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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+):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。阳离子在膜内的迁移数(理想膜,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: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)Z-(C1)Na(C1+x)Cl-(x)Cl-(C2-x)Na+(C2-x)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:1室 2室据电中性法则: 则: 将浓度代入:平衡态膜两侧Cl-比值:当1室Na+Z-浓度非常大时,x0,2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(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+2eH2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-4eO2+2H2O2Cl-2eCl2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:1、实际除盐量:m1(克)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)I 电流,AF法拉第常数, 96500 C(库仑)/mol3、电流效率: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。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。(1)膜内迁移量:i电流密度,F法拉第常数。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:t+阳离子进溶液中的迁移数,由于造成C;C浓度差。据菲克扩散定律:扩散物质的通量为:mmol/cm2sD扩散系数cm2/sC ; C界面层两侧物质的量浓度mmol/l边界层厚cm(3)当处于稳定状态时:即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) 界面膜厚度与水流有关。v水的流速, 厘米/sn是变量与温度有关,n=0.30.9 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:C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。C1、C2淡室进出水浓度mmol/l令:K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。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11.5%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bl cm2 平均电流密度i :I电表所示电流量,一个淡室的流量:qv流速cm/s 电流效率公式:(已学)将q、I代入极化时电流强度 ilim=KCvn 代入得:极限电流密度工况下的脱盐流程长度:llim电渗析并联膜对数:np Q淡水产量m3/h 278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410cm/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5004000mg/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1015mg/l。七、电渗析技术的新发展1、频繁倒极:每小时34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:7075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;
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