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1、第七章 电膜过程第1页，共53页，编辑于2022年，星期一内容简介v离子交换膜的定义及分类v离子交换膜的制备简介v电渗析原理v特殊电渗析（EDR、EDI）v离子膜电解v双极膜及其水解离第2页，共53页，编辑于2022年，星期一离子交换膜定义n 离子交换膜是膜状的离子交换树脂。它包括三个基本组成部分：高分子骨架高分子骨架，固定基团固定基团及基团上的可移动离子。可移动离子。带固定基团的聚合物主体反离子，这里为阳离子同离子，这里为阴离子电解质溶液阳离子交换膜第3页，共53页，编辑于2022年，星期一离子膜分类按电荷分n阳离子交换膜：活性基团：磺酸基（-SO3H）磷酸基（-PO3H2）羧酸基（-COO
2、H）砷酸基（AsO32-）等；n阴离子交换膜：活性基团：伯、仲、叔、季胺基和芳胺基-NH3+、-RNH2+、-R2NH+、-R3N+、n双极膜 按膜结构划分 n均相膜n半均相膜n异相膜第4页，共53页，编辑于2022年，星期一非均相离子交换膜的制备树脂树脂干燥干燥磨粉磨粉混炼混炼拉片拉片加网热压加网热压配料配料过筛过筛第5页，共53页，编辑于2022年，星期一半均相离子交换膜的制备n半均相离子交换膜主要用含浸膜。有两条路线，一是用粒状粘结剂浸吸单体进行聚合，制成含粘结剂的热塑性离子交换树脂，再按异相膜那样制备相应的膜（不需要磨粉）；二是用粉状粘结剂浸吸单体、增塑剂等，然后涂在网布上进行热压聚合
3、再功能基化(糊状法)。第6页，共53页，编辑于2022年，星期一均相离子交换膜的制备 n（1)单体的聚合或缩聚，其中至少有一个单体必须含有可引入阴离子或阳离子交换基团的结构；n（2)在预先制备的基膜中引入功能基团n（3）聚合物先功能基化，然后溶解流涎（浇铸）成膜 第7页，共53页，编辑于2022年，星期一单体的聚合 第8页，共53页，编辑于2022年，星期一单体的缩聚 第9页，共53页，编辑于2022年，星期一n溶液浇铸法制备离子交换膜 第10页，共53页，编辑于2022年，星期一离子交换膜的主要性能表征离子交换膜的主要性能表征 n物理性能物理性能n化学性能：化学性能：IEC（交换容量）（交换
4、容量）每克干膜（氢型）或湿膜（氢型）与外界溶液中相应离子每克干膜（氢型）或湿膜（氢型）与外界溶液中相应离子进行等量交换的毫摩尔数值进行等量交换的毫摩尔数值mmol/g 含水量含水量 指干态膜在水中溶胀后增加的重量，以百分数表示。指干态膜在水中溶胀后增加的重量，以百分数表示。第11页，共53页，编辑于2022年，星期一n电化学性能电化学性能 膜电阻膜电阻 可以用面电阻表示（可以用面电阻表示（）。它的高低对能耗）。它的高低对能耗影响很大影响很大 膜电位膜电位由由于于离离子子的的选选择择性性迁迁移移而而形形成成一一浓浓差差电电位位，膜膜电电位位不不是是平平衡衡电电位位，而而是是由由于于通通过过膜膜的
5、的离离子子的的流流动动而而产产生生的的电电位。位。-+0.2mol/lKCl-+0.1mol/lKCl0.2mol/lKCl0.1mol/lKClK+Cl-阳膜阴膜第12页，共53页，编辑于2022年，星期一膜内迁移数膜内迁移数 某种离子在膜内独立迁移电量与全部离子在膜内迁移总电量的某种离子在膜内独立迁移电量与全部离子在膜内迁移总电量的比值比值 测膜电位的方法可求迁移数。假设电解质是测膜电位的方法可求迁移数。假设电解质是11型，因型，因 第13页，共53页，编辑于2022年，星期一膜电阻测定DDS-11A电导仪数字万用表Ag-AgCl电极Ag-AgCl电极膜样品第14页，共53页，编辑于202
