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电渗析实验设备
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电渗析运行原理技术说明

 电渗析——是在直流电场作用下利用离子交换膜的透过选择性,把电解质从水中分离出来的过程。

一、基本原理和特点  

 电渗析器中交替排列着许多阳膜和阴膜,分隔成小水室。当原水进入这些小室时,在直流电场的作用下,溶液中的离子就作定向迁移。阳膜只允许阳离子通过而把阴离子截留下来;网膜只允许阴离子通过而把阳离子截留下来。结果佼这些小室的一部分变成含离子很少的淡水室,出水称为淡水。而与淡水室相邻的小室则变成聚集大量离子的浓水室,出水称为浓水。从而使离子得到了分离和浓缩,水便得到了净化。

 电渗析和离子交换相比,有以下异同点:

  (1)分离离子的工作介质虽均为离子交换树脂,但前者是呈片状的薄膜,后者则为圆球形的颗粒;

  (2)从作用机理来说,离子交换属于 离子转移置换,离子交换树脂在过程中发生离子交换反应。而电渗析属于离子截留置换,离子交换膜在过程中起离子选择透过和截阻作用。所以更精确地说,应该把离子交换膜称为离子选择性透过膜;

(3)电渗析的工作介质不需要再生,但消耗电能;而离子交换的工作介质必须再生,但不消耗电能。   电渗析法处理废水的特点是;不需要消耗化学药品,设备简单,操作方便。  

 二、电潜桥膜(离于交换膜)

电渗析膜——与离子交换树脂具有相同化学结构的有机高分子聚合物为骨架。与一定数量的交联剂通过横键架桥作用构成的空间网状结构的树脂膜。

  (1) 离子交换膜的分类? 按活性基团的不同分为阳离子交换膜、阴离于交换膜和特殊离子交换膜(也可按膜结构分类)。

  1)阳离子交换膜:指能离解出阳离子的离子文换膜,或者说在膜结构中合有酸性活性基团的膜。它能选择性地透过阳离子,而不让阴院子透过。这些酸性基团按离解能力的 强弱可分为:强酸性,如磺酸型(-SO3H);中强酸性,如磷酸型(-OPO3H2)、磷酸型(-PO3H2);弱酸性,如羧酸型(-COOH),酚型( )。   

2)阴离子交换膜:指能离解出阴离子的离子交换膜,或者说在膜结构中合碱性活性基团的膜。它能选择性透过阴离子,而不让阳离子透过。这些碱性基团按离解能力的强弱可分为:强碱性,如季铵型[-N(CH3)3OH];弱碱性,如伯胺型(-NH2)、仲胺型(-NHR)、叔胺型(-NR2)。  

3)特殊离子交换膜(复合膜):这种膜由一张阳膜和一张阴膜复合而成。两层之间可以隔一层网布(如尼龙布等),也可以直接粘贴在一起。工作时,阴膜对阳极,阳膜对阴极。由于膜外的离子无法进入膜内,致使膜间的水分子被电离,H+离子透过阳膜,趋向阴极;O~H-离子透过阴膜,趋向阳极,以此完成传输电流的任务。另外,在废水处理中,还可以利用复合膜产生的H+或OH-离子,与废水中的其它离子结合,来制取某些产品。

  根据膜体结构(或按制造工艺)的不同,离子交换膜分为异相膜、均相膜和半均相膜三种。

  (2) 离子交换膜的性能

1)膜的选择透过性  由膜的性质决定,又取决于孔隙度。膜中离子选择透过性,用选择透过率表示。

2)膜的导电性

反映离子在膜内迁移速度的大小,共有三个影响参数

①电阻率(Ω·cm) ②电导率(Ω-1·cm-1)

③截面电阻(Ω·cm2)

3) 膜的交换容量

单位重量膜中所含活性基团的数量以每克干膜所含可交换离子的毫摩尔数来表示(一般为1.5~3毫摩尔/克)。

4)膜的溶胀率和含水率以每克膜所含水的重量百分数来表示。

5)膜的化学稳定性

要求能抵抗酸、碱、抗氧化还原性、抗生物降解。

6)膜的机械强度

要求具有一定的抗拉强度——膜在受到平行方向的拉力时所能承受的压力(kg/cm2)

爆破强度——膜在受到垂直方向压力时所能承受的压力(kg/cm2),一般>5 kg/cm2

  (3) 离子交换膜的性能要求? 1)选择透过性高,要求在95%以上;2)导电性好,要求其导电能力应大于溶液的导电能力;3)交换容量大;4)溶胀率和含水率适量:5)化学稳定性强;6)机械强度大。?


