《电渗析(electrodialysis)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电渗析(electrodialysis)（71页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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；,电渗析(Electrodialysis),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,海水淡化-电渗析原理,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+2 eH2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,电渗析分离原理图,浓,淡,浓,淡,浓,淡,阳,
2、阴,阳,阴,阳,阴,阳,浓水,淡水,原水,极水,极 室,极 室,阳极,阴极,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 水的渗透 水的渗透压作用，水由淡水室向浓水室渗透 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 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。,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
3、作条件，设法消除或改善这些不利影响。,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
4、，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。,电渗析装置示意动画,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,电渗析器组装,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
5、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,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,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,海水淡化 流程：海水海水泵
6、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,海水淡化流程,纯水制备流程示意图,电渗析,反渗透,超滤与反渗透的区别示意,渗透：是指稀溶液中的水分子自发地透过半透膜进入浓溶液的过程。 渗透压：是指某溶液在自然渗透过程中，浓溶液液面不断升高，稀溶液液面相应降低，直到两侧形成的水柱压力抵消了水分子的迁移，溶液两侧的液面不再变化，渗透达到平衡点，此时的液柱高差称为该溶液的渗透压。 反渗透：渗透平衡时，如果在浓溶液侧施加一个压力，那
7、么浓侧的溶剂会在压力作用下向淡水一侧渗透，这个渗透由于与自然渗透相反，故叫反渗透（RO）,反渗透,反渗透又称逆渗透，一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。因为它和自然渗透的方向相反，故称反渗透。根据各种物料的不同渗透压，就可以使大于渗透压的反渗透法达到分离、提取、纯化和浓缩的目的。 基本原理 把相同体积的稀溶液（如淡水）和浓液（如海水或盐水）分别置于一容器的两侧，中间用半透膜阻隔，稀溶液中的溶剂将自然的穿过半透膜，向浓溶液侧流动，浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度，形成一个压力差，达到渗透平衡状态，此种压力差即为渗透压，渗透压的大小决定于浓液的种类，浓度和温度，与半透膜
8、的性质无关。若在浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力时，浓溶液中的溶剂会向稀溶液流动，此种溶剂的流动方向与原来渗透的方向相反，这一过程称为反渗透。,渗透压的计算：渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度而与半透膜本身无关。计算公式如下（仅适用于稀溶液）： CRT 渗透压（kg/cm2） C 离子浓度差（摩尔/升） R 气体常数（等于0.082升大气压/摩尔k） T 绝对温度（k） 如计算3NaCL（近于海水）在25时的渗透压： C=（30/58.5）21.026摩尔/升 CRT1.0260.082（27325）24.4 （kg/cm2）,产水通量和脱盐率是反渗透过程中的关键参数，针对特定系统条件，
9、水通量和脱盐率主要受压力、温度、回收率、进水含盐量和pH值的影响。 基本关系式 1、产水率：QWKWA（P ）/d QW 产品水流量 KW 温度校正系数（取决于膜的类型和温度） A 膜表面积 P 膜两侧的压力 膜两侧的渗透压 d 膜厚度 2、盐通量：QSKSAC/d QS 盐通量 KS 盐透过系数（取决于膜的类型和温度） A 膜表面积 C 膜两侧的浓度剃度 膜两侧的渗透压,影响反渗透性能的因素,脱盐率,产水通量,产水通量(恒定压力),脱盐率(恒定通量),脱盐率,水通量,回收率,增加盐浓度对通量和脱盐率的影响,脱盐率,水通量,压力,温度,原水浓度,进水压力对通量和脱盐率的作用,进水温度对通量和脱
