【生物课件】电渗析.ppt

电渗析定义• 电渗析是在外加直流电场作用下，利用 离子交换膜的选择渗透性，使溶液(通常 是水溶液)中有阴、阳离子作定向迁移， 从而达到水中离子与水分离的一种物理 化学过程在电极的阴、阳极之间，将 阳离子交换膜与阴离子交换 膜交替排列，井用特制的隔 板符这两种膜隔开，隔板内 行水流的通道进入淡室的含盐水，在两端电极 接通直流电源后，即开始了电渗 析过程；水中阳离子不断透过阳 膜向阴极迁移，阴离子不断透过 阴膜向阳极迁移，结果，含盐水 逐渐变成淡化水而进入浓室的合盐水， 由于阳离子不能迁移透 过阴膜，阴离子迁移不 能透过阳膜，于是，含 盐水不断浓缩变成高浓 度盐水电渗析的原理这样，在整个电渗析设备中，出现了 脱盐与浓缩两个系统与此同时，在 电极和溶液的界面上，通过氧化、还 原反应，发生电子与离子之间的交换 ，即电极反应• 以食盐水为例，阴极还原反应为：• • 因此，在阴极不断有氢气排出，在阳极则不断 有氧气或氯气排出此时，阴极室溶液呈碱性 ，当水中有Ca2+、Mg2+或HCO3-等离子时，会 生成CaCO3和Mg(OH)2沉淀，该沉淀会集结在 阴极上甚至交换膜上，影响设备的运行及出水 水质。

在阳极室，由于溶液呈酸性，会对电极 造成强烈的腐蚀中性膜的电渗析示意图 该系统以非选择性膜去代替阳离子 或阴离子选择性股事实上还可以 用选择性程度不同的膜去代替阳离 子或阴离子选择性膜电滗析它被人们称为“电重 力分离”或者“电滗析 ”，该系统的小室宽 度较大（0.5-1.0厘 米），在其中电流 诱导出的密度差， 驱使水体缓慢的循 环制成水自小室 顶部导出，而浓水 则在小室底部流出 最小需要能• 从热力学论点出发，可以推到出电渗析 最小需要能E的表达式如下：• N0是以当量/升为单位表示的离子物种浓 度，f，P，C分别指进水流，制成水流和 浓水流能量E一般用千瓦·时/千加仑制 成水的单位表示• 上式忽略了电极反应所消耗的功率，并 且只考虑进水流，制成流和浓水流的自 由能因为在电渗析中存在着极化，室 的电阻，同时电流效率总是小于100%， 因此实际消耗的功率总是大于此公式算 得的数值离子的选择性迁移 • 在电解质溶液上施加一个电场E后，离子 就受一个电场作用力F： • F=zce0E • e0为电子电荷量，zc为离子物种的价电 场E将加快离子移向阳极或阴极的速度， 移向哪一级应视zc的符号而定。

• 周围液体中的分子对于移动离子施加一 个相反作用的摩擦阻力Ff，从而限定了离 子移动的最终速度vi，如下式所示：• 令ui为离子淌度，淌度的定义是单位电场 强度的离子移动速度，据此得：• 渗透选择性离子交换胶的基本理论要求，膜应 带有容易离解的离子，它们疏松地束缚在相反 电荷的固定基团上 • 若固定基团为阴离子型，则它的流动离子或抗 衡离子就是阳离子型，当这块膜置于电场中时 ，阳离于就能选择性地透过它 • 若固定基团为阳离子型和流动离子为阴离子型 ，则阴离于就能透过膜 • 当渗透选择性离子交换膜与电解质处于平衡时 ，只要膜对溶剂稍有一些渗透性，那么道南平 衡就建成在平衡时，只要膜中固定离子的浓 度相当大，膜中阳离子和阳离子电解质的数量 就有很大差别膜的性质和制备良好的电渗析膜必须具备下述条件： • 能正确辨别相反符号的离子； • 对水的迁移数低； • 具有合理和良好的导电但能； • 具有强的抗化学性能(特别是抵抗氧化)； • 足够的机械强度； • 有尺寸稳定性膜的渗透选择性• 膜的最重要的特征是渗透选择性 • 膜的渗透选择性是指膜能否根据离子所 带的电荷进行辨别或让其通过的功能。

膜的制备方法• 第一种方法是利用由离子交换树脂、情性粘合 剂以及溶剂所组成的混合物铸成异相膜粘合 剂虽然能增强膜的烦度，但同时也提高了膜的 电阻 • 第二种制膜法与离子交换树脂制造法相似先 制成不溶于水的聚合物膜，接着通过化学反应 导入离子交换基团 • 第三种制膜法是单体的聚合，这些单体已带有 离子交换基因或带有很易就能转化成离子交换 基团的其它基团 • 三种基本制膜法，都应严格控制好生产操作步 骤，这样才能制成机械强度高和电解导电率好 的膜浓度极化• 与反渗透和超滤相似，浓度极化也是电 渗析的重要因素在稳定状态时，抵达 离子交换膜界面的盐量与除去的盐量相 平衡溶质粒子的分子扩散和涡流扩散 是输送盐类抵达膜面的推动力盐类的 去除决定于电流的大小和界面处迁移数 值的差值• 在实际运行中，工作电流密度往往用得 比极限密度低，其原因在于Cim趋近于0 时， 氢和羟离子开始携带相当数量的电 流 • 正确控制电流密度与淡水流浓度之间的 比值以及正确设计水流通道的水力条件 以减少界面层厚度，是限制极化在合理 范围内的有效措施水流通道做得浅、 增加水的循环流速、增装紊动助长器等 是减少界面层厚度的好方法。

