電滲析運(yùn)行原理技術(shù)說(shuō)明

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

　　一、基本原理和特點(diǎn)

　　電滲析器中交替排列著許多陽(yáng)膜和陰膜，分隔成小水室。當(dāng)原水進(jìn)入這些小室時(shí)，在直流電場(chǎng)的作用下，溶液中的離子就作定向遷移。陽(yáng)膜只允許陽(yáng)離子通過(guò)而把陰離子截留下來(lái);網(wǎng)膜只允許陰離子通過(guò)而把陽(yáng)離子截留下來(lái)。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(chēng)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(chēng)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(diǎn)：

　　(1)分離離子的工作介質(zhì)雖均為離子交換樹(shù)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(lái)說(shuō)，離子交換屬于 離子轉(zhuǎn)移置換，離子交換樹(shù)脂在過(guò)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(guò)程中起離子選擇透過(guò)和截阻作用。所以更精確地說(shuō)，應(yīng)該把離子交換膜稱(chēng)為離子選擇性透過(guò)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(diǎn)是;不需要消耗化學(xué)藥品，設(shè)備簡(jiǎn)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(shù)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(guò)橫鍵架橋作用構(gòu)成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的樹(shù)脂膜。

　　(1)　離子交換膜的分類(lèi)? 按活性基團(tuán)的不同分為陽(yáng)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(lèi))。

　　1)陽(yáng)離子交換膜：指能離解出陽(yáng)離子的離子文換膜，或者說(shuō)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(guò)陽(yáng)離子，而不讓陰院子透過(guò)。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(shuō)在膜結(jié)構(gòu)中合堿性活性基團(tuán)的膜。它能選擇性透過(guò)陰離子，而不讓陽(yáng)離子透過(guò)。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(yáng)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(shí)，陰膜對(duì)陽(yáng)極，陽(yáng)膜對(duì)陰極。由于膜外的離子無(wú)法進(jìn)入膜內(nèi)，致使膜間的水分子被電離，H+離子透過(guò)陽(yáng)膜，趨向陰極;O～H-離子透過(guò)陰膜，趨向陽(yáng)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(lái)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(guò)性　　由膜的性質(zhì)決定，又取決于孔隙度。膜中離子選擇透過(guò)性，用選擇透過(guò)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(gè)影響參數(shù)

　　①電阻率(Ω·cm) ②電導(dǎo)率(Ω-1·cm-1)

　?、劢孛骐娮?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(lái)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(lái)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(shí)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(shí)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(guò)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(chēng)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(yáng)膜、隔板、陰膜，一個(gè)結(jié)構(gòu)單元也叫一個(gè)膜對(duì)。一臺(tái)電滲析器由許多膜對(duì)組成，這些膜對(duì)總稱(chēng)為膜堆。隔板常用l～2mm的硬聚氯乙烯板制成，板上開(kāi)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(chǎng)。陽(yáng)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(lái)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(shí)踐電通常用"級(jí)"、"段"和"系列"等術(shù)語(yǔ)來(lái)區(qū)別各種組裝形式。電滲析器內(nèi)電極對(duì)的數(shù)目稱(chēng)為"級(jí)"，凡是設(shè)置一對(duì)電極的叫做一級(jí)，兩對(duì)電極的叫二級(jí)，依此類(lèi)推。電滲析器內(nèi)，進(jìn)水和出水方向一致的膜堆部分稱(chēng)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(wèn)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(guò)程中，在陰離子交換膜或陽(yáng)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(yáng)膜的濃水一側(cè)，從膜中遷移出來(lái)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(huì)出現(xiàn)C2值趨于零的情況，這時(shí)在淡水側(cè)就會(huì)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(lái)補(bǔ)充傳遞電流，這種現(xiàn)象稱(chēng)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(lái)，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(yáng)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(guò)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(yùn)行。另外，定期進(jìn)行倒換電極運(yùn)行，將膜上積聚的沉淀溶解下來(lái)。

　　單位時(shí)間單位膜面積上通過(guò)的電流，稱(chēng)為電流密度。使膜界面層中產(chǎn)生極化現(xiàn)象時(shí)的電流密度，稱(chēng)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(lèi)物質(zhì)時(shí)，理論上需要的電量與實(shí)際消耗的電量的比值，稱(chēng)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(gè)部分：

　　(17-2)

　　式中　　 Ed —電極反應(yīng)所需的電勢(shì)，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(jì)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(shí)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(jì)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(shí)用的極限電流密度 (mA/cm2)按下式(威爾遜公式)計(jì)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(duì)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(jià)。

　　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(guò)實(shí)驗(yàn)，以測(cè)得的膜對(duì)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(jiàn)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(chēng)為"極化過(guò)渡區(qū)"。OA與DE交于P，過(guò)P引垂線交曲線于C，此C點(diǎn)稱(chēng)為"標(biāo)準(zhǔn)極化點(diǎn)"，C點(diǎn)所對(duì)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(cè)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(duì)數(shù)式，即可用圖解法(見(jiàn)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。—淡水隔板中水的起始合鹽量，mol/L;

　　C—淡水隔板中距起點(diǎn)X距離處水的合鹽量，mol/L;

　　x—距起始點(diǎn)的除鹽流程長(zhǎng)度，cm;

　　—電流效率;

　　F—法拉第常數(shù)，等于96500n c/m, n為化合價(jià)：

　　d—淡水隔板的厚度，cm。

　　除鹽公式(曲線見(jiàn)圖17-8)表明，當(dāng)?shù)舭逯械牧魉?、隔板流程長(zhǎng)度均相等并在極限臨界狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)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(zhǎng)度，cm;

　　--電流密度，mA/cm2;

　　?　　　F、v、d與前式同?

　　(4)　濃度的對(duì)數(shù)平均值? 在實(shí)際應(yīng)用極限電流密度公式 時(shí)，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(jiàn)圖17-8)，因此應(yīng)按下式取對(duì)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(lái)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(diǎn)電滲析操作有兩種類(lèi)型：一種是由陽(yáng)膜和陰膜交替排列而成的普通電滲析工藝，主要用來(lái)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(kāi)來(lái)，再用其它方法處理;另一種是由復(fù)合膜與陽(yáng)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(shí)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(duì)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(shí)踐表明，用這種方法可以實(shí)現(xiàn)閉路循環(huán)。