三、电渗析器?

  利用电渗析原理进行脱盐或处理废水的装置,称为电渗析器。

  (1)电渗析器的构造它由膜堆、极区和压紧装置三大部分构成。  

 1)膜堆:其结构单元包括阳膜、隔板、阴膜,一个结构单元也叫一个膜对。一台电渗析器由许多膜对组成,这些膜对总称为膜堆。隔板常用l~2mm的硬聚氯乙烯板制成,板上开有配水孔、布水槽、流水道、集水槽和集水孔。隔板的作用是使两层膜间形成水室,构成流水通道,并起配水和集水的作用。

  2)极区:极区的主要作用是给电渗析器供给直流电,将原水导入膜堆的配水孔,将淡水和浓水排出电渗析器,并通入和排出极水。极区由托板、电极、极框和弹性垫板组成。电极托板的作用是加固极板和安装进出水接管,常用厚的硬聚氯乙烯板制成。电极的作用是接通内外电路,在电渗析器内造成均匀的直流电场。阳极常用石墨、铅、铁丝涂钉等材料;阴极可用不锈钢等材料制成。极框用来在极板和膜堆之间保持一定的距离,构成极室,也是极水的通道。极框常用厚5~7mm的粗网多水道式塑料板制成。垫板起防止漏水和调整厚度不均的作用,常用橡胶或软聚氯乙烯板制成。

  3)压紧装置:其作用是把极区和膜堆组成不漏水的电渗析器整体。可采用压板和螺栓拉紧,也可采用液压压紧。

  (2) 电渗析器的组装?? 电渗析器的基本组装形式如图17-4所示。在实践电通常用"级"、"段"和"系列"等术语来区别各种组装形式。电渗析器内电极对的数目称为"级",凡是设置一对电极的叫做一级,两对电极的叫二级,依此类推。电渗析器内,进水和出水方向一致的膜堆部分称为"一段",凡是水流方向每改变一次, "段"的数目就增加l。?

 四、电渗析的工艺技术问题和指标?

  (1) 极化现象和极限电流密度? 如图17-5所示,电渗析过程中,在阴离子交换膜或阳离子交换膜的淡水一侧,由于离子在膜中的迁移数大于在溶液中的迁移数,就使得膜和溶液界面处的离子浓度C1小于溶液相中的离子浓度Cl。同样,在阴膜或阳膜的浓水一侧,从膜中迁移出来的由于离子量大于溶液中的离子迁移数,就使得相界面处的由于浓度C2大于溶液相中的离子浓度C2。这样,在膜的两侧都产生了浓度差值。显然,通入的电流强度越大,离子迁移的速度越快,浓度差值也就越大。如果电流提高到相当程度,将会出现C2值趋于零的情况,这时在淡水侧就会发生水分子的电离(H2O→H+十OH-),由H+离子和OH-离子的迁移来补充传递电流,这种现象称为极化现象。


C`1 < C1 , C`1 ≈ 0 产生极化 .

C`2 > C2 , OH- 在阴膜一侧富集产生M(OH)m沉淀产生结圬。离子迁移受阻。

  极化现象出现的结果,在阴膜浓水-侧,由于OH-离子富集起来,水的pH值增大,便产生氢氧化物沉淀,造成膜面附近结垢;另外,在阳膜的浓水一侧,由于膜表面处的离子浓度 比C2大得多,也容易造成膜面附近结垢。结垢的结果必然导致电流效率的降低,膜的有效面积减小,寿命缩短,影响电渗析过程的正常进行。

  防止极化有效的方法是控制电渗析器在极限电流密度以下运行。另外,定期进行倒换电极运行,将膜上积聚的沉淀溶解下来。

  单位时间单位膜面积上通过的电流,称为电流密度。使膜界面层中产生极化现象时的电流密度,称为极限电流密度( ),其理论值为:

                             (17-1)

式中

C —界面层外溶液中的离子浓度;   

D —扩散系数;  

F —法拉第常数;

E —反离子在交换膜内的迁移数;?

t —反离子在溶液中的迁移数;

δ—界面层厚度。

  (2) 电流效率从废水溶液中除去一定量盐类物质时,理论上需要的电量与实际消耗的电量的比值,称为电流效率。它是衡量电渗析器电流利用率的指标。

  (3) 电压消耗及工作电压电渗析器需要的电压越高,电耗就越大。电渗析器的工作电压厂可分解为下式中的几个部分:

    (17-2)

式中   Ed —电极反应所需的电势,V;  

    Em —克服膜电位所需的电压,V;

