电渗析知识课件

电渗析知识-2-电渗析是利用离子交换膜和直流电场的作用，从水溶液分离出电解质组分的一种电化学分离过程。典型过程：血液透析；膜渗析液溶剂渗出液原液溶质溶剂ABx1x2溶剂＋扩散物质用于海水淡化、纯水制备和废水处理；在分析上可用于无机盐溶液的浓缩或脱盐-3-海水淡化----电渗析原理1离子在电场下的定向迁移2膜的选择性透过3分离对象/产品的去向关注+-极水

盐水

淡水-4-1、电渗析的基本原理原理：阴阳离子交换膜对溶液中阴阳离子的选择透过性，而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。阴膜只让阴离子穿过；阳膜只让阳离子穿过电极两侧会发生氧化还原反应阴极还原反应2H++2e→H2↑阴极室溶液呈碱性结垢阳极氧化反应4OH-→O2+2H2O+4e阳极室溶液呈酸性腐蚀-5-电渗析分离原理图+—+++++—————浓淡浓淡浓淡阳阴阳阴阳阴阳浓水淡水＋—原水极水极室极室阳极阴极-6-②电解质浓差扩散膜两侧溶液浓度不同，在浓度差作用下，电解质由浓室向淡室扩散③水的渗透

水的渗透压作用，水由淡水室向浓水室渗透④水的电渗透

水合离子，其迁移过程必然携带一定数量的水分子迁移⑤水的电离

电流密度与液体流速不匹配，电解质离子未能及时补充到膜的表面，而造成膜的淡水侧发生水的电离。次要过程①反离子的迁移交换膜不可能100%的选择性，有少量与离子交换膜解离离子电荷相反离子透过膜，阳通过阴,阴通过阳电渗析过程主要过程对电渗析有利，次要过程均会影响电渗析的除盐或浓缩效率，增加电耗。设计中，应选择理想的离子交换膜和最佳的操作条件，设法消除或改善这些不利影响。-7-极化与极限电流浓度电渗析过程中，膜内反离子的迁移数大于溶液中的迁移数，从而造成淡水室中在膜与溶液的界面处形成离子亏空现象，当操作电流密度增大到一定程度时，主体溶液内的离子不能迅速补充到膜的界面上，从而迫使水分子电离产生H+和OH—来负载电流，这就是电渗析的极化现象。电流密度是指单位面积膜通过的电流，使水分子产生离解反应时的操作电流密度称为极限电流密度。电渗析的极化现象对电渗析的运行有很大影响：（1）极化时一部分电能消耗在水的电离上，使电流效率下降；（2）极化时，在浓水侧的阴膜界面上形成沉淀会堵塞水流通道。（3）由于沉淀和结垢的影响，膜性能发生变化，机械强度下降，膜电阻增大，缩短了膜的使用寿命。为了避免极化和结垢，目前采用的措施包括：（1）控制工作电流密度在极限电流密度下运行；（2）定时倒换电极；（3）定期酸洗。-8-电渗析装置示意动画-9-2.电渗析器装置与组装主要部件离子交换膜：组装前膜预处理，操作溶液浸泡24-48小时，停运时充满溶液隔板：膜的支撑体，保持膜间距，水流通道；浓、淡室隔开电极：要求耐腐蚀、导电性能好夹紧装置：把极区和膜堆组成不漏水的电渗析器整体-10-电渗析器组装几个术语：膜对：由1张阳膜、1张淡水隔板，1张阴膜、1张浓水隔板按一定顺序组成的电渗析器膜堆的最小脱盐单元膜堆：若干模对的集合体级：电渗析器中一对电极之间所包含的膜堆称为一级，一台电渗析器的电极对数就是这台电渗析器的级数段：电渗析器中淡水水流方向相同的膜堆称为一段台：用锁紧装置将电渗析器各部件锁紧成一整体称为一台电渗析器系列：将多台电渗析器串联起来成为一脱盐整体称为一系列-11-一对正、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-12-组装形式：可按级段组装成各种方式增加级数可降低电渗析的总电压，增加段数可以增加脱盐流程长度，提高脱盐率一般每段内的膜对数为150-200对，每台电渗析器的总膜对数不超过400-500对附属设备整流器、水质检测、水量计量、升压升泵、预处理装置、进出水管路、酸洗设施等-13-海水淡化流程：海水→海水泵→无阀滤池→海水池→水泵→纤维布过滤器→第一组电渗析器→中间水池→第二组电渗析器→成品水池→脱硼装置→饮用水。电渗析—离子交换组合工艺制取纯水电渗析法处理电镀含镍废水、酸洗废水回收硫酸和铁、芒硝回收硫酸和碱。3、电渗析在水处理中的应用-14-海水淡化流程-15-纯水制备流程示意图电渗析反渗透-16-半光亮镀镍电渗析光亮镀镍电渗析回收槽回收槽离子交换水洗槽水洗槽电渗析法回收含镍污水的工艺流程补充水补充水镀镍废水回收镍：含镍废水经电渗析处理后，浓水中的镍浓度增高，可以返回镀镍重复利用；淡水水镍浓度减少，可以返回水洗槽用在清洗水的补充水。以硫酸钠溶液作为电极液，进行循环，加入硫酸钠是为了减轻铅电极的腐蚀，经电渗析处理后，浓液浓度可以使NiSO4·

