电渗析技术ppt

1第三节电渗析法海水淡化技术.本节主要内容：一、概述二、电渗析过程原理三、基本理论四、电渗析过程中的传递现象五、浓差极化现象六、电渗析海水淡化的操作技术2一、概述1.发展概况萌芽于20世纪初，直到1940年才出现了具有实用价值的多隔室电渗析器。1950年w．Juda试制出具有高选择透过性能的阴离子交换膜和阳离子交换膜，从而奠定了电渗析技术的实用基础。1952年2月，美国首次将电渗析咸水淡化器的样机公开展出。同年，美围、英国均研制出实用的离子交换膜并于1954年正式用于淡化苦咸水制取饮用水和工业用水的生产实践。1959年苏联开始研究和推广应用电渗析技术。日本引进电渗析技术后，首先并且主要用于海水浓缩制盐。32.主要用途主要是咸水淡化，可将含盐量为6000mg／L的咸水淡化成含盐量为500mg/L的饮用水和工业用水。电渗析海水淡化站并不普遍，主要原因是海水的含盐量过高，消耗的电能大。1974年日本旭化成公司在山口县野岛建成一座电渗析海水淡化站，淡水产量为120m3/d。1977年美国高温电渗析开始在现场进行海水淡化试验，淡水产量为379m3/d。4发展前景电渗析有如下五个方面的特点：(1)耗电低，经济效益显著。实践证明将2000－5000mg/L的苦咸水淡化成500mg/L的淡水最经济；(2)系统应用灵活，操作维修方便。根据不同条件要求，可以灵活地采用不同形式的系统设计，并联可增加产水量，串联可提高脱盐率，循环或部分循环可缩短工艺流程。在运行过程中，控制电压、电流、浓度、流量、压力与温度几个主要参数，可保证稳定运行；(3)不污染环境；(4)使用寿命长。膜一般可用3—5年，电极可用7—8年，隔板可用15年左右；(5)原水回收率高；海水、高浓度苦咸水原水回收率可达60％以上。一般苦咸水回收率可达65％－80％。53.电渗析技术的发展特点采用电渗析法进行海水深度除盐，制取含盐量约为500mg/L的初级纯水。电渗析法和离子交换法联合应用，制取高纯度水。电渗析谈化水站向自动化、电子计算机控制的无人操作方向发展。为了降低海水淡化的能量消耗，研究高温电渗析和中温电渗析。研究利用太阳能加热海水和太阳能发电。此外，也利用风力发电机取得廉价电能。离子交换膜可称为电渗析器的心脏。研制各种性能的离子交换膜就可以扩展电渗析的应用领域。64.我国发展概况我国1957年开始研制离子交换膜。最早研制成功了牛皮纸膜和羊皮纸膜。1966年聚乙烯异相膜在上海化工厂投产。成为我国第一代具有实用性的商品膜，并且使用至今。年总产量已超过20万m2。我国第1台小型实用化的电渗析谈化器是在1964年由解放军海军医学科学研究所研制成功的。11969年在北京化工厂内建立了我国最早的工业用水淡化站。该站将地下水经电渗析和离子交换，制成化学试剂用的高纯度水。100m3／d以上，供水至今。可以认为1970年标志着我国电渗析技术进入了生产实用的成熟阶段。71978年郑州铁路局商丘电渗析淡化站建成投产。由地下苦咸水制取蒸汽机车锅炉用水。产水量为1200m3／d以上。1982年商丘西站建成电渗析淡化站，产水量为2400m3／d。1981年国家海洋局第二海洋研究所等单位，在我国西沙群岛的永兴岛上建立了我国规模最大的电渗析海水谈化站，将海水淡化成饮用水。产水量为200m3／d。我国电渗析器单台产淡水量可达50m3／d。制造电渗析淡化器的工厂有20多个。现有电渗析淡化器估计有5000多台。淡水产量在1000m3／d以上的电渗淡化站有数十个。8我国电渗析水质除盐技术在工业生产上得到了广泛的应用。电渗析主要用在如化工、医药、电力、电子、轻工、饮料、纺织、印染、锅炉、化学分析等。工业生产中大多以自来水为原水。利用电渗析可以直接制取除盐水。在需要纯水的场合，电渗析可以作为离子交换的预处理手段。无论采用哪种方式．电渗析除盐均可取得降低制水成本、减轻污染的效果。