制水特点 在在EDI中，中，90%到到95%的水流过淡水室，水的水流过淡水室，水流并行的经过多个膜堆，每个膜堆都并联很多流并行的经过多个膜堆，每个膜堆都并联很多个淡水室，水流一次性的经过淡水室，流出来个淡水室，水流一次性的经过淡水室，流出来的就是高纯水。另外的的就是高纯水。另外的5%-10%被送到浓水室，被送到浓水室，其中其中3%-8%流出流出EDI后作为补充水，后作为补充

23、水，2%用来冲用来冲洗电极。浓水的再循环添加了水的电导率而要洗电极。浓水的再循环添加了水的电导率而要添加添加EDI系统经过的电流。系统经过的电流。EDI废水的废水的pH主要由主要由给水的质量决议。通常都是质量很好的水，给水的质量决议。通常都是质量很好的水，pH接近中性。排放的浓水可以经过前往到进水口接近中性。排放的浓水可以经过前往到进水口进展回收，极水包含低浓度的氢气、氧气和氯进展回收，极水包含低浓度的氢气、氧气和氯气要送到一个通风的地方进展排放。气要送到一个通风的地方进展排放。 4. EDI的布置特点的布置特点 EDI最适宜于运用在经最适宜于运用在经RO脱盐后的水质精脱盐后的水质精处置阶段。

24、处置阶段。EDI设备无需化学药剂的再生，可设备无需化学药剂的再生，可以延续运转。在详细的运用中，仅调理以延续运转。在详细的运用中，仅调理EDI的的运转电流就可以改动其出水水质。在进水电导运转电流就可以改动其出水水质。在进水电导率为率为60ms/cm或更低的条件下，或更低的条件下，EDI可制出可制出0.05551.0s/cm118M的产品水。的产品水。5. EDI运转中浓水中参与运转中浓水中参与NaCl 浓水中参与浓水中参与NaCl的主要作用是维持浓水的主要作用是维持浓水运转电导在运转电导在150-500S/cm之间，以维持之间，以维持EDI系系统的电流，确保统的电流，确保EDI系统有效的运转。

25、系统有效的运转。 6. EDI的优点的优点a、不需求酸碱再生。、不需求酸碱再生。b、可延续消费。电除盐的消费是延续的，没、可延续消费。电除盐的消费是延续的，没有混床复杂的再生操作。有混床复杂的再生操作。c、不需求处置废酸碱。电除盐的浓水可以直、不需求处置废酸碱。电除盐的浓水可以直接排放或前往到接排放或前往到RO的进口的进口EDI中浓水量比纯中浓水量比纯水少得多。水少得多。d、安装条件简单，占地面积小，大部分规范、安装条件简单，占地面积小，大部分规范厂房都能满足。厂房都能满足。e、系统设计简单。电除盐的模块设计很容易、系统设计简单。电除盐的模块设计很容易把它的流量做到把它的流量做到450吨吨/小

26、时甚至更高。小时甚至更高。f、运转本钱低。与各种混床相比，在价钱上、运转本钱低。与各种混床相比，在价钱上有竞争性。有竞争性。g、维修或增减设备的容量都很容易。、维修或增减设备的容量都很容易。h水质稳定。不会有普通混床那样的水量变水质稳定。不会有普通混床那样的水量变化。化。i规范设计。利用规范单元，好像搭积木般规范设计。利用规范单元，好像搭积木般的组合，可以满足用户不同产水量的需求。的组合，可以满足用户不同产水量的需求。 E-CELL公司公司EDI进水目的进水目的序号序号项目项目单位单位指标指标1TEA（总阴离子含量）（总阴离子含量）ppm252电导率电导率Us/cm653PH值值5-94总硬度

27、总硬度ppm(以CaCO3计)1.05SiO2ppm0.56TOCppm0.57余氯余氯ppm0.058Fe，Mn，H2Sppm0.019SDI（15min）1.010油和脂类油和脂类无11浊度浊度NTU1.012氧化剂氧化剂无13色度色度APHA5某某EDI出水水质出水水质7. EDI工艺设计及运转中应留意的问题工艺设计及运转中应留意的问题a、EDI对进水水质有较严厉的要求对进水水质有较严厉的要求 EDI对进水水质要求进水为反浸显显露对进水水质要求进水为反浸显显露水。水。b、对硅的去除才干是评价、对硅的去除才干是评价EDI设备的一个重设备的一个重要目的要目的 c、水中、水中CO2对对EDI产

28、水质量影响较大产水质量影响较大d、运转中电极反响产生的气体需及时排出、运转中电极反响产生的气体需及时排出e、EDI对进水温度有一定的要求对进水温度有一定的要求 EDI要求进水温度在要求进水温度在15-35。f、水流速度对、水流速度对EDI产水质量有一定影响产水质量有一定影响 水流速普通要求控制在水流速普通要求控制在0.5-1.0cm/s。 8. EDI的缺陷的缺陷 a.对细菌的抗污染才干较低，当有细菌在其对细菌的抗污染才干较低，当有细菌在其内部繁衍时，将会大幅度降低膜堆的性能，所内部繁衍时，将会大幅度降低膜堆的性能，所以普通要求停机超越以普通要求停机超越3天，就必需注入天，就必需注入5的的NaCI溶液进展维护，或者是不延续运转，防止溶液进展维护，或者是不延续运转，防止细菌生长。细菌生长。 c. 对于电子级高纯水，还需求衔接不再生混对于电子级高纯水，还需求衔接不再生混床进一步提高或保证产品水电导率。床进一步提高或保证产品水电导率。 d. EDI的系统性或者其寿命还不是很高的系统性或者其寿命还不是很高 。五、全膜处置运用事例五、全膜处置运用事例1、前湾燃机电厂膜法除盐水处置系统、前湾燃机电厂膜法除