電滲析運行原理技術(shù)說明

　電滲析——是在直流電場作用下利用離子交換膜的透過選擇性，把電解質(zhì)從水中分離出來的過程。

一、基本原理和特點 　

　電滲析器中交替排列著許多陽膜和陰膜，分隔成小水室。當(dāng)原水進(jìn)入這些小室時，在直流電場的作用下，溶液中的離子就作定向遷移。陽膜只允許陽離子通過而把陰離子截留下來；網(wǎng)膜只允許陰離子通過而把陽離子截留下來。結(jié)果佼這些小室的一部分變成含離子很少的淡水室，出水稱為淡水。而與淡水室相鄰的小室則變成聚集大量離子的濃水室，出水稱為濃水。從而使離子得到了分離和濃縮，水便得到了凈化。

　電滲析和離子交換相比，有以下異同點：

　　(1)分離離子的工作介質(zhì)雖均為離子交換樹脂，但前者是呈片狀的薄膜，后者則為圓球形的顆粒；

  (2)從作用機(jī)理來說，離子交換屬于 離子轉(zhuǎn)移置換，離子交換樹脂在過程中發(fā)生離子交換反應(yīng)。而電滲析屬于離子截留置換，離子交換膜在過程中起離子選擇透過和截阻作用。所以更精確地說，應(yīng)該把離子交換膜稱為離子選擇性透過膜；

(3)電滲析的工作介質(zhì)不需要再生，但消耗電能；而離子交換的工作介質(zhì)必須再生，但不消耗電能。 　　電滲析法處理廢水的特點是；不需要消耗化學(xué)藥品，設(shè)備簡單，操作方便。 　

　二、電潛橋膜(離于交換膜)

電滲析膜——與離子交換樹脂具有相同化學(xué)結(jié)構(gòu)的有機(jī)高分子聚合物為骨架。與一定數(shù)量的交聯(lián)劑通過橫鍵架橋作用構(gòu)成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的樹脂膜。

　　(1)　離子交換膜的分類? 按活性基團(tuán)的不同分為陽離子交換膜、陰離于交換膜和特殊離子交換膜(也可按膜結(jié)構(gòu)分類)。

　　1)陽離子交換膜：指能離解出陽離子的離子文換膜，或者說在膜結(jié)構(gòu)中合有酸性活性基團(tuán)的膜。它能選擇性地透過陽離子，而不讓陰院子透過。這些酸性基團(tuán)按離解能力的 強(qiáng)弱可分為：強(qiáng)酸性，如磺酸型(-SO3H)；中強(qiáng)酸性，如磷酸型(-OPO3H2)、磷酸型（-PO3H2）；弱酸性，如羧酸型（-COOH），酚型（ ）。 　　

2)陰離子交換膜：指能離解出陰離子的離子交換膜，或者說在膜結(jié)構(gòu)中合堿性活性基團(tuán)的膜。它能選擇性透過陰離子，而不讓陽離子透過。這些堿性基團(tuán)按離解能力的強(qiáng)弱可分為：強(qiáng)堿性，如季銨型[-N(CH3)3OH]；弱堿性，如伯胺型(-NH2)、仲胺型(-NHR)、叔胺型(-NR2)。 　

3)特殊離子交換膜(復(fù)合膜)：這種膜由一張陽膜和一張陰膜復(fù)合而成。兩層之間可以隔一層網(wǎng)布（如尼龍布等)，也可以直接粘貼在一起。工作時，陰膜對陽極，陽膜對陰極。由于膜外的離子無法進(jìn)入膜內(nèi)，致使膜間的水分子被電離，H+離子透過陽膜，趨向陰極；O～H-離子透過陰膜，趨向陽極，以此完成傳輸電流的任務(wù)。另外，在廢水處理中，還可以利用復(fù)合膜產(chǎn)生的H+或OH-離子，與廢水中的其它離子結(jié)合，來制取某些產(chǎn)品。

　　根據(jù)膜體結(jié)構(gòu)(或按制造工藝)的不同，離子交換膜分為異相膜、均相膜和半均相膜三種。

　　(2)　離子交換膜的性能

1)膜的選擇透過性　　由膜的性質(zhì)決定，又取決于孔隙度。膜中離子選擇透過性，用選擇透過率表示。

2）膜的導(dǎo)電性

反映離子在膜內(nèi)遷移速度的大小，共有三個影響參數(shù)

