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1、 第九章 膜 法 第一节 概 论 第一节 电渗析 第一节 反渗析 第一节 超滤第一节第一节 概概 述述 膜分离法膜分离法是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性是利用特殊的薄膜对液体中的某些成分进行选择性透过的方法的统称。常用的膜分离方法有电渗析、反渗透、超滤透过的方法的统称。常用的膜分离方法有电渗析、反渗透、超滤，其次是自然渗析和液膜技术，其次是自然渗析和液膜技术 膜分离技术有以下共同特点：膜分离技术有以下共同特点： 膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高。例如在膜分离过程不发生相变，因此能量转化的效率高。例如在现在的各种海水淡化方法中，反渗透法能耗最低。现在的各种海水淡化方法中，反
2、渗透法能耗最低。 膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，膜分离过程在常温下进行，因而特别适于对热敏性物料，如对果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩。如对果汁、酶、药物等的分离、分级和浓缩。 装置简单，操作容易，易控制、维修，且分离效率高。作装置简单，操作容易，易控制、维修，且分离效率高。作为一种新型的水处理方法，与常规水处理方法相比，具有占地面为一种新型的水处理方法，与常规水处理方法相比，具有占地面积小、适用范围广、处理效率高等特点积小、适用范围广、处理效率高等特点。 ReturnReturn 第二节 电渗析 电渗析的原理与过程电渗析的原理与过程 交换离子膜交换离子膜 电渗析器的构造
3、电渗析器的构造 电渗析的操作控制电渗析的操作控制 电渗析除盐的设计计算电渗析除盐的设计计算 电渗析法在废水处理中的应用电渗析法在废水处理中的应用 2.工作过程 主要过程主要过程 离子电迁移和电极反应：当原水进入这些小室时，在直流电场的离子电迁移和电极反应：当原水进入这些小室时，在直流电场的作用下，溶液中的离子作定向迁移。阳离子向阴极迁移，阴离子作用下，溶液中的离子作定向迁移。阳离子向阴极迁移，阴离子向阳极迁移。向阳极迁移。 次要过程次要过程 （1 1）反离子的迁移）反离子的迁移 有少量与离子交换膜解离离子电荷相反的有少量与离子交换膜解离离子电荷相反的离子透过膜，即阴离子透过阳膜，阳离子透过阴膜
4、。离子透过膜，即阴离子透过阳膜，阳离子透过阴膜。 （2 2）电解质浓差扩散）电解质浓差扩散 由于膜两侧溶液浓度不同，在浓度差作由于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，扩散速度随浓度差的增高而增用下，电解质由浓室向淡室扩散，扩散速度随浓度差的增高而增长。长。 ReturnReturn （3 3）水的渗透）水的渗透 由于浓、淡水室存在浓度差，由于浓、淡水室存在浓度差， 又是由半透膜隔开，在水的渗透压作用又是由半透膜隔开，在水的渗透压作用 下，水由淡水室向浓水室渗透。下，水由淡水室向浓水室渗透。 （4 4）水的电渗透）水的电渗透 溶液中离子实际上都是以水合离子形溶液中离子实际
5、上都是以水合离子形 式存在，在其电迁移过程中必然携带一定数量的水式存在，在其电迁移过程中必然携带一定数量的水 分子迁移，这就是水的电渗透。分子迁移，这就是水的电渗透。 （5 5）水的压渗）水的压渗 当浓室和淡室存在着压力差时，溶当浓室和淡室存在着压力差时，溶 液由压力高的一侧向压力低的一侧渗漏。液由压力高的一侧向压力低的一侧渗漏。 （6 6）水的电离）水的电离 在不利的操作条件下，由于电流密在不利的操作条件下，由于电流密 度与液体流速不匹配，电解质离子未能及时地度与液体流速不匹配，电解质离子未能及时地 补充到膜的表面，而造成膜淡水侧发生电离，补充到膜的表面，而造成膜淡水侧发生电离， 生成生成H
