华北理工水质工程学教案25第八章苦咸水淡化与除盐8-3电渗析法除盐与淡化

课程名称：《水质工程学I》第周，第25讲次摘要授课题目）章、节）§8-3电渗析法淡化与除盐【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。【重点】【难点】内容【本讲课程的引入】【本讲课程的内容】§8-3电渗析法淡化与除盐膜分离法：反渗透，超滤和渗析法的统称。这几种方法的特点：都是利用物质的可选择透过性的膜。各种膜分离法的分离对象推动力。渗透——膜能使溶剂（水）透过的现象称为渗透。渗析——膜能使溶质透过的现象称为渗析。一、离子交换膜及其作用机理：（一）离子交换膜：分类：阳膜：用阳离子交换树脂制成，只准阳离子通过。按选择透过性分：阴膜：用阴离子交换树脂制成，只准阴离子通过。异相膜：用粘合剂（或膜材料）与树脂粘合成膜并加入衬网面制成，两相不均匀。特点：价低，机械强度好，适水性大，但膜电阻大，耐热性差。按结构分类：均相膜：树脂与成膜材料均匀。特点：与异相膜相反。半均相膜：按抗腐蚀分类：普通膜：抗氯膜：1、选择透过率：离子在溶液中与在交换膜中迁移数量不相同，在理想情况下，在膜中迁移比例应等于1，但实际上达不到1。阳膜对阳离子的选择透过率（P+）：%1001tttP公式:通电时阳离子所迁移的电量（实测电量）与所有离子迁移总电量（理论量）之比值。t+——阳离子在溶液中的迁移数。t——阳离子在膜内的迁移数（理想膜，t应为1）分子为：实际膜条件下，阳离子在阳膜内与在溶液中的迁移数之差。分母为：理想条件下阳离子在阳膜内与在溶液中的迁移数之差。P+越大，越接近1，膜性能越好。2、膜电阻：电阻率×膜厚，单位：Ω·cm2（测定）（二）离子交换膜的作用机理：膜的主要性能：离子的选择透过性，作用机理为道南（唐南Donnan）平衡理论。Z离子不可透过膜，Na+；Cl－可自由透过膜。NaZ膜NaCl（1）膜（2）Z-(C1)Na+(C1)Cl-(C2)Na+(C2)初始平衡状态当体系处平衡时，膜两侧的Na+和Cl-浓度的乘积,即扩散速率必须相等:2211ClNaClNaZ-(C1)Na(C1+x)Cl-(x)Cl-(C2-x)Na+(C2-x)1室2室据电中性法则：111ZClNa22ClaN则：2211ClClNa将浓度代入:21222CCCx平衡态膜两侧[Cl-]比值:22121222122221222CCCCCCCCCCxxCClCl211221CCClClCC时当当1室Na+Z-浓度非常大时，x→0，2室中的Cl-几乎不能透过膜来。我们把交换膜的溶液界面看成半透膜，固定于离子交换膜的活动基团（如树脂上的-SO4--…）相当于Z-可交换离子为Na+，当膜含有相当多的活性基团时，溶液中的Cl-几乎不进入膜内，也即膜对离子具有选择透过性。若增大C2，进入膜的Cl-也随着增加，→膜的选择透过性相应降低。阴离子交换膜的原理也相同。二、电渗析原理及过程22222122212xxCCxxCxCxxC（一）原理：在电场力的作用下，使阴、阳离子作相反的一定向移动，利用阴阳离子交换膜对阴阳离子的选择透过性，使阴阳离子在浓室中浓度升高，淡室中浓度降低，来制取淡水。（二）电渗析的过程：通电后：水中的阴离子向阳极方向移动，阳离子向阴极方向移动。阴膜可选择适过阴离子而阳离子不能通过；阳膜可选择适过阳离子而阴离子不能通过。极室中的反应：（1）阴极室进行还原反应：2H++2e→H2↑形成了：Na(OH)、NaCl碱性溶液。并形成：Mg(OH)2、CaCO3沉积于电极上。