分离技术概论电渗析精讲.pptx
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1、分离技术电渗析浙江大学材料与化工学院浙江大学材料与化工学院陈欢林教授、张林博士主要内容主要内容1.基本概念2.电渗析机理3.电渗析用膜4.电渗析的应用基本概念基本概念什么是电渗析?什么是电渗析?电渗析是一种电化学过程,利用膜和电位差从水溶液和其它带荷电的混合物中分离离子物质的膜过程。什么是电渗析?什么是电渗析?利用带电离子或分子的传导电流的能力;膜是导电的,允许带正电荷通过的阳离子交换膜、允许带负电荷通过阴离子交换膜。电渗析的发展电渗析的发展1.18901890年,年,OstwaldOstwald揭示:若膜揭示:若膜对对阳离子和阴离阳离子和阴离子都不能渗透,子都不能渗透,则则膜膜对对任何任何电
2、电解解质质均不渗透;均不渗透;2.19111911年,年,DonnanDonnan提出了描述提出了描述浓浓度平衡的数学度平衡的数学方程,方程,产产生了生了DonnanDonnan排斥机理;排斥机理;3.19251925年,年,MichaelisMichaelis和和FujitaFujita用均相弱酸性棉胶用均相弱酸性棉胶膜膜(焦木素焦木素Pyroxyline)Pyroxyline)进进行了离子行了离子选择选择性膜的性膜的基基础础研究;研究;4.19401940年,年,WasseneggerWassenegger和和JaegerJaeger用酚用酚-甲甲醛缩醛缩聚聚树树脂研制了离子交脂研制了离子
3、交换换膜;膜;5.1950-19531950-1953年,年,IonicsIonics公司、公司、RohmRohm和和HaasHaas公公司分司分别别制制备备出商出商业业化离子交化离子交换换膜。膜。电渗析技术的特点电渗析技术的特点无化学添加剂、环境污染小;对原水含盐量变化适应性强;操作简单,易于实现机械化和自动化;设备紧凑耐用,预处理简单;水利用率高。电渗析种类电渗析种类倒极倒极电电渗析:一定渗析:一定时间间时间间隔正、隔正、负负极互极互换换,能,能自自动动清洗离子交清洗离子交换换膜和膜和电电极表面形成的极表面形成的污污垢、垢、确保离子交确保离子交换换效率的效率的长长期期稳稳定性及水定性及水质
4、质;填充床填充床电电渗析:将渗析:将电电渗析和离子交渗析和离子交换结换结合起来;合起来;集中二者集中二者优优点,提高极限点,提高极限电电流密度和流密度和电电流效率流效率的作用,离子交的作用,离子交换树换树脂被填充于淡化室外,被脂被填充于淡化室外,被离子交离子交换树换树脂稀脂稀饭饭的离子在的离子在电场电场力作用下不断力作用下不断迁移入迁移入浓浓水室,水室,这样这样离子交离子交换树换树脂不需再生,脂不需再生,原料液中的离子可完全被除去;原料液中的离子可完全被除去;电渗析种类电渗析种类 液膜液膜电电渗析:利用液膜来代替渗析:利用液膜来代替电电渗析装置中的固渗析装置中的固态态粒子粒子交交换换膜,膜,对
5、对于于浓缩浓缩和提和提纯贵纯贵重金属具有高效性;重金属具有高效性;高温高温电电渗析:渗析:进进料料为为高温溶液,降低了溶液粘度,提高高温溶液,降低了溶液粘度,提高扩扩散速率,增大溶液和膜的散速率,增大溶液和膜的电导电导,从而提高了允,从而提高了允许许密度,密度,提高提高设备设备的生的生产产能力降低能力降低动动力消耗;力消耗;双极膜双极膜电电渗析:双极膜是由阳离子交渗析:双极膜是由阳离子交换换膜和阴离子交膜和阴离子交换换膜以及中膜以及中间间界面界面亲亲水水层组层组成,当在阳极和阴极之成,当在阳极和阴极之间间施加施加电压时电压时,电电荷通荷通过过离子离子进进行行传递传递,如果没有离子存在,如果没有
