整理第四章膜法水处理.docx

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整理第四章膜法水处理

第四章膜法水处理

膜分离法是利用选择性透过膜为分离介质．当膜两侧存在某种推动力（如压力差、浓度差、电位差）时，使溶剂（通常是水）与溶质或微粒分离的方法。

一般包括电渗析、反渗透、超滤、扩散渗析等，其中的反渗透、超滤相当于过滤技术。

用选择性透过膜进行分离时，使溶质通过膜的方法称为渗析；而使溶剂通过膜的方法则称为渗透。

电渗析法是以电位差为推动力的膜分离法，用于从水溶液中脱除离子，主要用于苦咸水脱盐或海水淡化。

其膜是导电膜，即阳离子交换膜和阴离子交换膜。

以压力差为推动力的膜分离法，根据溶质粒子的大小及膜的结构性质（超滤膜、纳滤膜、反渗透膜等），又可分为超滤、纳滤、反渗透等。

反渗透法可用于溶剂的纯化和溶液浓缩。

反渗透法大部分应用于水的纯化．主要是苦咸水脱盐或海水淡化。

反渗透法的另一个重要应用为制备高纯水。

膜是分离技术的核心。

膜材料的化学性能、结构对膜分离法起着决定性的作用；一般是高分子材料制成的膜，有纤维素膜、芳香聚酰胺类膜、杂环类膜、聚砜类膜、聚烯烃类膜和含氟高分子膜等。

膜分离法的特点：

①不发生相变、常温进行、适用范围广（有机物、无机物等）、装置简单、易操作和易控制等。

②膜法水处理具有适应性强、效率高、占地面积小、运行经济的特点。

所以，国内外已把电渗析法、反渗透法或膜分离法与离子交换相结合的方法应用于锅炉水处理。

第一节电渗析

电渗析是膜分离技术的一种，它是在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的淡化、浓缩、精制或纯化的目的。

电渗析的进展：

对电渗析基本概念的研究始于20世纪初，采用动物皮、膀胱膜或人造纤维、羊皮纸等进行实验室研究，但无工业应用价值；随着合成树脂的发展，1950年，朱达试制出具有高选择性的阴、阳离子交换膜后，才奠定了电渗析技术的实用基础；1954年美、英等国将电渗析首先用于生产实践中，淡化苦咸水、制备工业用水和饮用水。

此后，电渗析技术逐步引入中东和北非。

1959年起，前苏联也开始研究和推广应用。

日本主要利用电渗析法浓缩制盐，1969年日本国内食盐有30％是用离于交换膜电渗析法生产的，1970年才将电渗析技术用于苦咸水淡化。

一、电渗析基本原理及过程

1.渗析过程

（1）渗析的原理

渗析是最早被发现和研究的一种膜分离过程，它是一种自然发生的物理现象。

当两种不同浓度的盐水用一张渗析膜（半透膜或离子交换膜）隔开时，浓盐水中的电解质离子就会穿过膜扩散到稀盐水中去，这种过程称为渗析过程，亦称扩散渗析。

渗析过程的推动力是浓度梯度，因此又称浓差渗析。

图4-1渗析过程示意图图4-2浓差渗析回收酸

渗析过程是缓慢进行的，随着盐分浓度梯度的降低．盐的扩散也逐渐减少，直到膜两边浓度相同，建立了平衡，盐分的迁移也就完全停止。

（2）渗析的应用

①　血液透析

②　从酸碱废液中回收酸碱。

浓差渗析回收酸见图4-2。

料液中由于H2SO4和FeSO4的浓度高，其中Fe2+、H+、SO42-均有向渗析液H2O中扩散的趋势，由于使用阴离子交换膜作渗析膜，因此理论上阴膜只允许SO42-透过膜进入渗析液，而H+离子由于水合离子半径小，迁移速度快，故也能透过膜迁移到渗析液中。

H+和1/2SO42-等摩尔透过膜，以保持溶液的电中性。

但是Fe2+离子则不透过阴膜。

经过一段时间的渗析后，料液中的H2SO4即进入渗析液中，实现了FeSO4和H2SO4的分离，即可实现回收废硫酸的目的。

2.电渗析过程

电渗析过程是电解和渗析扩散过程的组合。

电渗析制取淡水的基本过程：

利用离子交换膜的选择透过性，即阳膜理论上只允许阳离子通过，阴膜理论上只允许阴离子通过，在外加直流电场作用下，阴、阳离子分别往阳极和阴极移动，它们最终会于离子交换膜，如果膜的固定电荷与离子的电荷相反，则离子可以通过，如果它们的电荷是相同的．则离子被排斥，从而可以制得淡水。