①電阻率（Ω·cm） ②電導(dǎo)率（Ω-1·cm-1）

③截面電阻（Ω·cm2）

3) 膜的交換容量

單位重量膜中所含活性基團(tuán)的數(shù)量以每克干膜所含可交換離子的毫摩爾數(shù)來表示（一般為1.5～3毫摩爾/克）。

4）膜的溶脹率和含水率以每克膜所含水的重量百分?jǐn)?shù)來表示。

5）膜的化學(xué)穩(wěn)定性

要求能抵抗酸、堿、抗氧化還原性、抗生物降解。

6）膜的機(jī)械強(qiáng)度

要求具有一定的抗拉強(qiáng)度——膜在受到平行方向的拉力時所能承受的壓力（kg/cm2）

爆破強(qiáng)度——膜在受到垂直方向壓力時所能承受的壓力（kg/cm2），一般>5 kg/cm2

　　(3)　離子交換膜的性能要求? 1)選擇透過性高，要求在95%以上；2)導(dǎo)電性好，要求其導(dǎo)電能力應(yīng)大于溶液的導(dǎo)電能力；3)交換容量大；4)溶脹率和含水率適量：5)化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)；6)機(jī)械強(qiáng)度大。?

三、電滲析器?

　　利用電滲析原理進(jìn)行脫鹽或處理廢水的裝置，稱為電滲析器。

  (1)電滲析器的構(gòu)造它由膜堆、極區(qū)和壓緊裝置三大部分構(gòu)成。 　

　1)膜堆：其結(jié)構(gòu)單元包括陽膜、隔板、陰膜，一個結(jié)構(gòu)單元也叫一個膜對。一臺電滲析器由許多膜對組成，這些膜對總稱為膜堆。隔板常用l～2mm的硬聚氯乙烯板制成，板上開有配水孔、布水槽、流水道、集水槽和集水孔。隔板的作用是使兩層膜間形成水室，構(gòu)成流水通道，并起配水和集水的作用。

　　2)極區(qū)：極區(qū)的主要作用是給電滲析器供給直流電，將原水導(dǎo)入膜堆的配水孔，將淡水和濃水排出電滲析器，并通入和排出極水。極區(qū)由托板、電極、極框和彈性墊板組成。電極托板的作用是加固極板和安裝進(jìn)出水接管，常用厚的硬聚氯乙烯板制成。電極的作用是接通內(nèi)外電路，在電滲析器內(nèi)造成均勻的直流電場。陽極常用石墨、鉛、鐵絲涂釘?shù)炔牧?；陰極可用不銹鋼等材料制成。極框用來在極板和膜堆之間保持一定的距離，構(gòu)成極室，也是極水的通道。極框常用厚5～7mm的粗網(wǎng)多水道式塑料板制成。墊板起防止漏水和調(diào)整厚度不均的作用，常用橡膠或軟聚氯乙烯板制成。

　　3)壓緊裝置：其作用是把極區(qū)和膜堆組成不漏水的電滲析器整體?？刹捎脡喊搴吐菟ɡo，也可采用液壓壓緊。

　　(2)　電滲析器的組裝?? 電滲析器的基本組裝形式如圖17-4所示。在實踐電通常用"級"、"段"和"系列"等術(shù)語來區(qū)別各種組裝形式。電滲析器內(nèi)電極對的數(shù)目稱為"級"，凡是設(shè)置一對電極的叫做一級，兩對電極的叫二級，依此類推。電滲析器內(nèi)，進(jìn)水和出水方向一致的膜堆部分稱為"一段"，凡是水流方向每改變一次， "段"的數(shù)目就增加l。?

  　四、電滲析的工藝技術(shù)問題和指標(biāo)?

