电渗析与电除盐

关于电渗析与电除盐第1页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五一、离子交换膜1.离子交换膜的分类（1）按可交换离子性质分类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子、阴离子和阴阳离子。第2页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五（2）按膜的结构和功能分类按膜的结构与功能可将离子交换膜分为普通离子交换膜、双极离子交换膜和镶嵌膜三种。普通离子交换膜一般是均相膜，利用其对一价离子的选择性渗透进行海水浓缩脱盐；双极离子交换膜由阳离子交换层和阴离子交换层复合组成，主要用于酸或碱的制备；镶嵌膜由排列整齐的阴、阳离子微区组成，主要用于高压渗析进行盐的浓缩、有机物质的分离等。第3页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五2.离子交换膜的工作原理（1）电渗析在盐的水溶液（如氯化钠溶液）中置入阴、阳两个电极，并施加电场，则溶液中的阳离子将移向阴极，阴离子则移向阳极，这一过程称为电泳。如果在阴、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换膜），则阳离子或阴离子会选择性地通过膜，这一过程就称为电渗析。第4页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五电渗析的核心是离子交换膜。在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，实现溶液的淡化、浓缩及钝化；也可通过电渗析实现盐的电解，制备氯气和氢氧化钠等。图4—5为用于食盐生产的电渗析器的示意图。第5页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五

图4—5食盐生产电渗析器示意图A：阴离子膜，K：阳离子膜；D：稀室，C：浓室第6页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五（2）膜电解膜电解的基本原理可以通过NaCl水溶液的电解来说明。在两个电极之间加上一定电压，则阴极生成氯气，阳极生成氢气和氢氧化钠。阳离子交换膜允许Na+渗透进入阳极室，同时阻拦了氢氧根离子向阴极的运动，在阳极室的反应是：2Na++2H2O+2e=2NaOH+H2在阴极室的反应为：2Cl－－2e=Cl2第7页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五

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，取代了其他制备氢氧化钠的方法。如果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一定的电压，则可电解水，在阳极产生氢气，而在阴极产生氧气。第8页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五3.电渗析技术应用领域

自电渗析技术问世后，其在苦咸水淡化，饮用水及工业用水制备方面展示了巨大的优势。随着电渗析理论和技术研究的深入，我国在电渗析主要装置部件及结构方面都有巨大的创新，仅离子交换膜产量就占到了世界的1/3。我国的电渗析装置主要由国家海洋局杭州水处理技术开发中心生产，现可提供200m3/d规模的海水淡化装置。第9页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五电渗析技术在食品工业、化工及工业废水的处理方面也发挥着重要的作用。特别是与反渗透、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。此外，离子交换膜还大量应用于氯碱工业。全氟磺酸膜（Nafion）以化学稳定性著称，是目前为止唯一能同时耐40％NaOH和100℃温度的离子交换膜，因而被广泛应用作食盐电解制备氯碱的电解池隔膜。第10页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五

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高的能源，可能成为21世纪的主要能源方式之一。经多年研制，Nafion膜已被证明是氢氧燃料电池的实用性质子交换膜，并已有燃料电池样机在运行。但Nafion膜价格昂贵（700美元/m2），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究，以期降低燃料电池的成本。第11页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五一、电渗析（electrodialysis)*电渗析是一种利用电能来进行的膜分离技术，这种设备是以直流电为推动力，在外加电场作用下，利用阴阳离子交换膜对溶液中电解质离子的选择透过性，使溶液中的阴阳离子发生分离的一种理化过程。*这种设备由于其能耗低、产水量大、脱盐率高、稳定性强等特点。*广泛应用于医药、电子、化工、食品、硬水软化、海水淡化等方面。我国始于50年代。第12页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五13

1.原理和工作过程

用特制的半透膜(semi-permeablemembrane)将浓度不同的溶液隔开，溶质即从浓度高的一侧透过膜而扩散(diffusion)到浓度低的一侧，这种现象称为渗析作用(dialysis)，也称扩散渗析、浓差渗析。电渗析的原理是在直流电场的作用下，依靠对水中离子有选择透过性的离子交换膜(ionexchangemembrane)，使离子从一种溶液透过离子交换膜进入另一种溶液，以达到分离、提纯、浓缩、回收的目的。第13页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五电渗析过程示意图

－＋

浓水

阳膜,只允许阳离子通过

阴膜,只允许阴离子通过

电极淡水

出水时

阳离子阴离子进水时

进水

浓水室淡水室第14页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五2.离子交换膜

离子交换膜具有与离子交换树脂相同的组成，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、复合膜等数种。阳膜(cationexchangemembrane)含有阳离子交换基团，在水中交换基团发生离解，使膜上带有负电，能排斥水中的阴离子，吸引水中的阳离子并使其通过。第15页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五阴膜(anionexchangemembrane)含有阴离子交换基团，在水中离解出阴离子，使膜上带正电，吸引阴离子并使其通过。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做成，具有方向性的电阻。当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳极时，正、负离子都不能透过膜，显示出很高的电阻。当膜的朝向与上述相反时，膜电阻降低，膜两侧相应的离子进入膜中。

第16页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五3.电渗析器

电渗析器的组装示意图第17页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五基本结构第18页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五

电渗析器的级与段

一级一段一级两段两级一段两级两段一对正、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第19页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五实际应用的电渗析器第20页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五第21页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五第22页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五第23页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五二、电除盐（EDI）1.简介

EDI概念最早是wallers等人于1955年提出的，1957年kallaman等人就申请了专利，但由于树脂充填技术的困难，直到1987年才由Millpore公司推出第一台商业化EDI，它一出现，就受到广泛重视，目前世界上仅有4家公司生产EDI。

