渗析和电渗析过程1

第六章渗析和电渗析过程6．I渗析过程6．1．1渗析过程的定义和基本原理渗析(Dialysis)过程是溶质分子借扩散作用透过膜，由浓溶液向稀溶液方向的传递过程，同时在反方向上还发生溶剂分子透过膜的扩散。渗析过程的原理示意图如图6一l，在膜的一侧(A侧)通过原液，称为渗析液或渗余液，在膜的另一侧通过溶荆(或水)，称为渗出液或扩散液。B侧中的水根据扩散原理透过膜向A侧扩散，而A侧透析液中的溶质透过膜向B侧扩散，但不同的溶质扩散速度不同，通常低分子比高分子扩散得快，正是利用不同溶质的不同扩散速度，使渗析液中的溶质得以分离。在渗析过程中，浓度差是唯一的推动力。渗析过程的膜可以是多孔的，也可以是均质的，评价膜的参数一般包括透过性(溶质和水的透过性)、机械强度、生物适应性、有无溶出物及灭菌难易等。渗析过程的传质速率方程为：N=KA△CLm-------------(6—1)式中：N一传质速率9／sK一总传质系数cm／s;A一膜面积cm2△CLm一膜两侧的对数平均浓度差g／m3

总传质系数K，不仅与膜的性质有关，还与膜两侧流体的流动状态有关，一般认为在膜两侧流体的主体中，没有传质阻力，物质通过两侧流体的传质阻力集中于膜两侧的边界层中，渗析过程中膜两侧边界层浓度分布如图6—2，则总传质系数K与物质在两层液膜及膜中的传质系数Kl，K2和Km有如下关系：

l／K=l／Km+l／Kl+l／K2(6—2)亦可写成阻力的形式，总阻力R与在两液膜及膜中的传质阻力R1，R2和Rm的关系为：’R=Rm+Rl+R2(6--3)不同的物质这三种阻力在总阻力中所占的百分比是不同的。Colion曾考察了血液透析系统，得到的结果如图6一3所示，对分子量较小的尿素来说，渗析膜的阻力占总阻力的60％;而对于分子量较大的VB12来说却高迭9O％。这样如果改进操作状态，减少两液膜的阻力，则有利于低分子物质的通过.6.1.2渗析过程的应用

渗析过程是最早被发现、研究和利用的膜分离过程。但是由于浓度差是渗析过程唯一的推动力，渗析过程往往受体系本身条件的限制：处理速度较慢，选择性较差；难以对物系进行较完全的分离，使之在工业中的应用受到限制。随着超滤技术的发展，渗析过程逐渐被超滤过程所代替，其应用领域在不断缩小。尽管如此，渗析过程在某些方面的应用中仍是一种有效的膜分离过程，原因在于它本身的一些特点：如渗析过程是在等温、等压的务件下操作，接近于生物体内的膜分离过程；设备和装置较其它膜分离过程简单;当处理一些高浓度蛋白质溶液时(百分之几以上)，由于浓差极化的原因，应用超滤过程较因难，此时应用渗析过程就比较适宜。渗析过程最典型、最多的应用是血液透析，即人工肾，用于从肾衰竭或尿毒症患者的血液中脱除尿素、尿酸、肌肝酸和其它蛋白代谢物，以缓解病情。据报道，目前全世界用于血液透析的膜的总面积高达35×lO7m2;通过渗析过程净化的血液每年达25亿升，仅在日本接受血液透析的患者已超过8万人。

血液透析(人工肾)的装置如图6—4，透析液的典型组成由表6一l所示;人体所需的成分采用与血液大体相同或更高一些的浓度；准备由人体除去的成分则采用低一些的浓度，并调节成与正常人血液相同的渗透压，每次透析约3_6小时;需透析液l0O一20O升。透析过程中，血液成分与透析液成分变化如图6—5所示。渗析器主要有板框式(Kill)、螺旋卷式(K0ff)，如图6—6，和中空纤维式，如图6—7。

血液渗析(HD)过程通常不能有效地脱除中等分予量(500—20，000)的尿毒素，长期使用，会使这些有毒物质在血液中积累，因而又开发了另一种血液过滤(HF)过程的人工肾，由于HF的透水量大,又不具备再吸收功能，所以必须对血液进行补液，以保持体液量的衡定.图6—8为两种人工肾的示意图，两种人工肾的性能同肾小球的比较见表6—2.由于血液渗析与血液过滤各有优缺点，可以将二者有机地结合起来，成为血液透析过滤(HDF)，这三种血液净化方法对血液中不同分子量溶质的透析效能见图6—9.

6.2电渗析过程电渗析过程是一个电化学分离过程。在电渗析过程中，应用荷电膜，使溶液中的离子在电位差推动力的作用下透过膜，而同溶剂和其它的不带电的组分分开。电渗析广泛地应用于苦成水脱盐，在世界的某些地区电渗析是生产淡水的主要过程。由于新开发的离子交换膜同原来的膜相比，具有更高的选择性，更低的膜电阻，更好的热稳定性、化学稳定性以及更好的机械强度，使电渗析过程已不仅仅限于在脱盐方面应用，而已在食品、医药及化学工业的应用中引起广泛的重视。