9电渗析适用范围用途除盐范围成品水的直流耗电量（KWh/m3）说明单位起始终止海水淡化含盐量mg/L3500050015—17规模较小时（如500m3/d以下）建设时间短，投资少，方便易行。苦咸水淡化含盐量mg/L50005001—5淡化到饮用水比较经济。深度除盐含盐量mg/L50010＜1将饮用水除盐到相当与蒸馏水的初级纯水比较经济。水的软化硬度，mg/L500＜20＜1在除盐过程中同时去除硬度。（以CaCO3计）纯水制取电阻率Ω，cm100×104＜5×1061—2采用树脂电渗析方法或采用电渗析—混合床离子交换工艺。废水的回收与利用含盐量mg/L50005001—5用于废水二级处理后的除盐。10在物理化学中，将溶质透过膜的观象称为“渗析”，将溶剂透过膜的现象称为“渗透”。对电解质的水溶液来说，溶质是离子，溶剂是水。在电场的作用下，溶液中的离子透过膜进行的迁移可以称为“电渗析”。电渗析是指在直流电场作用下，溶液中的荷电离子选择性地定向迁移透过离子交换膜并得以去除的一种膜分离技术（见下图）。二、电渗析过程原理11电渗析分离原理阴极阳极料液阳离子交换膜阴离子交换膜淡水盐水盐水12原理图示：咸水（Na+Cl-)阳极水浓缩水阴极水阳极水＋－阴阳Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-Na+Cl-电渗析的流程（1）电渗析器的构成：膜堆、极区和夹紧装置（2）电渗析器的组装方式1415膜法制碱原理图示：三室式：盐水精制ClNaNaClCl2H2NaOH阴阳+－16三、基本理论（1）.Sollner双电层理论以阳离子交换膜为例，当离子交换膜浸入电解质溶液中，膜中的活性基团在溶剂水的作用下发生解离产生反离子，并进入水溶液。膜上活性基团在电离后带有电荷，以致在膜表面附近，电解质溶液中带相反电荷（可交换）的离子形成双电层，如下页图所示。双电层的强弱与膜上荷电活性基团数量有关，膜-溶液界面离子分布及其相应化学电位与距离有关。17膜与溶液介面离子分布及相应化学位与距离的关系图示：电位距离＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－＋－＋－－＋－＋－＋18阳离子交换膜上固定基团能构成足够强烈的负电场，使膜外溶液中带正电荷离子极易迁移靠近膜并进入膜孔隙，而排斥带负电荷离子。如果膜上的活性基团少，则其静电吸引力也随之减少，对同电荷离子的排斥作用也减少，降低了对阳离子的选择透过性；如果膜外溶液浓度很大，则扩散双电层的厚度会变薄，一部分带负电荷的离子靠近阳膜的机会增大，并导致非选择性透过阳离子交换膜；对阴离子交换膜的情况恰好相反。由此可得电渗析的规律：19电渗析的规律：异性电荷相吸；膜中固定离子越多，吸引力越强，选择性越高；在电场作用下，溶液中的阳离子作定向连续迁移通过带负电的阳膜。20（2）Donnan平衡理论杜南平衡理论是讨论半透膜两侧离子分布不均的问题。若膜的一侧有一种离子R不能透过膜，而另一侧的离子都可以透过膜，则如上图所示（1）侧R不能透过膜，Na可透过，两离子浓度均为a；膜的（2）侧NaCl浓度为b.当平衡时，设有x浓度的Na离子自（2）侧进入（1）侧，为保持电中性，必有x浓度的Cl也进入（1）侧。Na+=aCl-=bR=aNa+=b(1)(2)Na+=a+xCl-=b-xCl-=xNa+=b-x(1)(2)开始时平衡时21达到平衡后，根据质量作用定律，截面两侧浓度积相等。[Na+]1[Cl-]1=[Na+]2[Cl-]2（a＋x)·x=(b－x)(b－x)解得：x＝b2/(a＋2b)则膜两侧离子浓度的比值：[Na+]1/[Na+]2＝[Cl-]2/[Cl-]1＝(b-x)/x＝（a+b)/b讨论：当ab时[Cl-]2/[Cl-]1＝（a+b)/b=a/b=∞即（2）侧的CI离子几乎不能进入（1）侧。当ab时[Cl-]2/[Cl-]1＝（a+b)/b=1即两侧Cl和Na离子浓度近似相等。离子交换膜的表面即相当于半透膜，上图相当于阳膜的作用机理。