6、2年，星期一膜电位、迁移数测定膜样品V第15页，共53页，编辑于2022年，星期一离子交换膜的选择透过性n膜中孔隙：具有“筛分作用”n基膜上带固定电荷的活性基团：产生道南排斥作用，只让反离子通过，不让同离子通过。n选择透过性(P):第16页，共53页，编辑于2022年，星期一扩散系数测定扩散系数测定扩散系数扩散系数:在没有电场作用时,在浓差作用下,盐可以透过膜的能力.第17页，共53页，编辑于2022年，星期一 实用离子交换膜的主要性能要求 nu 膜对离子的选择性高；nu膜的导电性能好，电阻低，nu适宜的交换容量，nu较小的盐扩散系数和水的渗透通量；nu 具有良好的物化稳定性。nu 膜的外观平
7、整，厚度均匀，没有针孔 第18页，共53页，编辑于2022年，星期一离子交换膜的传质理论n道南平衡理论n基本传质方程：由对流传质、扩散传质、电迁移传质三部份组成，总传质速率为：第19页，共53页，编辑于2022年，星期一电驱动膜过程电渗析n电渗析过程能耗低,无污染,水回收率高,装置寿命长.n主要用于脱盐淡化和浓缩第20页，共53页，编辑于2022年，星期一 电渗析原理123456料液浓缩液脱盐液第21页，共53页，编辑于2022年，星期一主要过程主要过程：在电埸力作用下，料液中阳离子透过阳膜进在电埸力作用下，料液中阳离子透过阳膜进入浓室，阴离子透过阴膜进入浓室。其结果入浓室，阴离子透过阴膜进入
8、浓室。其结果是浓室水盐浓度升高是浓室水盐浓度升高,淡室水中盐浓度降低淡室水中盐浓度降低伴随过程：伴随过程：n同名离子迁移同名离子迁移n浓差扩散浓差扩散n水的迁移：浓差迁移、电渗透、压差迁水的迁移：浓差迁移、电渗透、压差迁 移移第22页，共53页，编辑于2022年，星期一电渗析过程中的浓差极化n离子枯竭n极化n极限电流（）（+）阴膜Cl-第23页，共53页，编辑于2022年，星期一极化产生的危害n产生结垢使电阻增加，膜使用寿命下降。n在阴膜淡水室一侧留下H+，溶液呈酸性也影响膜寿命。n总的结果是离子迁移减少，脱盐率下降，水质下降，电流效率下降。第24页，共53页，编辑于2022年，星期一极化的防
9、止及结垢消除方法极化的防止及结垢消除方法n控制操作电流密度要小于极限电流密度。n提高溶液湍流程度，减小扩散边界层厚度。n定期用稀盐酸或稀醋酸进行洗涤。n倒极电渗析，即在运行过程中每隔28hr之间倒换一次电极，同时改变浓、淡水系统流向，使浓、淡水室同时互换。n频繁倒极电渗析，简称为EDR。第25页，共53页，编辑于2022年，星期一极限电流的测定极限电流的测定 n伏安曲线法。将两片铂片插在膜堆内约20对膜的左右边，铂片上的铂丝导线伸出膜堆外，并连接在电压电流表组成的测量回路中。测定时保持溶液温度、浓度及浓、淡水流速恒定。改变输入电流，测出膜堆电压，用膜对数除之则得出膜对电压。n以膜对电压为纵坐标
10、，电流密度为横坐标作图，得I-V曲线。开始时电压与相应的电流值成线性关系，当超过某一电压值后则出现拐点，即直线的斜率发生了变化。这个拐点所对应的电流密度即为极限电流密度。第26页，共53页，编辑于2022年，星期一电渗析器的结构1、4.离子交换膜；2、5.隔板；3.隔板网第27页，共53页，编辑于2022年，星期一第28页，共53页，编辑于2022年，星期一第29页，共53页，编辑于2022年，星期一电渗析操作模式 n电渗析器的组合方式有串联、并联及串并联相结合几种方式，常用术语“级”和“段”来表示。n“级”是指电极对的 数目，一对电极称为一级；n“段”是指水流方向，每改变一次水流方向称为一段
11、。第30页，共53页，编辑于2022年，星期一（a）一级一段（b）二级一段（c）一级二段（d）二级二段第31页，共53页，编辑于2022年，星期一多级电渗析产量高(处理量大)多段电渗析增加脱盐率.第32页，共53页，编辑于2022年，星期一电渗析过程的各种指标n流速与流量淡液室的流量为：膜堆总流量为：淡液室的液流速度为：第33页，共53页，编辑于2022年，星期一n脱盐率 定义脱盐率 n能耗电渗析构成的直流能耗为：电渗析过程的交流能耗指输液泵的耗能，其计算式为：电流效率 电流效率为实际脱盐量与理论脱盐量的比值：第34页，共53页，编辑于2022年，星期一影响电流效率的主要因素影响电流效率的主要