6、 H+ +和和OHOH- -离子，以补充淡水侧离子不足。离子，以补充淡水侧离子不足。 离子交换膜 离子交换膜的分类 离子交换膜性能 离子交换膜选择透过性机理离子交换膜的分类离子交换膜的分类 （1 1）按膜体结构分类）按膜体结构分类 a a异相膜异相膜 b b半均相膜半均相膜 c c均相膜均相膜 （2 2）按活性基团分类）按活性基团分类 a a阳离子交换膜阳离子交换膜 b. b.阴离子交换膜阴离子交换膜 c c特种膜特种膜 （3 3）按材料性质分类）按材料性质分类 a. a.有机离子交换膜有机离子交换膜 b. b.无机离子交换膜无机离子交换膜 ReturnReturn离子交换膜的性能离子交换膜的
7、性能1.1.交换容量交换容量 膜的交换容量是表示在一定量的膜样品中所含膜的交换容量是表示在一定量的膜样品中所含活性基团数，通常以单位面积、单位体积或单位干重膜所活性基团数，通常以单位面积、单位体积或单位干重膜所含的可交换离子的毫克当量数表示。一般膜的交换容量约含的可交换离子的毫克当量数表示。一般膜的交换容量约为为1 13 3毫克当量毫克当量/ /克（干膜）。克（干膜）。2.2.含水量含水量 它表示湿膜中所含水的百分数（可以单位重量干它表示湿膜中所含水的百分数（可以单位重量干膜或湿膜计）。离子交换膜的含水量一般为膜或湿膜计）。离子交换膜的含水量一般为30305050。3.3.破裂强度破裂强度 破
8、裂强度是衡量膜的机械强度的重要指标之一破裂强度是衡量膜的机械强度的重要指标之一。表示膜在实际应用时所能承受的垂直方向最大压力。表示膜在实际应用时所能承受的垂直方向最大压力。4.4.厚度厚度 膜厚度与膜电阻和机械强度有关。一般异相膜的厚膜厚度与膜电阻和机械强度有关。一般异相膜的厚度约度约1mm1mm，均相膜的厚度约，均相膜的厚度约0.20.20.6mm0.6mm，最薄的为，最薄的为0.015mm0.015mm。5.5.导电性导电性 完全干燥的膜几乎是不导电的，含水的膜才能导完全干燥的膜几乎是不导电的，含水的膜才能导电。膜的导电性可用电阻率、电导率或面电阻来表示，面电。膜的导电性可用电阻率、电导率
9、或面电阻来表示，面电阻表示单位膜面积的电阻（电阻表示单位膜面积的电阻（cm-2cm-2）。）。6.6.选择透过性选择透过性 离子选择透过性的优劣往往用离子在膜中的迁离子选择透过性的优劣往往用离子在膜中的迁移数和膜的选择透过度来表示。移数和膜的选择透过度来表示。阳膜对阳离子的选择透过性阳膜对阳离子的选择透过性阴膜对阴离子的选择透过性阴膜对阴离子的选择透过性ReturnReturn离子交换膜的选择性透过机理离子交换膜的选择性透过机理 1.双电层理论 在固定基团和进入溶液中的解离离子之间在固定基团和进入溶液中的解离离子之间，由于存在着静电引力，固定基团力图将解离离子吸引到，由于存在着静电引力，固定基
10、团力图将解离离子吸引到近旁，但热运动又使解离离子均匀分布到整个溶液中去，近旁，但热运动又使解离离子均匀分布到整个溶液中去，这种互相矛盾着的力的作用结果，在膜这种互相矛盾着的力的作用结果，在膜- -溶液界面上形成带溶液界面上形成带相反电荷的双电层。此时这些带电的定基团会对膜外溶液相反电荷的双电层。此时这些带电的定基团会对膜外溶液中带相反电荷的离子因异性相吸使之向膜运动，并在外加中带相反电荷的离子因异性相吸使之向膜运动，并在外加电场力的作用下继续运动直至穿过膜，而溶液中与固定基电场力的作用下继续运动直至穿过膜，而溶液中与固定基团电荷相同的离子则因同性相斥而不能靠近和穿过膜，从团电荷相同的离子则因同
11、性相斥而不能靠近和穿过膜，从而实现了离子的选择性透过。而实现了离子的选择性透过。 2.Donnan2.Donnan膜平衡理论膜平衡理论 Donnan膜平衡理论是解释离子交换树脂与电解质溶液间的平衡问题的。对离子交换膜来说。它只是离子交换树脂的一种特殊应用。当离子交换膜浸入电解质溶液时，电解质溶液中的离子和膜内的离子会发生交换作用，最终达到动态平衡。ReturnReturn电渗析器的构造电渗析器的构造1. 构造 膜堆：一对阴阳膜和一对浓淡水隔板交替排列，组成最基本的脱盐单元，称为膜对。一对电极之间若干膜对组成膜堆。 极区：电极、极框、电极托板、橡胶垫板。 紧固装置：压杆、螺杆紧固。 配套设备：整