22结论：当膜的活性基团多，即a很大时，膜外的CI离子几乎不能进入阳膜，膜即具有了选择透过性。当膜外溶液浓度提高时，则进入阳膜的CI离子也增多。所以说选择透过性也不是百分之百的，而是随着溶液浓度的提高而下降。对于阴膜也有类似结果。其理论对选择透过性作了定性解释有些现象也不能很好解释。如：交换基团越多，选择透过性趆高，但实际高到一定量时选择性反会下降，所以说还需进一步完美。23四、电渗析过程中的传递现象在电渗析运行过程中传递现象比较复杂，在脱盐时，离子的选择性迁移是主要过程。但是，伴随主要过程的还有一些次要过程。这些次要过程所产生的副作用总是力图抵消淡化过程，因而降低除盐的效果。这种抵消作用表现为使淡水中的盐量增加和使淡水水量减少。1.反离子迁移反离子迁移是指与膜的固定基团电荷符号相反的离子迁移，是电渗析的主要迁移过程。例如阳膜的固定基团带负电荷，水中钠离子带正电荷，钠离子透过阳膜的迁移即为反离子迁移。242.同名离子迁移同名离子迁移是指与膜的固定基团电荷符号相同的离子迁移。例如水中的氯离子带负电荷，与阳膜的固定基团的负电荷同名，浓缩室中的氯离子由于浓度大，会闯入阳膜进入淡化室，抵消淡化作用。3.浓差扩散由于浓缩室中氯化钠浓度比淡化室高，在浓度差的作用下，氯化钠由浓缩室向淡化室中扩散。254.水的渗透水由淡化室透过膜向浓缩室中迁移。随着浓水与淡水浓度差的增加，水的渗透量增大。5.水的电渗透离子在水中与水分子结合成为水合离子。由于离子的水合作用，在反离子迁移和同名离子迁移过程中都携带一定数量的水分子同时迁移。反离子迁移的同时从淡化室带出水，同名离子迁移则相反。相比之下，反离子迁移从淡化室带出的水量大于同名离子带出水量。266.水的分解在电渗析过程中，由于发生电流密度与离子扩散速度不相适应的情况，导致膜与水的界面上的水分子解离成H+和OH-，并参与传导电流。水的分解影响水的pH值，也使淡水量减少。7.压差渗漏当膜的两侧产生压力差时，溶液由压力大的一侧向压力小的一侧渗漏。可以看出，电渗析过程是个很复杂的过程，在实际应用中，应设法减小次要过程的不利影响。27五、浓差极化现象以阴膜为例说明电渗析的极化过程。见下图电渗析器通电之前，阴膜两侧水的含盐量均为Co。通电一段时间后，阴膜右侧淡室中水的盐量为C，左侧浓水室中水的含盐量为C1。由于离子在膜内的迁移速度大于在水中的迁移速度，因而在淡室中阴膜与水界面上的淡水含盐量为C’,C’﹤C。在浓室中阴膜与水界面上的浓水含盐量为C1’，C1’﹥C1。在膜的两侧出现两个厚度为δ的扩散层。随着电流的增加，淡室中C和C’不断下降。当C’＝0时，阴膜与水界面上的阴离子全部参加了电迁移，这时的电渗析过程处于临界状态。如果继续增加电压，使操作电流超过极限电流时，迫使界面处的水分子解离成H+和0H—参加电荷的传递，即产生了“极化”。c1c1’σσc’cc0阳阴阴膜阳膜28☆极化的影响：1.膜介面的电阻升高（C’→0）；2.浓差膜电位升高，使电耗增大；3.高浓端膜面上会析出难溶性盐类；4.同电荷不同离子间的选择透过性下降；5.由于水被电离，并参与导电，使能耗升高，电流效率下降；6.外液的PH值变化明显，对PH值有敏感的产品生产不利，对设备有腐蚀作用。29☆极化现象的控制严格控制操作电流，使电渗析在低于极限电流密度下运行；强化电渗析隔室中的传质过程。如采用湍流效果好隔网，高温电渗析等；定期酸洗，加入防垢剂，倒换电极等措施消除极化沉淀；可采用适当的预处理改善水质。30六、工艺参数（1）水流线速度电渗析的水流线速度与一个淡水隔室的流量有关，为单位时间内通过电渗析器淡水隔室单位截面上水的流量（5—16）式中，V为淡水流线速度，cm/s；Q为一段膜堆的流量，m3/s；N为一段膜堆的组装膜对数；W为淡水隔板宽度，cm；d为淡水隔板的厚度，cm。一般电渗析淡水隔室中水流线速度控制在5－15cm/s范围内。3600NWdQ10V631（2）水流压降单位电渗析的水流压降即为水流阻力损失，主要由脱盐流道压降