在许多应用中，有许多其它过程同电渗析过程相竞争，如蒸馏，离予交换，反渗透和色谱分离等过程。l988年，全世界电渗析设备的总销售额超过l·5×l08美元。虽然该过程的原理已被建立了50多年，但真正工业化的时间还不到二十年，最近十年的年销售额增长率为15％左右，据有关专家预测，电渗析过程将会继续开发出新的应用领域，市场的增长速度可能会超过现在增长的水平。6．2．1电渗析过程的基本原理电渗析过程的原理示意图如图6一10所示。在两电极之间交替放置着阴离子传递膜和阳离子传递膜.其中，阳离子传递膜选择透过阳离子;而阴离予传递膜选择透过阴离子。

在两种膜所形成的隔离室中充满含离子的水溶液，如NaCI溶液，当加上直流电磕后，在电场的作用下，溶液中的阳离子向阴极方向运动，这些阳离子容易透过带负电的阳离子传递膜，而易被带正电的阴离子传递膜所阻挡；同时溶液中的阴离子向阳极方向运动，这些阴离子容易透过带正电的阴离子传递膜，而易被带负电的阳离子传递膜所阻挡。

这种与膜所带电荷相反的离子透过膜的传递现象称为反离子迁移。反离子迁移的结果使得在相邻的隔离室中交替出现高离子浓度溶液和稀离子浓度溶液，这样的隔离室分别被称为浓室和淡室。然后可以从浓室中引出被浓缩的离子溶液，而从淡室中引出脱除了部分离子的稀溶液。

在实际的电渗析系统中，一般把2O0～40O块阴、阳离子传递膜与特制的隔板等部件装配起来，而形成l00～200个隔离室。从上述分析可知，电渗析过程完成的三个基本条件为：直流电场，离子选择传递膜和含离子的被处理溶液。离子传递膜之所以对离子有选择透过作用，是由于膜中的孔隙和活性基团。膜中孔隙的孔径一般为几十埃到几百埃，为离子的透过提供了通道。而膜中的活性基团，如磺酸型阳膜中的一SO3H，李胺型阴膜中的一N(CH3)30H，在膜浸入水溶液时，会因膜的吸水溶胀，发生解离，产生解离离子(或称反离子)，并进入溶液，如H+，0H-，于是在膜上就留下了带一定电荷的固定基团，如一S0-3，一N+(CH3)3。这些带电荷的固定基团会对溶液中的带同种电荷的离予产生排斥作用，而对带并种电荷的离子产生吸引作用，并充许其透过膜，而使膜具有对离子透过的选择性，图6—1l即为电渗析膜具有离子选择透过性的示意图。膜的这种选择透过性可用Gibbs—Donnan平衡来解释和估算，离子在膜内的传递速率则可用Nernst—Planck来表达。在实际中，电渗析过程物质透过膜的传递十分复杂，以NaCl水溶液渗析过程为例加以说明，见图6—12，主要有以下的几种物质传递过程：

1.反离子迁移，是电渗析过程的主要传递过程，使进料得以脱盐或浓缩。2.同名离子迁移，是与膜中固定基团带相同电荷的离子透过膜的迁移。这是由于电渗析膜的选择性不可能l00％，但与反离子迁移量相比，只有量很小的一部分同名离子在电场和浓度梯度的作用下，透过膜发生迁移，如阴离子透过阳膜，而阳离子透过阴膜。同名离予的迁移降低了电渗析过程的效率。

3．电解质的渗析，亦称浓差扩散，是反离子在膜两侧浓度差的作用下发生的逆电场力方向的扩散，是由浓室向淡室的扩散，随着浓室中溶液浓度的提高而扩散速度加快，同样降低了电渗析过程的效率。4．水的渗透，随着电渗析过程的进行，淡水室中的水含量越来越大，会有越来越多的水从淡室渗透至浓室，而导致淡水的损失。5．渗漏，在膜两侧压力差的作用下，造成高压侧溶液向低压侧渗漏，从而降低了电渗析过程的效率。6．水的电渗析，是由于膜的选择透过性及离子在膜内的迁移数大于它在溶液中的迁移数。当操作电流密度增大到一定程度时，反离子迁移被强化，使膜附近界面内反离子浓度趋于零，从而逼迫淡室中的水分子电离产生H+和0H-离子来负载电流，进入浓室，这种水的电渗析现象称为电渗析过程的极化现象。发生极化的最小电流密度称为极限电流密度ilim。上面的几种物质传递过程，只有反离子迁移有利于电渗析过程，应设法加强，而其它几种都会降低电渗析过程的效率，应设法抑制。

因此，从上面的分析可知，好的电渗析膜应具备如下几个条件，离子选择透过性要大，电解质渗析量要小，渗水量要低，膜电阻要小，机械强度要大，膜结构要均匀，而且成本要低廉。

6．2．2电渗析膜的性能参数描述电渗析膜的具体性能参数主要有以下几种：

1.交换容量：电渗析膜的交换容量是指每克千膜所含活性基团的毫克当量数，单位meq／g，是电渗析膜的关健性质。一般说来交换容量越高，选择性越好，导电能力也越强。但是一般的活性基团都具有亲水性，所以如果活性基团含量过高，就会引起膜的含水量和溶胀度过大，而影响膜的强度，有时还会导致膜结构过于疏松，反而使膜的选择性下降。一般膜的交换容量约为2～3meq／g。2．含水量：电渗析膜的含水量是指膜内与活性基团结合的内在水的质量与干膜质量比的百分数。膜的含水量与其交换容量和交联度有关，前者关系如上所述，对于后者，一般交联度大，膜结构紧密，含水量低。综合考虑膜的导电能力和溶胀，一般膜的含水量为20～40％左右。3.膜电阻：常用单位膜面积的电阻、面电阻(Q·cm2)和电阻率(单位长度的面电阻，Q·