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1、第七章离子交第七章离子交换换膜膜与电与电渗析渗析电渗析的发展概述电渗析的发展概述电渗析基本原理电渗析基本原理离子交换膜的组成及分类离子交换膜的组成及分类离子交换膜的制备离子交换膜的制备离子交换膜的主要性能离子交换膜的主要性能电渗析器电渗析器电渗析的脱盐过程电渗析的脱盐过程新型的电渗析过程新型的电渗析过程电渗析在废水处理中的应用电渗析在废水处理中的应用主要内容主要内容3.3.山东东岳集团上周传出喜人消息：山东东岳集团上周传出喜人消息：“十一五十一五”国家科技支撑计划国家科技支撑计划“全氟离子交换膜工程技术研全氟离子交换膜工程技术研究究”项目的项目的4 4个课题全部通过了山东省科技厅组织个课题全部
2、通过了山东省科技厅组织的专家审核验收。的专家审核验收。国产全氟离子膜国产全氟离子膜关键技术、工关键技术、工程放大及装备技术开发项目的完成，以及在万吨程放大及装备技术开发项目的完成，以及在万吨级电解装置上成功应用，改写了我国氯碱工业长级电解装置上成功应用，改写了我国氯碱工业长期受制于人的历史。期受制于人的历史。我国我国20102010年度膜产业十大新闻年度膜产业十大新闻电电渗析的渗析的发发展展概概述述电渗析研究源于德国，与电渗析研究源于德国，与19521952年美国年美国IonicsIonics公司制备公司制备世界第一台电渗析装置，用于苦咸水淡化；世界第一台电渗析装置，用于苦咸水淡化；2020世
3、纪世纪5050年代末，日本开发海水浓缩制食盐；年代末，日本开发海水浓缩制食盐；我国电渗析技术研究始于我国电渗析技术研究始于19581958年，目前在电渗析主要年，目前在电渗析主要装置部件及结构方面都有巨大的创新，仅离子交换膜装置部件及结构方面都有巨大的创新，仅离子交换膜产量就占到了世界的产量就占到了世界的1/31/3；19811981年，我国由国家海洋局杭州水处理技术开发中心年，我国由国家海洋局杭州水处理技术开发中心研发出研发出200m200m3 3/d/d规模的海水淡化电渗析装置。规模的海水淡化电渗析装置。第一第一节节电电渗析基本原理渗析基本原理一、一、电电渗析的工作原理渗析的工作原理电电渗
4、析（渗析（electrodialysis，简称简称ED）是指在）是指在直流直流电场电场的的作用下，溶液中的作用下，溶液中的带电带电离子离子选择选择性性定向定向迁迁移，透移，透过过离离子交子交换换膜膜并并得以去除的一得以去除的一种种膜分离技膜分离技术术。电电位差位差为为推推动动力，利用力，利用阴阴、阳阳离子交离子交换换膜膜对对溶液中溶液中阴阴、阳阳离子的离子的选择选择透透过过性性(即即阳阳膜只允膜只允许阳许阳离子通离子通过过，阴阴膜只允膜只允许阴许阴离子通离子通过过），而使溶液中的溶），而使溶液中的溶质与质与水分离水分离的一的一种种物理化物理化学过学过程。程。从从而而实现实现溶液的溶液的浓缩浓缩
5、、淡化、淡化、精制和提精制和提纯纯的一的一种种膜膜过过程。程。工作原理示意工作原理示意图图 阳阳模模带负电带负电荷，荷，阴阴膜膜带带正正电电荷荷 与与膜所膜所带电带电荷相反的离子透荷相反的离子透过过膜的膜的现现象象称为称为反离子反离子迁迁移移 高高选择选择性渗透率、低性渗透率、低电电阻力、阻力、优优良的化良的化学学和和热稳热稳定性以定性以及一定的机械强度及一定的机械强度234阳阳膜膜组组成的成的电电渗析器渗析器 阴阴膜膜组组成的成的电电渗析器渗析器二、二、电电渗析渗析过过程中的程中的传递现传递现象象1 1）主要）主要过过程：程：反离子反离子迁迁移移2 2）次要）次要过过程：程：同名离子同名离子
6、迁迁移（移（阳阳模模-阴阴离子）、离子）、电电解解质质渗析渗析（浓浓差差扩扩散）、水渗透（渗透散）、水渗透（渗透压压）、水的）、水的电电渗透渗透（离子水合）（离子水合）3 3）非正常）非正常过过程：程：压压差渗漏（溶液）、水的解离（差渗漏（溶液）、水的解离（极极化）化）三、三、电电渗析渗析过过程的程的两个两个基本基本条条件件直流直流电场电场的作用的作用 使溶液中正、使溶液中正、负负离子分离子分别别向向阴极阴极和和阳极阳极作定向作定向迁迁移移离子交离子交换换膜的膜的选择选择透透过过性性 使溶液中的使溶液中的带电带电离子在膜上离子在膜上实现实现反离子反离子迁迁移移v 离子交换膜为什么具有选择透过性