（水垢）（2）阳极室进行氧化反应：4OH--4e→O2↑+2H2O2Cl--2e→Cl2↑形成了：HCl；NaCl酸性溶液。（三）耗电：1、极室反应耗电。2、电流通过溶液和膜时的电阻耗能。三、电渗析的构造与组装：（一）构造：部件：压板，电极托板，电极，极框，阴、阳膜，浓、淡水隔板等，整个结构分为膜堆、极区，紧固装量三大部分。1、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。由许多膜对叠到一起构成膜堆。隔板作用：隔开阴、阳膜，板上设有配水孔，布水槽，流水道及搅动水流的隔网等。由于隔板与进出水的不同，浓、淡水室相连接，其分别相应地分为淡室和浓室。隔板材料：聚氯乙烯、聚丙烯、合成橡胶。隔网形式：鱼鳞、编织、冲膜式网。流水道：有回路式：流程长，流速高，电流效率高，一次除盐效果好。适用：流量小，除盐率高场合。无回路式：流程短，流速低，要求隔网搅动（搅动，水流冲动网，网使水流紊动）作用强，及水流分布均匀。适用：流量大，除盐率低场合。2、极区：接直流电流的电极板，设有原水进口，淡水，浓水出口及极室水的通路。组成：电极，极框，电极托板，橡胶垫板等。极框作用：防止膜贴到电极上，保证极室水流畅，及时排掉电极的反应产物。常用电极：石墨、钛涂钌、铅、不锈钢等。3、紧固装置：包括：两端压板和紧固螺栓，把膜堆均匀夹紧，使其不漏水。4、其它设备：整流器、水泵、转子流量计等。（二）、电渗析的组装：级——一对电极之间的膜堆为一级。段——具有同向水流的并联膜堆为一段。一级一段组装方式：多级一段一级多段多级多段四、电流效率与极限电流密度（一）电流效率：实际除盐量与理论除盐量之比：η1、实际除盐量：m1（克）gMtCCqmB1000211q——一个淡水室的出水量（l/s）C1；C2——（淡水室）进出水含盐量mmol/lt——通电时间sMB——物质的摩尔质量g/mol2、理论除盐量：m（g）FItMmBI——电流，AF——法拉第常数,96500C（库仑）/mol3、电流效率：η%1001000)(211IFCCqmmη与膜对数无关，膜对数与电压成正增长。4、电能效率：与电流效率不同，是衡量电能利用程度的指标。实际耗电量理论耗电量电能效率目前：电渗析的电能效率很低。（二）极限电流密度：1、电流密度：单位膜面积通过的电流强度称为电流密度i。2、膜界面极化现象：以阳膜淡水室一侧为例：过大的电流密度会导致阳膜淡室侧膜表面的离子浓度低到接近于零。要保持电流通过，则在界面层中由水离解为H+和OH-，使之传递电流，这种现象称为极化现象，它主要发生在阳膜的淡室一侧。同时产生的另一种膜界面现象是水离解出的OH-在电场力的作用下迁移过阴膜，造成阴膜浓室一侧PH上升。产生沉淀反应。OHCaCOHCOOHCaOHMgOHMg233222)(2（1）膜内迁移量：tFii——电流密度，F——法拉第常数。t——阳离子进膜内迁移数。膜内迁移量，相当于单位时间，单位面积所迁移的物质的量。（2）溶液中的迁移量：tFit+——阳离子进溶液中的迁移数，由于tFi＞tFi造成C’；C浓度差。据菲克扩散定律：扩散物质的通量φ为：1000)(CCDmmol/cm2·sD——扩散系数cm2/sC’；C——界面层两侧物质的量浓度mmol/lδ——边界层厚cm（3）当处于稳定状态时:tFitFi即1000CCDttFii——电流密度，mA./cm2当i增大时，C’下降，i达某一值时，C’=0当i继续增大时，水H2O产生电离，H+、OH-传递电流。这种现象——水的极化现象，也称浓差极化。（4）极限电流密度：ilim(C'=0时的i)1000CttFDilimδ——界面膜厚度与水流有关。