12、流器、水泵、转子流量计等。 (1)离子交换膜 有关膜的内容前面已有介绍，这里只强调组装前对膜的处理。首先将膜放在操作溶液中浸泡2448小时，使之与膜外溶液平衡，然后剪裁打孔。膜的尺寸大小比隔板周边小1 mm，应比隔板水孔大1 mm。电渗析停运时，应在电渗析器中充满溶液，以防膜发霉变质，或膜因干燥收缩变形甚至破裂。 （2 2）隔板）隔板 隔板放在阳、阴膜之间，其作用一是作为膜的支撑体隔板放在阳、阴膜之间，其作用一是作为膜的支撑体，使两层膜之间保持一段距离；二是作为水流通道，使两，使两层膜之间保持一段距离；二是作为水流通道，使两层膜之间的流体均匀分布，同时依靠水流的涡动作用，减层膜之间的流体均匀分
13、布，同时依靠水流的涡动作用，减薄膜表面的滞流层，以提高净化效果和减少耗电量。隔板薄膜表面的滞流层，以提高净化效果和减少耗电量。隔板上有进出水孔、配水槽及过水道，其结构如图上有进出水孔、配水槽及过水道，其结构如图9-39-3所示。所示。为了支撑膜和加强搅拌作用，使液体产生紊流，在大部分为了支撑膜和加强搅拌作用，使液体产生紊流，在大部分隔板的流道中，均粘贴或热压上一定形式的隔网。隔板的流道中，均粘贴或热压上一定形式的隔网。 (3)(3)电极电极 电极设在膜堆两端，连接直流电源，作为电渗析的推电极设在膜堆两端，连接直流电源，作为电渗析的推动力，通过直流电时，在电极上会发生电极反应，要求电动力，通过直
14、流电时，在电极上会发生电极反应，要求电极耐腐蚀、导电性能和机械性能好。石墨、炭板和许多金极耐腐蚀、导电性能和机械性能好。石墨、炭板和许多金属导体如铂、铜、铅、铁、钛等，都可以作为电极材料。属导体如铂、铜、铅、铁、钛等，都可以作为电极材料。常用铅板或石墨作阳极，不锈钢作阴极。常用铅板或石墨作阳极，不锈钢作阴极。(4)(4)夹紧装置夹紧装置 其作用是把圾区和膜堆组成不漏水的电渗析器整体。其作用是把圾区和膜堆组成不漏水的电渗析器整体。可采用压板和螺栓拉紧，也可采用液压压紧。可采用压板和螺栓拉紧，也可采用液压压紧。电渗析器的组成电渗析器的组成 将阴、阳离子交换膜和隔板交替排列、再配上阴、阳极就将阴、阳
15、离子交换膜和隔板交替排列、再配上阴、阳极就构成了电渗析器。其组装示意如图构成了电渗析器。其组装示意如图9-49-4所示。所示。 电渗析器的组装方式有几种，如图电渗析器的组装方式有几种，如图9-59-5所示。所示。 Return Return 电渗析的操作控制电渗析的操作控制电能消耗分析电流密度控制 1. 浓差极化 2. 极限电流密度流速与压力确定 电能消耗分析 电渗析过程，主要消耗的是电能，因此，耗电量的大电渗析过程，主要消耗的是电能，因此，耗电量的大小，不但直接地影响到处理成本，也在一定程度上反映了小，不但直接地影响到处理成本，也在一定程度上反映了操作技术水平。单位体积成品水的电能消耗按下式
16、计算：操作技术水平。单位体积成品水的电能消耗按下式计算：(kWh/m3) (9-3)式中式中 V V工作电压，工作电压，V V； I I工作电流，工作电流，A A； QdQd淡水产量，淡水产量，m3m3h h。 电渗析器的工作电压电渗析器的工作电压V V可分解为下式中的几个部分：可分解为下式中的几个部分： (9-4)(9-4) 电流密度控制电流密度控制1.1.浓差极化浓差极化 在电渗析操作中，如采用的电流密度在电渗析操作中，如采用的电流密度( (即每单即每单位面积膜通过的电流位面积膜通过的电流) )过大，会产生浓差极化现象，如图过大，会产生浓差极化现象，如图9 9-6-6所示。所示。 在电渗析中，电流的传导在电渗析中，电流的传导是靠阴、阳离子的定向迁移来是靠阴、阳离子的定向迁移来完成的。离子的迁移会导致膜完成的。离子的迁移会导致膜两侧产生浓度梯度。如果电流两侧产生浓度梯度。如果电流提高到相当程度，可能会在淡提高到相当程度，可能会在淡水侧的边界层中发生水分子的水侧的边界层中发生水分子的电离，产生电离，产生H+H+和和OH-OH-，参与传，参与传导电流，以补充离子的不足，导电流，以补充离子