12、因素n漏液，浓淡水互相掺和漏液，浓淡水互相掺和n极化和膜中毒极化和膜中毒n水的扩散渗透水的扩散渗透n浓淡室浓度差太大，盐扩散迁移浓淡室浓度差太大，盐扩散迁移n膜选择性差，同名离子迁移膜选择性差，同名离子迁移第35页，共53页，编辑于2022年，星期一特殊电渗析简介-EDRnEDR是英文Electrodialysis Reversal 的缩写，它是美国Ionics 公司开发的15-30min自动倒换电极极性并同时自动改变浓、淡水水流流向的电渗析。n在朝阳极的阴膜面上生成的初始沉淀晶体，在没有进一步生长之前，便被溶解或被液流冲走，不能形成运动障碍；n由于电极极性频繁倒转，水中带电胶体或菌胶团的运动
13、方向频繁倒转，减轻了粘性物质在膜面上的附着和积累；n可以避免或减少向浓水流中加酸或防垢剂等化学药品；n在运行过程中，阳极室产生的酸可以自身清洗电极，克服阴极面上的沉淀 第36页，共53页，编辑于2022年，星期一特殊电渗析简介-EDIEDI是近年来发展的电去离子技术（Electrodeionization），又称连续去离子技术CDI（Continuous deionization）或填充床电渗析，它是在普通电渗析的基础上发展起来的，广泛地应用于纯水和超纯水的制备。EDI是一种在电渗析器淡室隔板中装填阴、阳树脂的新型水处理装置，是离子交换与电渗析的有机结合，这种结合既克服了电渗析过程离子含量很低
14、时导电性差的缺点，又克服了离子交换过程中树脂需要不断再生的缺点。第37页，共53页，编辑于2022年，星期一第38页，共53页，编辑于2022年，星期一EDI优点l 过程安全可靠；l 能耗低l 不需酸碱再生，过程可连续进行；l 无环境污染l 装置紧凑，空间大大节省 水的回收率高可达95%，质量好（可去除水中99.5%的盐类、95-99%的硅、96%的硼及99%的CO2）。第39页，共53页，编辑于2022年，星期一离子膜电解过程离子膜电解过程 n将盐劈裂为酸和碱n氧化与还原n无试剂加入调PHn从废液中回收酸碱第40页，共53页，编辑于2022年，星期一离子膜电解生产酸与碱离子膜电解生产酸与碱n
15、阳离子交换膜作隔膜，NaCl溶液放置阳极室，电解的基本反应为：n 阳极反应：n阴极反应：2H2O2e =4OH-+H2 Na+在电场作用下通过阳膜进入阴极室，阴极室内生成NaOH。n氯气与氢气反应生成HCL，被水吸收产出盐酸Cl2H2ONaCl溶液Na+Cl-OH-NaOH+H2+-第41页，共53页，编辑于2022年，星期一扩散渗析从废液中回收酸碱扩散渗析从废液中回收酸碱n以膜两侧溶液的浓度差为推动力，利用离子膜对酸（碱）扩散速度大的特点来实现酸（碱）与盐的分离。n应用：从钢铁酸洗液中回收余酸 从钨酸钠溶液中回收余碱第42页，共53页，编辑于2022年，星期一从钢铁酸洗液中回收余酸从钢铁酸洗
16、液中回收余酸酸洗槽酸洗槽扩散渗析扩散渗析硫酸配制槽硫酸配制槽-+H2SO4H2SO4+FeSO4水铁铁浓硫酸浓硫酸H2SO4第43页，共53页，编辑于2022年，星期一离子交换膜的应用q1.从电解质溶液中分离出部分离子，使电解质溶液的浓度降低，如海水、苦咸水淡化制取饮用水；工业用初级纯水的 制备、放射性废水的 处理等，这是应用离子交换膜最多的领域，也是电渗析应用最成熟的 领域。q2.把溶液中部分离子转移到另一溶液中去，并使其浓度增高，如海水浓缩制盐、化工产品精制、工业废液中有用成分的回收等。q 3.从有机溶液中除电解质离子，目前主要用于食品和医药工业，如乳清脱盐、糖类脱盐、氨基酸精制等。q4.