7、呢离子交换膜为什么具有选择透过性呢离子交换膜为什么具有选择透过性呢离子交换膜为什么具有选择透过性呢四、离子交四、离子交换换膜的膜的选择选择透透过过性性 膜的膜的静电静电作用作用、孔隙作用孔隙作用和和扩扩散作用散作用带带大量大量电电荷的膜吸引反离子、排斥同名离子；荷的膜吸引反离子、排斥同名离子；膜中固定膜中固定离子越多，吸引力越强，离子越多，吸引力越强，选择选择性越好性越好水合离子半水合离子半径径小于孔隙大小才能通小于孔隙大小才能通过过膜膜对对溶解离子所具有的溶解离子所具有的传递迁传递迁移能力，吸附移能力，吸附-解吸解吸-迁迁移移注意！注意！离子交换膜的作离子交换膜的作用并不是起离子交换的用并不
8、是起离子交换的作用，而是起作用，而是起离子选择离子选择性透过作用性透过作用！第二第二节节离子交离子交换换膜的膜的组组成及分成及分类类 一、离子交一、离子交换换膜的膜的组组成成树树脂、脂、胶胶黏黏剂剂、增塑、增塑剂剂、着色、着色剂剂、抗、抗氧氧化化剂剂、脱脱模模剂剂等等 二、离子交二、离子交换换膜的分膜的分类类离子交离子交换换膜是膜膜是膜状状的离子交的离子交换树换树脂，含有活性基脂，含有活性基团团和和能使离子透能使离子透过过的的细细孔孔常用的离子交常用的离子交换换膜按其膜按其选择选择透透过过性可分性可分为为阳离子交换阳离子交换膜膜、阴离子交换膜阴离子交换膜、特殊离子交换膜特殊离子交换膜三大三大类
9、类阳阳膜含有酸性活性基膜含有酸性活性基团团，解离出，解离出阳阳离子，使膜呈离子，使膜呈负电负电性，性，选择选择性透性透过阳过阳离子离子阴阴膜含有膜含有碱碱性活性基性活性基团团，与阳与阳模相反模相反选择性透过选择性透过特殊离子交特殊离子交换换膜膜 双极双极膜膜由一面由一面阳阳膜和一面膜和一面阴阴膜其膜其间夹间夹一一层极层极薄的薄的网网布做布做成，具有方向性的成，具有方向性的电电阻。阻。当阳当阳膜面朝向膜面朝向阴极阴极，阴阴膜面膜面朝向朝向阳极时阳极时，正、，正、负负离子都不能透离子都不能透过过膜，膜，显显示出很高示出很高的的电电阻。阻。当当膜的朝向膜的朝向与与上述相反上述相反时时，膜，膜电电阻降
10、低，膜阻降低，膜两侧两侧相相应应的离子的离子进进入膜中。入膜中。直流电场下，双极性膜直流电场下，双极性膜可将水离解，能够将水可将水离解，能够将水分离成分离成H+与与OH-两种离两种离子，可作为子，可作为H+与与OH-的的供应源。供应源。第三第三节节 离子交离子交换换膜的制膜的制备备按照离子交按照离子交换换膜的主体膜的主体组组分可分分可分为为均相膜和均相膜和异异相膜相膜 均相膜均相膜中各成分以分子中各成分以分子状态状态均均匀匀分布，不存在相界面分布，不存在相界面 异异相膜相膜是通是通过胶过胶黏黏剂剂把粉把粉状树状树脂制成片脂制成片状状膜，存在膜，存在相界面相界面1.1.异异相膜（相膜（压压延和模
11、延和模压压，溶液型，溶液型胶胶黏黏剂剂，离子型交，离子型交换树换树脂）脂）2.2.半均相膜（半均相膜（胶胶黏黏剂剂吸浸吸浸单单体后聚合制体后聚合制备树备树脂，均脂，均匀匀分散）分散）3.3.均相膜（直接薄膜化，制均相膜（直接薄膜化，制备备基膜后引入离子交基膜后引入离子交换换基基团团或者或者先引入离子交先引入离子交换换基基团团后再成膜）后再成膜）4.4.新型离子交新型离子交换换膜（膜（双极双极膜和膜和螯螯合膜）合膜）第四第四节节离子交离子交换换膜的主要性能膜的主要性能1.交交换换容量容量（IEC）：每克干膜所含活性基）：每克干膜所含活性基团团的毫的毫克克当当量量数数，单单位位为为meq/g 交交
12、换换容量高，容量高，选择选择透透过过性好，性好，导电导电能力强，但溶能力强，但溶胀胀度大，影度大，影响响机械强度机械强度 一般一般约为约为23meq/g2.含水量含水量：膜：膜内与内与活性基活性基团结团结合的合的内内在水，以每克干膜含水在水，以每克干膜含水质质量表示，一般含水量量表示，一般含水量为为20-40%3.膜膜电电阻阻：关关系工作所需系工作所需电压电压和和电电能消耗，通常越小越好能消耗，通常越小越好4.选择选择透透过过度度：常用反离子：常用反离子迁迁移移数数和膜的透和膜的透过过度度来来表示表示 一般要求大于一般要求大于85%，反离子，反离子迁迁移移数数大于大于0.9，并并希望在高希望在