　　(1)　極化現(xiàn)象和極限電流密度? 如圖17-5所示，電滲析過程中，在陰離子交換膜或陽離子交換膜的淡水一側(cè)，由于離子在膜中的遷移數(shù)大于在溶液中的遷移數(shù)，就使得膜和溶液界面處的離子濃度C1小于溶液相中的離子濃度Cl。同樣，在陰膜或陽膜的濃水一側(cè)，從膜中遷移出來的由于離子量大于溶液中的離子遷移數(shù)，就使得相界面處的由于濃度C2大于溶液相中的離子濃度C2。這樣，在膜的兩側(cè)都產(chǎn)生了濃度差值。顯然，通入的電流強(qiáng)度越大，離子遷移的速度越快，濃度差值也就越大。如果電流提高到相當(dāng)程度，將會出現(xiàn)C2值趨于零的情況，這時在淡水側(cè)就會發(fā)生水分子的電離(H2O→H+十OH-)，由H+離子和OH-離子的遷移來補(bǔ)充傳遞電流，這種現(xiàn)象稱為極化現(xiàn)象。

C`1 < C1 ， C`1 ≈ 0 產(chǎn)生極化 .

C`2 > C2 ， OH- 在陰膜一側(cè)富集產(chǎn)生M（OH）m沉淀產(chǎn)生結(jié)圬。離子遷移受阻。

　　極化現(xiàn)象出現(xiàn)的結(jié)果，在陰膜濃水-側(cè)，由于OH-離子富集起來，水的pH值增大，便產(chǎn)生氫氧化物沉淀，造成膜面附近結(jié)垢；另外，在陽膜的濃水一側(cè)，由于膜表面處的離子濃度 比C2大得多，也容易造成膜面附近結(jié)垢。結(jié)垢的結(jié)果必然導(dǎo)致電流效率的降低，膜的有效面積減小，壽命縮短，影響電滲析過程的正常進(jìn)行。

　　防止極化有效的方法是控制電滲析器在極限電流密度以下運行。另外，定期進(jìn)行倒換電極運行，將膜上積聚的沉淀溶解下來。

　　單位時間單位膜面積上通過的電流，稱為電流密度。使膜界面層中產(chǎn)生極化現(xiàn)象時的電流密度，稱為極限電流密度( )，其理論值為：

　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(17-1)

式中

C —界面層外溶液中的離子濃度；　　　

D —擴(kuò)散系數(shù)；　　

F —法拉第常數(shù)；

E —反離子在交換膜內(nèi)的遷移數(shù)；?

t —反離子在溶液中的遷移數(shù)；

δ—界面層厚度。

　　(2)　電流效率從廢水溶液中除去一定量鹽類物質(zhì)時，理論上需要的電量與實際消耗的電量的比值，稱為電流效率。它是衡量電滲析器電流利用率的指標(biāo)。

　　(3)　電壓消耗及工作電壓電滲析器需要的電壓越高，電耗就越大。電滲析器的工作電壓廠可分解為下式中的幾個部分：

　　　 （17-2)

式中　　 Ed —電極反應(yīng)所需的電勢，V； 　

　　　 Em —克服膜電位所需的電壓，V；

　　　　I —工作電流，A；

　　　　Rj—接觸電阻，Ω；

　　　　Rm—膜電阻，Ω；

　　　　Rs—水的電阻，Ω。

　　(4)電能消耗及電能效率電能消耗按下式計算：

式中　 V —工作電壓，V； 　

　　　　I —工作電流，A；

　　　 Qd—淡水產(chǎn)量，m3/h。

　　電能效率是屯滲析器電能利用率的指標(biāo)，它是理論電能消耗量與實際電能消耗量的比值。電滲析器的屯能效率一般在10%以下。為了提高電能效率就必須提高電流效率和電壓效率，其中提高電壓效率的關(guān)鍵在于降低電滲析器的總電阻。

　　五、電滲析的工藝計算

　　(1)　極限電流密度公式極限電流密度公式是在極化臨界條件下建立的。實用的極限電流密度 (mA/cm2)按下式(威爾遜公式)計算：

　　　(17-4)

式中 —淡水隔板中水流的線速度，cm/s；

　　　　Cm—淡水隔板中水的對數(shù)平均含鹽量，mol/L；

—流速系數(shù)； 　　　　　

　　　 K—水力特性系數(shù);?

