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第五章 电渗析与电除盐一、 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（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： 2 Na+ + 2 H2O + 2 e = 2 NaOH + H2在阴极室的反应为： 2 Cl－ － 2 e = Cl2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。

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一、电渗析（electrodialysis)* * 电渗析是一种利用电能来进行的膜分离技术电渗析是一种利用电能来进行的膜分离技术 ，这种设备是，这种设备是以直流电为推动力，在外加电以直流电为推动力，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。

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、稳定性强等特点高、稳定性强等特点 * * 广泛应用于医药、电子、化工、食品、硬水广泛应用于医药、电子、化工、食品、硬水 软化、海水淡化等方面我国始于软化、海水淡化等方面我国始于5050年代13 1. 原理和工作过程 •用特制的半透膜(semi-permeable membrane) 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电场 的作用下，依靠对对水中 离子有选择选择 透过过性的离子交换换膜(ion exchange membrane)，使离子从一种溶液透过过离子交换换膜进进入 另一种溶液，以达到分离、提纯纯、浓缩浓缩 、回收的目的 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 浓浓水室 淡水室2. 离子交换膜 •离子交换换膜具有与离子交换树换树 脂相同的组组成 ，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膜、 阴膜、复合膜等数种 •阳膜(cation exchange membrane)含有阳离子交换换 基团团，在水中交换换基团发团发 生离解，使膜上带带有负电负电 ，能排斥水中的阴离子，吸引水中的阳离子并使其通 过过• 阴膜(anion exchange membrane)含有阴离子 交换换基团团，在水中离解出阴离子，使膜上 带带正电电，吸引阴离子并使其通过过 • 复合膜复合膜由一面阳膜和一面阴膜其 间夹间夹 一层层极薄的网布做成，具有方向性的 电电阻当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳 极时时，正、负负离子都不能透过过膜，显显示出 很高的电电阻当膜的朝向与上述相反时时， 膜电电阻降低，膜两侧侧相应应的离子进进入膜中 3. 电渗析器 电渗 析器 的组 装示 意图基本结构电渗析器的级与段 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实际应用的电渗析器二、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（Continuous Deionization,CDIEDI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 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。

膜法EDI水处理系统图大型EDI装置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 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 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。

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 E-CELL公司EDI进水指标序号项项目单单位指标标1TEA（总总阴离子含量 ）ppm<252电导电导 率Us/cm<653PH值值 5-94总总硬度ppm(以CaCO3计)<1.05SiO2ppm<0.56TOCppm<0.57余氯氯ppm<0.058Fe，Mn，H2Sppm<0.019SDI（15min） <1.010油和脂类类 无11浊浊度NTU<1.012氧化剂剂 无13色度APHA<5某EDI出水水质7. EDI工艺设计及运行中应注意的问题a、E。