水的除盐与咸水淡化(下)

§3—3电渗析法淡化与除盐一、离子交换膜及其作用机理：二、电渗析原理及过程三、电渗析器的构造与组装四、电流效率与极限电流密度五、极化与沉淀六、电渗析法水处理除盐工艺系统七、电渗析技术的新发展电渗析、反渗透、超滤以及渗析统称为膜分离法。所谓膜分离系指在某种推动力作用下，利用特定膜的透过性能，达到分离水中离子或分子以及某些微粒的目的。膜分离的推动力可以是膜两侧的压力差、电位差或浓度差。这种分离方法可在室温、无相变条件下进行，具有广泛的适用性。各种膜分离法的推动力与分离对象如下表所示。膜能使溶剂(水)透过的现象称为渗透，膜能使溶质透过的现象为渗析。一、离子交换膜及其作用机理：1，离子交换膜：离子交换膜是电渗析器的重要组成部分，按其选择透过性能，主要分为阳膜与阴膜、按其膜体结构，可区分为异相膜、均相膜、半均相膜3种。异相膜的优点是机械强度好、价格低，缺点是膜电阻大、耐热差、透水性大。均相膜则相反。异相模通常是具有交换基团的聚合电解质(树脂)与成膜材料(粘合剂)粘合生成薄膜，井加入衬网而制成。这种膜中的聚合电解质并不是连续的，它的化学性能不均匀，如下图所示，在没合电解质之间为成膜材料所充满，故叫异相膜，膜中离子的迁移或靠聚合电解质颗粒之间的接触，或借颗粒之间存在的溶液，成当两者同时存在时发生。均相膜指整张膜完全是按离子交换树脂的制造工艺制成的，是将树脂的母体连接起来，成为连续的膜状物，在这种膜中聚合电解质和成膜材料之间发生了化学结合而成为共聚体。如下图所示。由于这种膜的化学性能是均匀的，膜的各部分具有相同特性，是单相的，故叫均相膜。半均相膜的聚合电解质与成膜材料混合得十分均匀，它的化学性能的均匀性可以大为提高，但两者之间没有化学结合。(1)选择透过率：离子交换膜的选择透过性实际上并不是那样理想的，因为总是有少量的同号离子(即与膜上的固定活性基电荷符号相同的离子)同时透过。例如，阳膜对阳离子的选择透过性可由如下指标表示：(2)膜电阻：膜电阻与电渗析所需要的电压有密切的关系。电阻越小，所需电压越低。膜电阻一般用膜的电阻率乘以膜的厚度表示，单位为cm2。2，离子交换膜的作用机理：•道南平衡理论：道南平衡理论：（C1+X）X=（C2-X）2X=C22/（C1+2C2）平衡状态下，膜两侧的Cl-浓度比值：)(21)(][][21221212CCCCCCCxxCClCl即，当膜一侧NaZ浓度非常大时，X趋近于0，此时膜另一侧的Cl-几乎不能透过膜来。离子交换膜的选择透过性解释：•把离子交换膜和溶液的界面看作半透膜，固定于离子交换膜上的活性基团相当于不扩散离子Z-，可交换离子为Na+；膜中含有大量的活性基团：C1很大，Cl-几乎进不了膜内，即膜对离子具有选择透过性。•增大溶液中NaCl浓度C2，进入膜内的Cl-增加，膜的选择透过性相应降低。•阴离子交换膜原理相同。二、电渗析原理及过程：•电渗析法：外加直流电场作用下，利用离子交换膜的选择透过性，使水中阴阳离子做定向迁移，从而达到离子从水中分离的一种物理化学过程。•以最基本的双膜电渗析槽为例：为降低电极反应在总能量消耗中所占的比例，工业生产中组成多膜电渗析槽，称为电渗析器。在电渗析过程中，电能的消耗主要用来克服电流通过溶液、膜时所受到的阻力以及进行电极反应。运行时，进水分别地不断流经浓室、淡室以及极室。淡室出水即为淡化水，浓室出水即为浓盐水，被室出水不断排除电极过程的反应物质，以保证电渗析的正常进行。三、电渗析器的构造与组装：1、构造：2、组装：四、电流效率与极限电流密度：1，电流效率：2，极限电流密度：•电流密度i：电渗析器运行时，单位面积的膜通过的电流称电流密度。•极限电流密度iLim：膜表面发生浓差极化现象时的电流密度称极限电流密度。•浓差极化：电渗析器在运转中，膜两边出现浓度差的膜界面现象称浓差极化。五、极化与沉淀：（一）极化的危害极化是电渗析器运行中常见问题，其危害如下。