EDI，称为电除盐（Electrodeionization,EDI），或填充床电渗析，或连续电除盐（ContinuousDeionization,CDI。EDI是将离子交换技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理技术。离子交换树脂具有深度脱盐之优点，可以克服电渗析因极化现象而脱盐不彻底之缺点；然而电渗析因极化现象发生水解电离产生的氢离子（H+）和氢氧离子（OH-）恰巧可用于离子交换树脂的再生。第24页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五

EDI工作原理图1—阴离子可透膜；2—阳离子可透膜；3—阴离子交换剂；4—阳离子交换剂；5—浓水室；6—淡水室第25页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五

EDI装置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高2-3个数量级，这样有效的提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现象，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，能改善水流状态，促进离子扩散，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能力，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，通过树脂颗粒搭建的离子传输通道迁移到膜表面（EDI装置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，提高了电渗析对离子的去除效果。第26页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五第27页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五膜法EDI水处理系统图第28页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五大型EDI装置第29页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五EDI作原理1.进水进入树脂和膜的间隔2.树脂捕获水中离子

3.电场使离子向电极移动4.阳膜只允许阳离子通过5.阴膜只允许阴离子通过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

第30页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五

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，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（C-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600V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通过30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8千米厚的混床。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，阴膜也把淡水市和浓水室分开。EDI膜是离子交换树脂膜，只允许带适当电荷的离子通过，水基本上不能通过。树脂通过水的分离持续的再生。在电场中，水分子被分离成H+和OH-

，被异性电荷相吸，H+通过阳阳树脂移向阴极的方向，OH-通过阴树脂移向阳极的方向。这种H+和OH-的迁移再生了树脂，阳膜允许H+通过进入浓水室，阴膜允许OH-通过也进入浓水室，H+和OH-结合生成生产的水。浓水室中自己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室在水流通过淡水室的过程中，离子被树脂去除，所以膜的有效侧（淡水室）就会产生纯水。第31页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五2.EDI制水特点

在EDI中，90%到95%的水流过淡水室，水流并行的通过多个膜堆，每个膜堆都并联很多个淡水室，水流一次性的通过淡水室，流出来的就是高纯水。另外的5%-10%被送到浓水室，其中3%-8%流出EDI后作为补充水，2%用来冲洗电极。浓水的再循环增加了水的电导率而要增加EDI系统通过的电流。EDI废水的pH主要由给水的品质决定。通常都是品质很好的水，pH接近中性。排放的浓水可以通过返回到进水口进行回收，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行排放。第32页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五4.EDI的布置特点

EDI最适合于应用在经RO脱盐后的水质精处理阶段。EDI设备无需化学药剂的再生，可以连续运行。在具体的应用中，仅调节EDI的运行电流就可以改变其出水水质。在进水电导率为60ms/cm或更低的条件下，EDI可制出0.0555~1.0µs/cm（1~18MΩ.cm）的产品水。5.EDI运行中浓水中加入NaCl

浓水中加入NaCl的主要作用是维持浓水运行电导在150-500µS/cm之间，以维持EDI系统的电流，确保EDI系统有效的运行。第33页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五6.EDI的优点

a、不需要酸碱再生。

b、可连续生产。电除盐的生产是连续的，没有混床复杂的再生操作。

c、不需要处理废酸碱。电除盐的浓水可以直接排放或返回到RO的进口（EDI中浓水量比纯水少得多）。

d、安装条件简单，占地面积小，大部分标准厂房都能满足。

e、系统设计简单。电除盐的模块设计很容易把它的流量做到450吨/小时甚至更高。

f、运行成本低。与各种混床相比，在价格上有竞争性。

g、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质变化。

i．标准设计。利用标准单元，如同搭积木般的组合，可以满足用户不同产水量的需要。第34页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五E-CELL公司EDI进水指标序号项目单位指标1TEA（总阴离子含量）ppm<252电导率Us/cm<653PH值

5-94总硬度ppm(以CaCO3计)<1.05SiO2ppm<0.56TOCppm<0.57余氯ppm<0.058Fe，Mn，H2Sppm<0.019SDI（15min）

<1.010油和脂类

无11浊度NTU<1.012氧化剂

无13色度APHA<5第35页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五某EDI出水水质第36页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五7.EDI工艺设计及运行中应注意的问题a、EDI对进水水质有较严格的要求

EDI对进水水质要求进水为反渗透出水。b、对硅的去除能力是评价EDI设备的一个重要指标

c、水中CO2对EDI产水品质影响较大d、运行中电极反应产生的气体需及时排出e、EDI对进水温度有一定的要求

EDI要求进水温度在15-35℃。f、水流速度对EDI产水质量有一定影响水流速一般要求控制在0.5-1.0cm/s。第37页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五8.EDI的缺点

a.对细菌的抗污染能力较低，当有细菌在其内部繁殖时，将会大幅度降低膜堆的性能，所以一般要求停机超过3天，就必须注入5％的NaCI溶液进行保护，或者是不间断运行，防止细菌生长。

c.对于电子级高纯水，还需要连接不再生混床进一步提高或保障产品水电导率。

d.EDI的系统性或者其寿命还不是很高。第38页，共43页，2022年，5月20日，11点52分，星期五五、全膜处理应用事例1、前湾燃机电厂膜法除盐水处理系统

自来水—超滤装置(UF)—反渗透装置(R0)—电除盐装置(EDI)—除盐水箱。

1)