电渗析运行时可能发生的过程见图4-3。

图4-3电渗析运行时可能发生的过程

（1）反离子迁移

离子交换膜具有选择透过性。

反离子迁移是电渗析运行时发生的主要过程，也就是电渗析的除盐过程，反离子迁移效应大于0.9。

（2）同名离子迁移

与膜上固定基团所带电荷相同的离子穿过膜的现象。

即浓水中阳离子穿过阴膜，阴离子穿过阳膜，进入淡室的过程，就是同名离子迁移。

这是由于离子交换膜的选择透过性不可能达到100％。

当膜的选择性固定后，随着浓室盐浓度增加，这种同名离子迁移影响加大。

（3）电解质浓差扩散

由于膜两侧溶液浓度不同，在浓度差作用下，电解质由浓室向淡室扩散，扩散速度随浓度差的增高而增大。

（4）水的渗透

在电渗析过程中，由于淡室水浓度低，基于渗透压的作用，会使淡室的水向浓室渗透。

浓度差愈大，水的渗透量也愈大，这一过程会使淡水产量降低。

（5）水的电渗透

反离子和同名离子，实际上都是以水合离子形式存在，在迁移过程中携带一定数量的水分子迁移，这就是水的电渗透。

随着溶液浓度的降低，水的电渗透量急骤增加。

（6）水的压渗

当浓室和淡室存在着压力差时，溶液由压力大的一例向压力小的一侧渗漏，称为水的压渗，因此操作时应保持两侧压力基本平衡。

（7）水的电离

电渗析运行时，由于电流密度相液体流速不匹配，电解质离子未能及时地补充到膜的表面，而造成淡室水的电离生成H+和0H-离子，它们可以穿过阳膜和阴膜。

对电渗析各过程的评价

电渗析器在运行时，同时发生着多种复杂过程：

反离子迁移是电渗析除盐的主要过程,其它都是次要过程。

这些次要过程会影响和干扰电渗析的主要过程：

–同名离于迁移和电解质浓差扩散与主过程相反，会影响除盐效果；

–水的渗透、电渗透和压渗会影响淡室产水量，也会影响浓缩效果；

–水的电离会使耗电量增加，导致浓室极化结垢，从而影响电渗析的正常远行。

因此必须选择优质离子交换膜和最佳的电渗析操作条件，以便消除或改善这些次要过程的影响。

3.电渗析法脱盐的基本原理

把阳离子交换膜和阴离子交换膜交替排列于正负两个电极之间，并用特制的隔板将其隔开，组成脱盐（淡化）和浓缩两个系统。

当向隔室通入盐水后，在直流电场作用下，阳离子向阴极迁移，阴离子向阳极迁移，但由于离子交换膜的选择透过性，而使淡室中的盐水淡化，浓室中盐水被浓缩，实现脱盐目的。

电渗析法原理示意图

电渗析上两极的反应——以NaCl溶液为例

在阳极上：

2Cl--2e→Cl2↑

H2O→H++OH-

4OH--4e→O2+2H2O

产生的氯气又有一部分溶于水中：

Cl2+H2O→HCl+HClO

HClO→HCl+[O]

阳极反应有氧气和氯气产生，氯气溶于水又产生HCl及初生态氧[O]，阳极呈酸性反应，应当注意阳极的氧化和腐蚀问题。

在阴极上：

H2O--→H++OH-

H++2e--→2H2↑

Na++OH---→NaOH

在阴极室由于H+离子的减少，放出氢气，极水呈碱性反应，当极水中含有Ca2+、Mg2+和CO32-等离子时，会生成CaCO3和Mg（OH）2等沉淀物，在阴极上形成结垢。

在极室中应注意及时排除电极反应产物，以保证电渗析过程的安全运行，考虑到阴膜容易损坏，并为了防止Cl-离子透过阴膜进入阳极室，所以在阳极附近一般不用阴膜，而改用阳膜或惰性多孔保护膜。