(1)降低电流放率由于极化时、导致水分子大量解离，在电场作用下，水的解离造成H＋和OH—离子的迁移，可见其部分电能消耗在水的解离和与脱盐无关的H＋和OH—离子迁移上，使电流放率下降。(2)降低除盐率和产率极化会在浓水室阴膜表面上产生沉淀，形成水垢，对运行带来不良的影响。(3)淡水pH值下降。防止和消除结垢的主要措施：六、电渗析法水处理除盐工艺系统电渗析法水处理除盐工艺系统可以分两种：一种是电渗析器本体的工艺系统；另一种是电渗折器和其他水处理设备的组合系统。(一)电渗析器木体的工艺系统选则经济合理的电渗析工艺系统(即除盐方式)，是设计电渗析除盐水处理工艺的一个重要部分。一般应根据原水水质、用水水量、用水水质要求等，通过技术经济比较后确定。常用的除盐方式有直流式、循环式和部分循环式三种，如下图所示。1．直流式除盐原水流经一台或多台串联的电渗析器后，即能达到要求的水质。该法的优点是可连续制水、管道简单；缺点是定型设备的出水水质随原水含盐量而变。2．循环式除盐将原水在电渗析器和水箱中多次循环，以达到所需出水的水质。其缺点是需设置循环水泵和水箱，并只能间歇供水。3.部分循环式除盐它是直流式和循环式除盐相结合的一种方式：在部分循环式除盐工艺系统中，电渗析器的出口淡水分成两路，一路连续出水供用户使用；另一路返回电渗析器与水箱中水相混，继续进行除盐。其特点是用定型设备．可适用不同水质和水量的要求。在原水含盐量变化时，可调节循环量去保持出水水质稳定，但系统较复杂。(二)电渗析器与其他水处理设备的组合除盐系统电渗析一般用于含盐量较高的苦咸水、高硬度水的部分除盐，以作深度除盐的顶处理。由于电渗析法除盐有其适用范围．在应用中，应根据原水水质和除盐水水质要求，与离子交换水处理技术等相结合，使其在水处理工艺中各自发挥其优势，以达到合理的技术经济效果，并能稳定运行。其常用的组合除盐水处理系统如下。1．“预处理－电渗析－离子交换”的组合除盐系统2．“预处理－离子交换－电渗析”的组合除盐系统3．“预处理－离子交换(软化)－电渗析离子交换(软化)”的组合除盐系统七、电渗析技术的新发展：(1)频繁倒极电渗析工艺：配有自动化控制，每小时倒换电极2-3次，对于消除和防止结垢有良好效果。(2)提高电渗析器的水利用率：采用浓水循环并加入少量盐酸的方法，使水利用率提高到70％－90％。(3)高温电渗析：将进水加热到70－75℃，电渗析工效大为提高，电耗显著下降，但要求膜能耐高温、耐化学侵蚀、强度好。(4)不解体清洗的电渗析：研制出有效的化学清洗液，用以清除膜面附着物(软垢)，可使装置在2－3年内不必拆开清洗。(5)鼓泡式电渗析：借助于放入气泡的搅动作用来提高传质效果，并能清除膜面污染，该装置不设置隔网，预处理亦可简化，由于借空气的提升力，即可注入水，给水泵亦可省去。(6)与其它脱盐技术相组合的除盐工艺研究：如与离子交换联合组成适应范围更广的电渗析－离子交换除盐系统。§3—4反渗透与超滤一、反渗透（RO）：1，渗透现象与渗透压：•半透膜：只能通过水分子，但不能通过溶质分子的膜。•渗透现象：用只能让水分子透过，而不允许溶质透过的半透膜将纯水与咸水分开，则水分子将从纯水一侧通过膜向咸水一侧透过。结果使咸水一侧的液面上升，直至到达某一高度，此即所谓渗透过程，如右图所示。渗透现象的热力学解释：渗透压：渗透平衡时，两边液面高度形成的压力差称渗透压，。•渗透压由溶质种类和浓度大小而定，还与温度有关。2，反渗透：向咸水一侧施压P则可阻止渗透的进行，如果P,则咸水溶液中的水分子向纯水一边迁移,此过程称反渗透.•理论耗能量:理论上用反渗透法从海水中生产单位体积淡水所耗费的最小能量.Wlim=ARTS/VA——系数，0.000537R——理想气体常数S——海水盐度，一般34.3‰，代入分子值V——水的偏摩尔体积，1.8*105M3/mol•实际耗能量比理论值大的多。3，反渗透膜及其透过机理：•反渗透膜•反渗透膜是一种只允许水通过而不允许溶质透过的半透膜。