7H2O达到100g/L左右，除镍率达到90%以上。-17-超滤与反渗透类似，依靠压力和膜进行工作制膜材料：

醋酸纤维素或聚砜酰胺等，省去热处理工序，成膜孔径较大，能够在较小的压力下工作，有较大的通水量。与反渗透的区别：用途：分离分子量500-500000的物质，直径为0.005-10μm的大分子和胶体三、超滤法

超滤过程的本质：是一种筛滤过程，膜表面的空隙大小是主要的控制因素，溶质能否被膜孔截留取决于溶质粒子的大小、形状、柔韧性以及操作条件等，而与膜的化学性质关系不大。-18-压力大分子供水水盐超滤过程超滤膜压力（要大于渗透压力）大分子供水水反渗透反渗透膜

盐超滤与反渗透的区别示意-19-超滤的截留机理：主要是物质在膜表面及微孔内的吸附、在孔内的停留（阻塞）、膜表面的机械截留（筛分）、架桥截留和膜内部网络截留。机械截留吸附截留架桥截留膜表面截留膜内部网络截留-20-超滤在水处理的应用1．给水去除细菌、胶体等物质。家庭用膜式净水器与反渗透联合制备纯水2．废水回收分离有用物：涂料、羊毛脂、染料、纸浆等废水深度处理膜－生物反应器-21-超滤过滤装置-22-超滤处理流程示意图-23-四、纳滤技术（nanofiltration，NF）

纳滤膜是上世纪80年代在反渗透复合膜基础上开发出来的，是超低压反渗透技术的延续和发展分支，早期被称作低压反渗透膜或松散反渗透膜。目前，纳滤膜已从反渗透技术中分离出来，成为独立的分离技术。纳滤膜的孔径为纳米级，介于反渗透膜(RO)和超滤膜(UF)之间，因此称为“纳滤”。纳滤膜的表层较RO膜的表层要疏松得多，但较UF膜的要致密得多。因此其制膜关键是合理调节表层的疏松程度，以形成大量具纳米级的表层孔。-24-

纳滤膜主要用于截留粒径在0.1～1nm，分子量为1000左右的物质，可以使一价盐和小分子物质透过，具有较小的操作压（0.5～1MPa）。其被分离物质的尺寸介于反渗透膜和超滤膜之间，但与上述两种膜有所交叉。纳滤恰好填补了超滤与反渗透之间的空白,它能截留透过超滤膜的那部分小分子量的有机物,透析被反渗透膜所截留的无机盐。而且，纳滤膜对不同价态离子的截留效果不同,对单价离子的截留率低(10%-80%),对二价及多价离子的截留率明显高于单价离子(90%)以上。

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纳滤膜及其技术的应用领域-26-五、微孔过滤（自学）微孔过滤与超滤从原理上说没有本质的差别，微滤只能截留更大分子的膜分离过程。以压力为推动力的膜分离过程。微滤超滤纳滤反渗透微粒大分子小分子二价离子一价离子水微滤、超滤、纳滤、反渗透对物质的截留-27-小结：膜滤分类及基本特征根据推动力的不同，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,reverseosmosis)：MW<100,0.2-0.3nm,2-3A0纳滤(NF,nanofiltration)：MW:100-1000,0.5-5nm超滤(UF,ultrafiltration)：MW:1000—百万,5nm-0.2m微滤(MF,microfiltration)：0.2-1m

(1A0=10-8cm,1m=10-4cm,1nm=10-7cm)