功率和能的需要• 功率需要量作为除盐速度的函数，可以 用法拉第和欧姆定律来计算• 每迁移一个当量盐的电能消耗为：• 例题• 解：电流效率电渗析系统的电流需要量总是超过理论值 其原因如下： • 1．膜的选择性并不是完美无缺的； • 2．在膜堆中建立了平行的电流通路 • 3．水亦能迁移过膜； • 4．当电流密度高或者含盐量低的时候， 水可以分解成H+和OH-电压• 电渗析的需要电压，由下列各因素决定 ： • 与电极有关的电势差； • 横跨膜的浓度电势； • 溶液和膜中的电压降电压效率和电流效率一样，也有3个分 效率，（η）e， （η）r，（η）c它们依 次代表电极反应，总电阻和极化电势造 成的分效率• 组成电渗析膜堆电阻的主要因素是：主 体溶液电阻、界面层的电阻、膜的电阻 • 主体溶液电阻绝大部分来自淡水通道， 其原因在于溶液的比电阻与电解质浓度 成反比界面层的电阻亦如此 • 浓度极化形成的反电动势对总效率影响 很大反电动势的大小是每种离子的迁 移数，界面层两侧的浓度差和溶液主体 浓度的函数设计 • 商品电渗析器装有交叉排列的阳离子和 阴离子渗透膜，同时采用强制流运行方 式去脱小浓度极化。

• 对流运行方式虽然在运行效率上较为优 越，但它的压降分布得很不均匀，因而 膜容易损坏 • 在单一膜堆上采取平行流运行方式较为 可取，因为膜两边的压力能得到平衡 对流运行运行方式常用于多段式系统的 设计中• 使一个膜堆中各个分隔间之间的流量均 匀分配，是依靠缩小各分隔间的进出水 孔尺寸的办法来解决的计算方法前面公式算得的功率和能的需要量，部 是建立在膜堆电阻Rs基础上的 在真正电渗析系统的设计中，常常遇到应 用实验或半生产性实验的资料问题，这 些资料往往是在不同的进水、浓水和制 成水浓度条件下获得的在这种情况下 ，必须弄清相关电阻、极限电流密度与 溶液浓度、流星之间的关系Mintz法• 每一对小室的需要功率可以用式7-61所 求解的电压和式7-44所求解的电流相乘 而得：小室和膜堆的构造型式• 在压力流电渗析器中，每一分隔间中的强制疏 流态由膜夹板空间的型式所决定有两种常用 的型式：曲折流和薄片流曲折流的蛇行途径 较长，因而溶液的停留时间也长水流的线速 度以及压力损失均应做得大些，以减少浓度极 化薄片流利用小室的活泼区作为水流通道 膜夹为塑料网，它本身就是紊动助长器 • 膜堆有膜片构成，膜片之间设有夹板和垫片， 象板框式压滤机一样组装而成。

进出水口通常 在垫片或在膜片上冲眼而形成，然后冉组装杯 一起• 与大多数化工工艺相似，电渗析除盐也 可以采取连续式或者分批式运行连续 运行方式的电渗析一般有三种布置方案 ：多段、内部分级和进入－渗出式多段式连续电渗析系统• 可以采用膜堆之间对流或所有的浓水流 都平行的方式运行•这种布置方案的 优点是；管道和阀 门的尺寸小；不需 冉循环；所需的能 量最小它的主要缺点是：需 要经常调整各项运行 参数，运行比较敏感 ，膜电阻的微量增加 就会影响效率内部分级连续流系统• 若要求的出水量不大，则选用内部分级 的单膜堆较为经济它的优点是：容易调 节除盐率；不需再加 压；仅需一对电极以 及连续出水它的主要缺点是： 运行压力大；对一 定的制成水量所需 的膜面积大；膜阻 和进水流量的变化 对运行效率十分敏 感进入渗出连续流系统• 他是根据进水浓度可变化而出水流量和 出水水质要求不变的情况而设计的它的另一个优点是需 要的电流密度较低它的主要缺点是 消耗功率大和需 要再循环分批运行再循环系统• 在这种布置方案中，固定量的进水在膜 堆中循环（浓水带走）它的主要优点 是，膜电阻的 变化虽能影响 制成水的流量 ，但不会影响 制成水的水质 。

主要缺点有； 运行不稳定从 而难于判断电 渗析的工作性 能；功率需要 是大；电流密 度易变化用途 • 稍咸水（小于10000毫克/升）的除盐是 电渗析的最主要用途 • 废水除盐是电渗析的另一种用途有人 研究用电渗析对农田径流进行反硝化处 理生活污水处理厂出水的电渗析除盐 正处在研究中 • 食品和酿酒工业也是电渗析的应用场所 • 在化工工业中，电渗析已用来回收稀化 废水中化学物质电渗析在废水处理中的应用 • 以镀镍废液回收镍处理为例，介绍电渗 析法在废水处理中的运用 • 镀镍废液中含有悬浮物杂质及有机物， 这些物质能够影响电渗析器的工作和膜 的性能，进入电渗析设备前必须经过过 滤等颈处理方法将其除去，然后进入电 渗析器经电渗析处理后，浓水中镍的浓度增高， 可以返回镀槽重复使用淡水中镍浓度减 少，可以返回水洗槽用作清洗水的补充用 水，这样，整个废水处理达到了密闭循环 经济• 组成电渗析运行的主要费用的主要因素 是： • 因回收初期投资而形成的固定费用； • 膜的更新费用； • 电能消耗费用； • 人工、预处理和清理费用 • 其中第一个因素最为重要END• Thank You！。