用于水的淡化除盐的膜按物理形态可分为：对称膜、不对称膜和复合膜。对称膜又称均质模；复合膜通常是用两种不同的膜材料，分别制成表面活性层和多孔支撑层；不对称膜指膜的断面为不对称结构，主要有醋酸纤维素膜和芳香族聚酰胺膜两大类。•醋酸纤维素膜(CA膜)的断面可分成表皮层、过渡层和支撑层三部分。表皮层结构致密，孔径0.8～lnm，厚约0.25um，起脱盐的关键作用。表皮层下面为孔径约20nm的过渡层，其下为结构疏松、孔径为100～400nm的多孔支撑层，膜总厚度约100um，含水量占60％左右。••反渗透膜要求具有下列性能•单位膜面积的透水速度决。脱盐率高•机械强度好，耐压密•化学稳定性好，能耐酸碱和微生物的侵蚀。能耐污染•使用寿命长，性能衰降小•制膜容易，价格低廉，原料充沛，特殊场合要求耐溶剂、耐高温等•透过机理选择性吸着－毛细管流机理是以吉布斯吸附式为依据，认为膜表面由于亲水性原因，能选择吸附水分子而排斥盐分，因面在固－液界面上形成厚度为两个水分子(1nm)的纯水层。在施加压力作用下，纯水层中的水分于便不断通过毛细管流过反渗透膜(见上图)。膜表皮层具有大小不同的极细孔隙，当其中的孔隙为纯水层厚度的一倍(2nm)时，称为膜的临界孔径，可达到理想的脱盐效果。当孔隙大于临界孔径，透水性增大，但盐分容易从孔隙中透过，导致脱盐率下降。反之．若孔隙小于临界孔径，脱盐率增大，而透水性则下降。板框式装置由一定数量的多孔隔板组合而成，每块隔板两面装有反渗透膜。管式装置分为内压管式和外压管式两种。4，反渗透淡化装置、工艺流程与布置系统：装置：卷式、中空纤维式膜组件(元件)由于膜的充填密度大、单位体积膜组件的处理量大，常用于大水量的脱盐处理；而对含悬浮物、粘度较高的溶液，则主要采用管式及板式膜组件。目前反渗透装置有板框式、管式、卷式和中空纤维式4种类型。工业上应用最多的是卷式和中空纤维式膜组件，它占据了绝大多数天然水的脱盐和海水淡化市场。其中卷式膜组件是在天然水脱盐中使用最广泛的反渗透组件。卷式装置如右图所示，把导流隔网、膜和多孔支撑材料依次迭合，用粘合剂沿三边把两层膜粘结密封，另一开放边与中间淡水集水管联接，再卷绕一起。含盐水由一端流入导流隔网，从另一端流出，透过膜的淡化水沿多孔支撑材料流动，由中间集水管引出。中空纤维式装置是把一束外径50～100μm、壁厚12～25μm的中空纤维弯成U形，装于耐压管内，纤维开口端固定在环氧树脂管板中，并露出管板。透过纤维管壁的淡化水沿空心通道从开口端引出。该装置特点是，膜的装填密度最大而且不需外加支撑材料。4，反渗透淡化装置、工艺流程与布置系统：•工艺流程：•反渗透法工艺流程由预处理、膜分离以及后处理3部分组成。•预处理要求进水水质达到规定指标，并且应加酸调节进水pH值到5.5～6.2，以防止某些溶解固体沉积膜面而影响产水量。•根据生产用水的使用要求，后处理方法有pH调整、杀菌、终端混床、微孔过滤或超滤等工序。4，反渗透淡化装置、工艺流程与布置系统：•布置系统：5，反渗透系统的应用20世纪80年代初,美国政府实验室就开发出第一张复合聚酰胺膜。与纤维素膜相比,具有高而多的水通量和盐截留率,且耐污染，大大促进了反渗透技术的应用。目前已从最初的海水、苦咸水脱盐及各种纯水制造向水污染控制领域发展。反渗透已在城市污水、垃圾填埋场、电镀、食品和制药等行业的废水处理或回用中获得应用。二、超滤（UF）：用于截留水中胶体大小的颗粒，水和低分子量的溶质则允许透过膜。•对比：反渗透、超滤、微孔过滤均以压力差为推动力，电渗析以电压为推动力，渗析以浓度差为推动力。•操作方式：与反渗透工作方式相同，水在膜表面流动，部分水透过膜，大部分水流走的同时将膜表面的截留物质带走。（微孔过滤是将全部进水挤压滤过，因而膜微孔易堵塞）•性能：超滤虽无脱盐性能，但对于去除水中的细菌、病毒、胶体，大分子等微粒相当有效，而且与反渗透相比，操作压力低，设备简单，因此超滤技术用于纯水终端处理是较为理想的处理方法。此外，超滤亦广泛应用于医药工业、