-28-小结：膜滤分类及基本特征方法推动力传递机理透过物及大小截留物膜类型微滤MF压力差0.01-0.2MPa筛分水、溶剂、溶解物悬浮物、颗粒物、纤维和细菌对称和不对称的多孔膜超滤UF压力差0.1-0.5MPa筛分水、溶剂、离子和小分子0.0004-10μm胶体、大分子不溶解的有机物非对称的多孔膜纳滤NF压力差0.5-2.5MPa筛分+溶解/扩散水和溶剂溶质、二价盐、糖和染料致密非对称膜或复合膜反渗透RO压力差1-10Mpa溶剂的扩散水、溶剂0.0004-0.06μm溶质、盐（SS、大分子、离子）致密非对称膜或复合膜电渗析ED电位差离子交换电离离子0.0004-0.1μm非解离和大分子物质离子交换膜渗析D浓度差溶质扩散低分子物质、离子0.0004-0.15μm溶剂，分子量>1000非对称膜，离子交换膜-29-隔膜电解法原理及应用（自学）还记得电解浮选和电解凝聚原理吗？-30-1.液膜的概念和特点

液膜分离是一种新发展的膜分离技术，是新兴的节能型分离手段。

液膜是悬浮在液体中很薄的一层乳液微粒（3-5m

）。它能把两个组成不同而又互溶的溶液隔开，并通过渗透现象起到分离的作用。液膜的特点：膜薄、比表面积大、分离速度快、传质推动力大、提取效率高、过程简单、试剂消耗量少，这对于传统萃取工艺中试剂昂贵或处理能力大的场合具有重要的经济意义。另外，液膜的选择性好，往往只能对某种类型的离子或分子的分离具有选择性，分离效果显著。最大缺点：强度低，破损率高，难以稳定操作，而且过程与设备复杂。

六、液膜分离-31-2.液膜的组成与类型（1）液膜的组成●成膜的基本物膜溶剂：有机溶剂或水,构成膜的基体。如煤油、石蜡。●表面活性剂：稳定液膜，如多胺系、山梨糖醇酐单油酸酯类（Span80）等。●添加剂/流动载体：提高膜的选择性,实现分离传质的关键因素。如磷酸三丁脂、P204t、TBP等主要考虑液膜的稳定性和对溶质的溶解度。对无载体液膜,膜溶剂能优先溶解欲分离组分,而对其它组分溶质的溶解度则应很小；对有载体液膜,膜溶剂要能溶解载体,而不溶解溶质。载体与欲分离的溶质形成的配合物要有适当的稳定性,在膜的外侧生成的配合物能在膜中扩散,而到膜的内侧要能解络。-32-2.液膜类型①浸渍型：以多孔高分子膜作为支架,使液体膜溶液(有机溶剂)浸渍在其孔穴部位,并在内外相均接触水溶液。内相外相O膜支架②乳化型：将表面活性剂、添加剂及溶剂(内相试剂)的水溶液高速搅拌(>2000转/分钟),制成一个油包水(W/O)的乳状液,然后再把这种乳状液加入到低速搅拌(100转/分钟)的试液中,并使乳状液均匀分散在试液中,结果形成水包油,再包水(W/O/W)的多相乳浊液。由于将液膜含浸在多孔支撑体上，可以承受较大的压力，且具有更高的选择性，可以承担合成聚合物膜不能胜任的分离要求。通常孔径越小液膜越稳定，但孔径过小将使空隙率下降，从而将降低透过速度，存在传质面积小。乳液型液膜的传质比表面最大，膜的厚度最小，因此传质速度快，分离效果较好，具有较好的工业化前景。-33-3.液膜分离原理(a)选择性渗透液膜料液(b)滴内化学反应RC液膜料液C+R→PR1液膜料液(c)膜中化学反应C+R1→P1(d)萃取和吸附液膜料液液膜料液-34-苯胺废水的分离处理：

取V油：

V内水=1:1,（V油：煤油-磷酸三丁脂-Span80，

V内水：稀盐酸液或稀硫酸液）；

高速搅拌一定时间，形成O/W型乳液型液膜；将O/W型乳液放入苯胺废水中，搅拌，分散，形成W/O/W型多重乳状液。反应：外水相苯胺通过油膜进入内水相，生成盐酸苯胺，内相苯胺浓度实际趋近于0，内外两项浓度梯度最大，苯胺不断扩散到内相。而盐酸苯胺难溶于油膜，不会以扩散方式返回到外水相。破乳：内水相乳浊液经破乳后,