4.电渗析技术的特点

（1）能量消耗低。

电渗析除盐过程中，只是用电能来迁移水中的盐分，而大量的水不发生相的变化，其耗电量大致与水中的含盐量成正比，尤其是对含盐量为数千mg/L的苦咸水，其耗电量更低。

（2）药剂耗量少．环境污染小

常规的离子交换处理水时，树脂失效后需用酸、碱进行再生，再生后生成大量酸、碱再生废液，水洗时还要排放大量酸、碱性废水。

电渗析法处理水时，仅酸洗时需要少量的酸。

因此电渗析法是耗用药剂少，环境污染小的一种除盐手段。

（3）对原水含盐量变化适应性强

电渗析除盐可按需要进行调节。

产水量可按需要从每日几m3至上万m3变化。

可根据设计一台电渗析器中的段数、级数或多台电渗析器的串联、并联或不同除盐方式（直流式、循环式或部分循环式）来适应。

（4）操作简单，易于实现机械化、自动化

电渗析器一般是控制在恒定直流电压下运行，不需要通过频繁地调节流速、电流及电压来适应水质、温度的变化。

因此，容易做到机械化、自动化操作。

（5）设备紧凑耐用．预处理简单

电渗析器是用塑料隔板、离子交换膜及电极组装而成，其抗化学污染和抗腐蚀性能均良好，隔板相膜多层更加在一起，运行时通电即可制得淡水，因此设备紧凑耐用。

由于电渗析中水流是在膜面平行流过，而不需透过膜，因此进水水质不像反渗透控制的那样严格，一般经砂滤即可，相对而言预处理比较简单。

（6）水的利用率较高

电渗析器运行时，浓水和极水可以循环使用，与反渗透相比，水的利用率较高，可达到70％～80％，国外可高达90％。

废弃的水量少，再利用和后处理都比较简单。

电渗析的缺点

电渗析只能除去水中的盐分．而对水中有机物不能去除，某些高价离子和有机物还会污染膜。

电渗析运行过程中易发生浓差极化而产生结垢（用频繁倒极电渗析可以避免），这些都是电渗析技术较难掌握而又必须重视的问题。

与反渗透相比，由于它的脱盐率较低，装置比较庞大且组装要求高，因此它的发展不如反渗透快。

二、电渗析器的结构及设备

电渗析器由交替排列的膜和隔板以及两端电极组装而成。

在电渗析器中，一张阴膜、淡水隔板、阳膜、浓水隔板组成一个膜对，若干膜对组合成膜堆；一对电极之间的膜堆称为一级，淡水水流方向相同的膜堆称为段。

根据对水量和水质的要求，可采用一级一段、多级一段、一级多段和多级多段的不同组合方式。

电渗析器的主要部件和辅助设备

1.离子交换膜

离子交换膜，又称离子选择透过性膜。

它是由对离子具有选择透过性的高分子材料制成的薄膜。

按膜中的活性基团可分为：

阳离子交换膜（简称阳膜）：

强酸性磺酸型阳膜，活性基团为-SO3H或-SO3Na等，其反离子为H+或Na+等；

阴离子交换膜（简称阴膜）：

强碱性季铵型阴膜，活性基团为-N（CH3）3OH或-N（CH3）3Cl等，其反离子为OH-和Cl-等。

离子交换膜是一种高聚物电解质薄膜，当浸入电解质溶液后，其中的活性集团在溶剂的作用下发生离解：

产生的反离子进入水溶液，在膜上留下带有一定电荷的固定基团。

由于磺酸基团和季铵基团具有亲水性，使膜在水中溶胀，膜体结构变松，从而形成细微、弯曲和贯通膜两面的通道，使通道中留下带有一定电荷的固定基团而形成内电场。

在外电场作用下，由于内电场存在．离子交换膜只允许与其内电场电荷相反的离子通过，而与内电场电荷相同的离子不能通过。

离子交换膜的这种选择透过性，是电渗析除盐的基础。

（3）离子交换膜是电渗析器中的关键材料，故对离子交换膜的物理、化学和电化学性能有一定的要求：

①具有较高的选择透过性

溶液的浓度增高时，离子交换膜的选择透过性下降。

阳离子交换膜对阳离子的选择性迁移数应大于0.9，对阴离子迁移数应小于0.1。

②较好的化学稳定性

耐化学腐蚀、耐氧化、耐一定温度、耐辐射和抗水解的性能。

③离子的反扩散和渗水性较低

无论是同名离子迁移，还是浓差扩散及水的各种渗透过程，都不利于水的脱盐，或引起脱盐率下降。

④具有较高的机械强度

膜应光滑平整，无针孔，厚度均匀。

在受到一定压力或拉力时，不会发生变形裂纹，具有较高的机械强度和韧性。

⑤具有较低的膜电阻

膜的电阻应小于溶液的电阻，否则由膜本身所引起的电压降增大不利于最佳电流条件，使电渗析效率下降。

可通过减少膜的厚度，提高膜的交换容量和降低膜的交联度来降低膜电阻。