    I —工作电流,A;

    Rj—接触电阻,Ω;

    Rm—膜电阻,Ω;

    Rs—水的电阻,Ω。

  (4)电能消耗及电能效率电能消耗按下式计算:


式中  V —工作电压,V;  

    I —工作电流,A;

    Qd—淡水产量,m3/h。

  电能效率是屯渗析器电能利用率的指标,它是理论电能消耗量与实际电能消耗量的比值。电渗析器的屯能效率一般在10%以下。为了提高电能效率就必须提高电流效率和电压效率,其中提高电压效率的关键在于降低电渗析器的总电阻。

  五、电渗析的工艺计算

  (1) 极限电流密度公式极限电流密度公式是在极化临界条件下建立的。实用的极限电流密度 (mA/cm2)按下式(威尔逊公式)计算:

   (17-4)

式中 —淡水隔板中水流的线速度,cm/s;

    Cm—淡水隔板中水的对数平均含盐量,mol/L;

—流速系数;      

    K—水力特性系数;?

    n—化合价。

  极限电流密度及系数尺和"的确定,通常采用电压-电流法。该法是通过实验,以测得的膜对电压和相应的电流密度,在直角坐标纸上作出电压-电流极化曲线(见图17-6)。曲线内三部分组成:OA和DE两段为近似直线;ABCD段为曲线,称为"极化过渡区"。OA与DE交于P,过P引垂线交曲线于C,此C点称为"标准极化点",C点所对应的电流密度即为极限电流密度。在不同的进水浓度或流速下,测得电渗析器的若干组 、C和 值,然后代入如下的威尔逊公式对数式,即可用图解法(见图17-7)或解方程法求出系数K和n。

             (17-5)

  (2) 除盐公式? 在极化临界状态下的除盐公式如下:

          (17-6)

式中  C。—淡水隔板中水的起始合盐量,mol/L;

   C—淡水隔板中距起点X距离处水的合盐量,mol/L;

   x—距起始点的除盐流程长度,cm;

      —电流效率;  

   F—法拉第常数,等于96500n c/m, n为化合价:

   d—淡水隔板的厚度,cm。

  除盐公式(曲线见图17-8)表明,当淡水隔板中的流速、隔板流程长度均相等并在极限临界状态下运转时,电渗析各段流程的除盐比是常数,即C/C。=常数。根据此式,多段串联的总除盐率与单段除盐率之间,存在如下关系:

           (17-7)

式中    G — 总去盐率;

   g — 一段的除盐率;

   m — 串联的段数。

  (3) 电流效率公式电渗析除盐的电流效率为实际用于除盐的电量与通人电渗析器的电量之比,即

 (17-8)

式中    CR--淡水隔板中入口处水的含盐量,mol/L;

   Cch--淡水隔板中出口处水的含盐量,mol/L;  

   L--淡水隔板的除盐流程长度,cm;

   --电流密度,mA/cm2;

?   F、v、d与前式同?

  (4) 浓度的对数平均值? 在实际应用极限电流密度公式 时,由于在极限临界状态下淡水浓度沿流程的降低呈指数规律变化(见图17-8),因此应按下式取对数平均值:

         ? (17-9)

  六、电渗析法在废水处理中的应用   

   电渗析法早先用于海水淡化制取饮用水和工业用水,海水浓缩制取食盐,以及与其它单元技术组合制取高纯水,后来在废水处理方面也得到较广泛应用。

  入在废水处理中,根据工艺特点电渗析操作有两种类型:一种是由阳膜和阴膜交替排列而成的普通电渗析工艺,主要用来从废水中单纯分离污染物离子,或者把废水中的污染物离子和非电解质污染物分离开来,再用其它方法处理;另一种是由复合膜与阳膜构成的特殊电渗析分窝工艺,利用复合膜中的极化反应和极室中的电极反应以产生H+离子和OH-离子,从废水中制取酸和碱。

  目前,电渗析法在废水处理实践中应用普遍的有:1)处理碱法造纸废液,从浓液中回收碱,从淡液中回收木质索;2)从含金属离子的废水中分离和浓缩盈金属离子,然后对浓缩液进一步处理或回收利用:3)从放射性废水中分离放射性元素;4)从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠;5)从酸洗废液中制取硫酸及沉积重金属离子;6)处理电镀废水和废液等,含Cu2+、Zn2+、Cr(Ⅳ)、Ni2+等金属离子的废水都适宜用电渗析法处理,共中应用较广泛的是从镀镍废液中回收镍,许多工厂实践表明,用这种方法可以实现闭路循环。


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