　　　　n—化合價。

　　極限電流密度及系數(shù)尺和"的確定，通常采用電壓-電流法。該法是通過實驗，以測得的膜對電壓和相應(yīng)的電流密度，在直角坐標(biāo)紙上作出電壓-電流極化曲線(見圖17-6)。曲線內(nèi)三部分組成：OA和DE兩段為近似直線；ABCD段為曲線，稱為"極化過渡區(qū)"。OA與DE交于P，過P引垂線交曲線于C，此C點稱為"標(biāo)準(zhǔn)極化點"，C點所對應(yīng)的電流密度即為極限電流密度。在不同的進(jìn)水濃度或流速下，測得電滲析器的若干組 、C和 值，然后代入如下的威爾遜公式對數(shù)式，即可用圖解法(見圖17-7)或解方程法求出系數(shù)K和n。

　　　　　　　　　　　 　(17-5)

　　(2)　除鹽公式? 在極化臨界狀態(tài)下的除鹽公式如下：

　　　　　　　　 　(17-6)

式中　 C?！舭逯兴钠鹗己消}量，mol/L；

　　　C—淡水隔板中距起點X距離處水的合鹽量，mol/L；

　　　x—距起始點的除鹽流程長度，cm；

　     —電流效率； 　

　　 F—法拉第常數(shù)，等于96500n c/m, n為化合價：

　　　d—淡水隔板的厚度，cm。

　　除鹽公式(曲線見圖17-8)表明，當(dāng)?shù)舭逯械牧魉佟⒏舭辶鞒涕L度均相等并在極限臨界狀態(tài)下運轉(zhuǎn)時，電滲析各段流程的除鹽比是常數(shù)，即C/C。＝常數(shù)。根據(jù)此式，多段串聯(lián)的總除鹽率與單段除鹽率之間，存在如下關(guān)系：

　　　　　　　　　　 (17-7)

式中　   G — 總?cè)}率；

　　　g — 一段的除鹽率；

　　　m — 串聯(lián)的段數(shù)。

　　(3)　電流效率公式電滲析除鹽的電流效率為實際用于除鹽的電量與通人電滲析器的電量之比，即

　(17-8)

式中　   CR--淡水隔板中入口處水的含鹽量，mol/L；

　　　Cch--淡水隔板中出口處水的含鹽量，mol/L; 　

　　 L--淡水隔板的除鹽流程長度，cm；

　　 --電流密度，mA／cm2；

?　　　F、v、d與前式同?

　　(4)　濃度的對數(shù)平均值? 在實際應(yīng)用極限電流密度公式 時，由于在極限臨界狀態(tài)下淡水濃度沿流程的降低呈指數(shù)規(guī)律變化(見圖17-8)，因此應(yīng)按下式取對數(shù)平均值：

　　　　　　　　 ? (17-9)

　　六、電滲析法在廢水處理中的應(yīng)用 　　

   電滲析法早先用于海水淡化制取飲用水和工業(yè)用水，海水濃縮制取食鹽，以及與其它單元技術(shù)組合制取高純水，后來在廢水處理方面也得到較廣泛應(yīng)用。

　　入在廢水處理中，根據(jù)工藝特點電滲析操作有兩種類型：一種是由陽膜和陰膜交替排列而成的普通電滲析工藝，主要用來從廢水中單純分離污染物離子，或者把廢水中的污染物離子和非電解質(zhì)污染物分離開來，再用其它方法處理；另一種是由復(fù)合膜與陽膜構(gòu)成的特殊電滲析分窩工藝，利用復(fù)合膜中的極化反應(yīng)和極室中的電極反應(yīng)以產(chǎn)生H+離子和OH-離子，從廢水中制取酸和堿。

　　目前，電滲析法在廢水處理實踐中應(yīng)用普遍的有：1)處理堿法造紙廢液，從濃液中回收堿，從淡液中回收木質(zhì)索；2)從含金屬離子的廢水中分離和濃縮盈金屬離子，然后對濃縮液進(jìn)一步處理或回收利用：3)從放射性廢水中分離放射性元素；4)從芒硝廢液中制取硫酸和氫氧化鈉；5)從酸洗廢液中制取硫酸及沉積重金屬離子；6)處理電鍍廢水和廢液等，含Cu2+、Zn2+、Cr(Ⅳ)、Ni2+等金屬離子的廢水都適宜用電滲析法處理，共中應(yīng)用較廣泛的是從鍍鎳廢液中回收鎳，許多工廠實踐表明，用這種方法可以實現(xiàn)閉路循環(huán)。