17、电解质离子的分离，如一、二价离子的分离等。q5.利用电解质离子的定向迁移完成产品的生产或进行某种反应，如复分解反应、隔膜电解。q 6.微量元素的富集与分析，主要用于稀有金属离子、原子能工业与分析等。q7.作导电电解质，如电池隔膜等。第44页，共53页，编辑于2022年，星期一(NH4)2SO4电解劈裂为NH4OH及H2SO4 n南非低品位冰铜湿法冶金流程中，萃镍残液含有大约45g/L(NH4)2SO4，采用膜电解法劈裂它为H2SO4与NH4OH，返回流程使用从而形成闭路工艺。n方法的特征为采用阴离子交换膜为隔膜，萃镍残液置放阴极室，SO42离子在电场力驱动下通过阴膜进入阳极室。因为阳极液为酸性
18、，故在阳极发生下列反应：n2H2O4eO24Hn在阳极室生成H2SO4。而在阴极发生下列反应：n2H2O2eH22OHnOH与NH4结合成电离常数很小的NH4OH或NH3H2O。硫酸直接返回浸出，氨水适当浓缩后返回用作中和剂。第45页，共53页，编辑于2022年，星期一应用举例应用举例电渗析处理印刷电路板含铜废水电渗析处理印刷电路板含铜废水刻蚀工艺刻蚀工艺预处理预处理电渗析电渗析离子交换置换CuCl2废液废液自自来来水水除盐液除盐液纯水纯水浓缩液浓缩液铜铜再生废液再生废液第46页，共53页，编辑于2022年，星期一含硫酸钠废水的浓缩与回收H2SO4废液废液30浓缩液浓缩液结晶浆料结晶浆料硫酸钠
19、结硫酸钠结晶晶冷却冷却加热加热泵泵淡水返回主流程淡水返回主流程电渗析电渗析第47页，共53页，编辑于2022年，星期一双极膜双极膜简介双极膜的制备双极膜水解离特性曲线的研究双极膜应用第48页，共53页，编辑于2022年，星期一双极膜的制备v阴、阳离子交换膜疏松层压法阴、阳离子交换膜疏松层压法v阴、阳离子交换膜层热压成型法阴、阳离子交换膜层热压成型法v阴、阳离子交换膜层粘合成型法阴、阳离子交换膜层粘合成型法v 一膜层在另一膜层上流延成型法一膜层在另一膜层上流延成型法 v阴、阳离子交换膜共挤压成型法阴、阳离子交换膜共挤压成型法v单层膜表面修饰法单层膜表面修饰法 第49页，共53页，编辑于2022年
20、，星期一双极膜水解离第50页，共53页，编辑于2022年，星期一双极膜劈裂双极膜劈裂Na2SO4为为NaOH与与H2SO4第51页，共53页，编辑于2022年，星期一本章习题1.在0.1/0.2N KCL溶液的体系中，测得阳膜和阴膜的电位值分别为15.6和15.3 mV，计算阴膜和阳膜的迁移数各是多少？若电位值不变，而KCl溶液的浓度变为0.5/1.0 和0.1/0.5 时，阴、阳膜的迁移数又是多少？第52页，共53页，编辑于2022年，星期一2.用于灌溉的地表水通过电渗析脱盐，使NaCl浓度从1.2g/l降至200ppm,系统共有100个室，每个腔室的平均电阻为0.04,若处理量为10 m3/h,计算所需功率。已知电流效率为92%。3.双极膜电渗析与普通电渗析有什么差别与联系？第53页，共53页，编辑于2022年，星期一