nvkv——水的流速，厘米/sn——是变量与温度有关，n=0.3~0.9与隔网形成的水紊动有关。k——系数，与隔板形式及厚度等因素有关。代入原式中：nlimCvkttFDi1000C——浓度，水在流道中流动，C逐渐降低，变化规律：沿流向按指数关系分布，C采用对数平均值。21213.2CClgCCCC1、C2—淡室进出水浓度mmol/l令：kttFDK1000nKCvilimK——称为水力特性系数，主要与膜的性能，隔板形式与厚度、隔网形式，水的离子组成，水温等有关。K和n可由实验确定。（5）极限电流密度的测定：电压——电流法，电压——流速法，PH——电流法，极谱法，激光干涉法等。常用：电压——电流法。步骤：1）在进水浓度稳定的条件下，固定浓、淡水的水流和进口压力。2）测定电压——电流，相关数据组。3）建立膜对电压——电流密度曲线。4）求极限电流强度：ilim由曲线两端等实验点作两直线交于P点，过P点引垂线，即得到ilim和相应膜对电压VP。许多流速下重复上述实验，可得许多ilim和相应的淡室对数平均离子浓度C值，再用图解法可确定K值和n值。五、极化和沉淀我们谈到了极化，当电流超过ilim时，1、水极化产生H+和OH-（阳膜淡室侧）而在阴膜的浓室侧则出现沉淀。OHCaCOHCOOHCaOHMgOHMg233222)(22、危害：增加膜电阻，增加消耗电能，使膜的有效面积缩小。3、防除垢措施：（1）控制操作电流，防极化，减缓生成水垢。（2）定期倒换电极，但浓淡室也相应倒换。（3）定期酸洗：用1～1.5%盐酸溶液清洗，酸洗周期1周～1月一次。六、电渗析工艺设计与计算（一）电渗析的总流程长度的计算：（进出口长度）隔板厚度d（cm），流道宽b（cm），流道长l（cm）膜有效面积为blcm2平均电流密度i：21000cmmAblIiI——电表所示电流量，一个淡室的流量：qSLdbvq1000v——流速cm/s电流效率公式：（已学）IFCCq100021将q、I代入10001000)(100021iblFCCdbv极化时电流强度ilim=KCvn代入得：极限电流密度工况下的脱盐流程长度：llimcmCCKvFdlnlim211lg10003.2电渗析并联膜对数:np)(278对dbvQnpQ——淡水产量m3/h278——换算系数实际工程中：可据淡水产量，及处理要求选用定型产品并确定台数，及串并联组合方式。串联——提高水质，并联——增加产水量。（二）设计参数的初步确定：1、脱盐率：取决于隔板厚度，流程长度，流速及电流密度，某一类隔板，均有多种规格。表介绍了无回路网式聚丙烯隔板，在流速6cm/s，进水盐量2000mg/lNaCl。25℃时的单段除盐率。手册上还有许多，供设计者初选。2、操作压力：均可由说明书取得（试验确定）无回路网式操作压力一般选用0.2MPa，不超过0.3MPa。3、流速：取4～10cm/s（无回路网式）4、每段膜对数：每段膜对数不超200对，每台电渗析器的膜总对数适宜在400对以下。5、电渗析适宜水质：原水：含盐量500～4000mg/l。当含盐量大于4000mg/l应与反渗透法进行技术经济比较。电渗析法：难去除胶体硅和有机物。出水含盐量不低于10～15mg/l。七、电渗析技术的新发展1、频繁倒极：每小时3～4次，目的：清除，防止结垢，有争议。2、浓水加盐酸（少量）循环，以提高水的利用率。3、高温电渗析：70～75℃热水，电渗折电耗下降对膜要求耐高温。4、不解体清洗：用化学清洗液除膜附着物（软垢）5、与其它技术联合组成除盐工艺。【本讲课程的小结】【本讲课程的作业】P题；