6、离子存在,则电则电流将由水解离出的流将由水解离出的氢氢离子和离子和氢氢氧根离子氧根离子传递传递。卷式电渗析器卷式电渗析器填充床电渗析器填充床电渗析器双极膜电渗析双极膜电渗析A为阴膜,B为双极膜,C为阳膜电渗析机理电渗析机理电渗析与反渗透电渗析与反渗透电渗析与反渗透电渗析与反渗透不同点:反渗透过程,水是在低压下透过膜,必要能耗是水分子透过膜在通道中摩擦引起的,表明与原水浓度无关;电渗析过程,是离子透过膜,从淡水侧迁移到浓水侧,必要能耗是离子透过膜通道中摩擦引起的,与原水浓度成正比。电渗析膜对结构图电渗析膜对结构图 离子膜内外离子平衡离子膜内外离子平衡膜产品及膜骨架分类膜产品及膜骨架分类 膜产品分
7、类号膜产品分类号产品名称产品名称膜骨架分类号膜骨架分类号骨架名称骨架名称0 0强酸性强酸性0 0苯乙烯系苯乙烯系1 1弱酸性弱酸性1 1丙烯酸系丙烯酸系2 2强碱性强碱性2 2酚醛系酚醛系3 3弱碱性弱碱性3 3环氧系环氧系4 4螯合型螯合型4 4乙烯吡啶系乙烯吡啶系5 5两性两性5 5脲醛系脲醛系6 6氧化还原型氧化还原型6 6氯乙烯系氯乙烯系离子膜的主要技术指标离子膜的主要技术指标指标名称指标名称技术指标值技术指标值阳膜阳膜阴膜阴膜含水率含水率(%)(%)3535505035355050交换容量交换容量(mol/kg(mol/kg干干)2.02.0 1.81.8膜面电阻膜面电阻(cm2)c
8、m2)1212 1313选择透过率选择透过率(%)(%)9292 9090 脱盐室中液体流路尺寸脱盐室中液体流路尺寸普通电渗析工艺过程普通电渗析工艺过程 硬水的软化的阳离子电渗析硬水的软化的阳离子电渗析柠檬汁减酸阴离子膜电渗析柠檬汁减酸阴离子膜电渗析氨基酸电渗析过程氨基酸电渗析过程电渗析中的传递现象 电渗析中的传递电渗析中的传递 a.a.反离子迁移反离子迁移反离子迁移反离子迁移,也即为与膜上固定离子基团电荷相反,也即为与膜上固定离子基团电荷相反的离子的迁移。的离子的迁移。b b;同名离子的迂移;同名离子的迂移;同名离子的迂移;同名离子的迂移,也即为与膜上固定离子,也即为与膜上固定离子(基基团团
9、)电荷相同的离子的迁移。电荷相同的离子的迁移。c c电解质的渗析,电解质的渗析,电解质的渗析,电解质的渗析,这种渗析主要由于膜两侧浓水这种渗析主要由于膜两侧浓水室与淡水室的浓度差引起的,使得电解质由浓水室向室与淡水室的浓度差引起的,使得电解质由浓水室向淡水室扩散。淡水室扩散。d d水的渗透,水的渗透,水的渗透,水的渗透,随着电渗析的进行,淡水室中水含随着电渗析的进行,淡水室中水含量逐渐升高,由于渗透压的作用,淡水室中的水会向量逐渐升高,由于渗透压的作用,淡水室中的水会向浓水室渗透。浓水室渗透。e e水的分解,水的分解,水的分解,水的分解,这是由于电渗析过程中产生浓差极这是由于电渗析过程中产生浓
10、差极化,或中性水离解成化,或中性水离解成OH-OH-和和H+H+所造成,控制浓差极化所造成,控制浓差极化可防止这种现象产生。可防止这种现象产生。f f水的电渗析水的电渗析水的电渗析水的电渗析,由于离子的水合作用,在反离和,由于离子的水合作用,在反离和同名离子迁移时,会携带一定的水分子迁移。同名离子迁移时,会携带一定的水分子迁移。g g压差渗漏压差渗漏压差渗漏压差渗漏,由于膜两侧的压力差,造成高压侧,由于膜两侧的压力差,造成高压侧溶液向低压侧渗漏。溶液向低压侧渗漏。电流密度与极限电流密度 WILLSON EQUATION 实际操作电流密度实际操作电流密度极限电流密度的测定极限电流的检测极限电流的
11、检测电流电压法某些类型隔板的经验系数某些类型隔板的经验系数 隔板结构隔板结构经验系数经验系数厚度厚度隔网形式隔网形式A Ab b2 2鱼鳞网鱼鳞网0.25600.25601.91.92 2无网无网0.15790.15791.21.21.51.5细网细网0.69340.69341.31.3不同水型的水力常数、不同水型的水力常数、m m、n n值值 常数值常数值水型水型k ki ik kI Immn n氯化钠水型氯化钠水型0.54460.54460.005930.005931.01.00.6600.660碳酸氢盐水型碳酸氢盐水型0.28930.28930.004700.004700.9580.95
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