10、盐率的作用,增加回收率对通量和脱盐率的影响,影响反渗透性能的因素,反渗透膜的分类和结构,反渗透膜的结构：膜元件结构示意图,浓水,集水管,膜透过水,膜,透过水 流道网,原水,原水 流道网,原水,反 渗 透 前 保 安 过 滤 器,反渗透优点: 连续运行，产品水水质稳定 无须用酸碱再生 不会因再生而停机 节省了反冲和清洗用水 以高产率产生超纯水（产率可以高达95%） 无再生污水，不须污水处理设施 无须酸碱储备和酸碱稀释运送设施,反渗透装置给水的要求,温度 ：545 PH ：310 浊度 ：1NTU Fe ：0.05 SDI ：5 余Cl2 ：0.1ppm CODMn ：2mg/l,反渗透预处理的选
11、择,反渗透预处理的必要性： 反渗透的预处理是为了保证膜组件良好的设计性能和长时间的安全稳定运行、保证膜的使用寿命。 反渗透预处理解决的问题： 解决反渗透系统的污堵、结垢和膜本身发生化学变化。 污堵：有机物、胶体在膜表面上的沉积 结垢：部分盐类的浓度超过其溶度积在膜表面的沉淀，例如碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶、氟化钙、磷酸钙等。 膜本身发生化学变化：使TFC膜的胺基受氧化而破坏、受到强酸强碱的溶解等。,不同污染物的常规预处理措施： 1、结垢物质：主要是碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶、氟化钙、磷酸钙（主要是市政污水）等。常规预备处理措施：加阻垢剂、加酸、降低回收率、Na离子软化、弱酸阳树脂脱碱、
12、石灰软化。 2、二氧化硅：二氧化硅专用阻垢剂、调pH值、进水加温、石灰纯碱软化处理、超滤。 3、有机物：活性炭吸附、选用抗污染膜、三级生化处理、絮凝澄清，多介质过滤、超滤、投加氧化剂。 4、细菌：连续或定期加氯（调整pH值）、紫外杀菌、臭氧、亚硫酸氢钠。 5、铁、锰、硫化物：曝气锰砂过滤、超滤、过滤。 6、浊度、胶体、颗粒物质：澄清、多介质过滤、超滤。 7、油和脂：活性炭过滤、超滤 8、余氯：活性炭过滤、亚硫酸氢钠。,反渗透预处理的选择,反渗透预处理的选择,不同水源的污染物的组成与常规预处理： 1、地下水：即井水，一般水质稳定，污染可能性低，水中溶解氧少，二价Fe、Mn、H2S等还原性物质多，
13、微生物和菌类较少。仅需简单的预处理。例如：设置多介质过滤、加阻垢剂、5um保安过滤器即可。 2、地表水：受季节的影响较大，有发生微生物和胶体两方面高度污染的可能性。所需的预处理较复杂。包括：絮凝/助凝、澄清、多介质过滤、超滤、脱氯、加酸、加阻垢剂等。 3、工业和市政废水：含有更复杂的有机和无机成分。有些有机物甚至会严重影响反渗透产水量的下降甚至膜的降解。因此必须有更加周全的预处理。包括：酸碱中和、三级生化处理、加氯氧化、澄清多介质过滤、超滤、脱氯、加酸、加阻垢剂等工艺。 4、循环排污水：高硬度、高碱度、高pH值，经循环系统浓缩后已处于过饱和状态；水中投加的药剂量及药剂种类很多，水质成分复杂；有
14、机物及细菌微生物的含量较高。预处理工艺的选择要慎重。,浓水,反渗透系统的设计步骤： 1、考虑进水水源、水质，进水和产水流量以及所需的产水水质。 2、选择系统排列和级数 。 3、膜元件的选择 。 4、膜平均通量的确定 。 5、计算所需的元件数量 。 6、计算所需的压力容器数 。 7、段数的确定 8、确定排列比 9、分析和优化膜系统 10、运用反渗透计算软件进行系统模拟运算,反渗透系统的配置：,典型反渗透系统,进,水,压,力,泵,出,口,压,力,表,浓,水,压,力,进,水,低,压,开,关,滤,器,出,口,压,力,进,口,温,度,滤,器,进,口,压,力,高压止回阀,进水取样,不合格产水排放,浓水控制
15、阀,浓水流量计,产水流量计,浓水排放,产水出口,浓水取样,总产水取样,膜组件,出,水,高,压,保,护,进水控制阀,投,加,药,品,保安滤器,膜,系统高压泵,产水止回阀,反渗透装置图：,蒸馏,蒸馏是一种热力学的分离工艺，它利用混合液体或液-固体系中各组分沸点不同，使低沸点组分蒸发，再冷凝以分离整个组分的单元操作过程，是蒸发和冷凝两种单元操作的联合。与其它的分离手段，如萃取、Absorption等相比，它的优点在于不需使用系统组分以外的其它溶剂，从而保证不会引入新的杂质。 蒸馏条件： 1.液体是混合物。 2.各组分沸点不同。,分类,1按方式分：简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏 2按操作压强分：常压、加压、减压 3按混合物中组分：双组分蒸馏、多组分蒸馏 4按操作方式分：间歇蒸馏、连续蒸馏,分子蒸馏（短程蒸馏）,分子蒸馏是一种在高真空度下进行液液分离操作的连续蒸馏过程。在高真空度条件下，由于分子蒸馏器的加热面和冷凝面之间距离小于或等于被分离物料的分子平均自由程，当分子从加热面上形成的液膜表面上进行蒸发时，分子间相互发生碰撞，无阻拦地向冷凝面运动并在冷凝面上冷凝，从而达到分离目的。,分子蒸馏