13、高浓浓度度电电解解质质中仍有良好的中仍有良好的选择选择透透过过性性离子交离子交换换膜的性能要求膜的性能要求选择选择透透过过性高，要求在性高，要求在95%95%以上；以上；导电导电性好，要求其性好，要求其导电导电能力能力应应大于溶液的大于溶液的导电导电能力；能力；交交换换容量大；容量大；溶溶胀胀率和含水率适量；率和含水率适量；化化学稳学稳定性强；定性强；机械强度大。机械强度大。第五第五节节电电渗析器渗析器一、一、电电渗析器的主要渗析器的主要结构结构电电渗析器由渗析器由膜堆、膜堆、极区极区和和压紧压紧装置装置三部分三部分组组成成常用基本常用基本术语术语包括包括膜膜对对、级级、段段等等膜膜对对：由：
14、由阳阳膜、膜、浓浓（或淡）水室隔板、（或淡）水室隔板、阴阴膜、淡（膜、淡（浓浓）水室隔板交替排列成水室隔板交替排列成浓浓水室和淡水室，最小水室和淡水室，最小电电渗析工渗析工作作单单元元膜堆膜堆由一系列膜由一系列膜对组对组成，位于成，位于电电渗析器的中部。渗析器的中部。极区极区由由托板、托板、电极电极、极极框和框和弹弹性性垫垫板板组组成成 压紧压紧装置装置由盖板和螺杆由盖板和螺杆组组成，其作用是成，其作用是将极区将极区和膜堆和膜堆组组成不漏水的成不漏水的电电渗析器整体渗析器整体二、二、电电渗析器的渗析器的组组装装电渗析器的组装依其应电渗析器的组装依其应用不同而有所不同。其用不同而有所不同。其组装
15、的情况是用级和段组装的情况是用级和段来表示的。来表示的。级：级：一对一对正、负正、负电极电极之之间的膜堆称为一级；间的膜堆称为一级；段：段：具有具有同一水流方向同一水流方向的并的并联膜堆称为一段联膜堆称为一段。电渗析器的组装示意图电渗析器的组装示意图三、三、电电渗析器的渗析器的级与级与段段一级一段一级一段一级两段一级两段两级一段两级一段两级两段两级两段一对正、负电极之间的膜堆称为一级一对正、负电极之间的膜堆称为一级具有同一水流方向的并具有同一水流方向的并联膜堆称为一段联膜堆称为一段并并联联串串联联一一级级一段一段特点是特点是产产水量水量与与膜膜对数对数成正比，成正比，脱盐脱盐率率取取决决于一于
16、一块块隔板的流程隔板的流程长长度，常用于大、中制水度，常用于大、中制水厂厂，可含，可含200200360360个个膜膜对对；二二级级一段（多一段（多级级一段）一段）使操作使操作电压电压降低，便于低降低，便于低操作操作电压电压下下获获得高得高产产水量；水量；一一级两级两段段可增加可增加脱盐脱盐流程流程长长度，提高度，提高脱盐脱盐率，适率，适用于用于单单台台电电渗析器一次渗析器一次脱盐脱盐，中、小型制水，中、小型制水厂厂；多多级级多段多段发挥两发挥两者者优优点，同点，同时满时满足足对产对产量和量和质质量量的要求。的要求。四、四、实际应实际应用的用的电电渗析器渗析器五、五、电电渗析渗析仪仪的性能指的
17、性能指标标淡水淡水产产量量脱盐脱盐率率电电能消耗能消耗电电流效率流效率第六第六节节电电渗析的渗析的脱盐过脱盐过程程1.1.连续连续式式脱盐脱盐2.2.循循环环式式脱盐脱盐第七第七节节 新型的新型的电电渗析渗析过过程程填填充混合离子交充混合离子交换树换树脂脂电电渗析渗析过过程程含离子交含离子交换换膜的膜的Donnan渗析渗析 双极膜水解离电渗析双极膜水解离电渗析双极膜是阴、阳膜紧密相邻或结合而成，直流电场下可将双极膜是阴、阳膜紧密相邻或结合而成，直流电场下可将水离解水离解双极性膜单独使用可实现电解反应；与阳膜和阴膜组合使双极性膜单独使用可实现电解反应；与阳膜和阴膜组合使用可实现离子交换反应，可将
18、盐转化成相应的酸与碱、可用可实现离子交换反应，可将盐转化成相应的酸与碱、可从氨基酸盐制备氨基酸。从氨基酸盐制备氨基酸。酸性酸性气气体的体的清清除除与与回收回收第八第八节节电电渗析在渗析在废废水水处处理中的理中的应应用用水的水的纯纯化化 海水、苦咸水、自海水、苦咸水、自来来水制水制备备初初级级和高和高级纯级纯水的重要方法，水的重要方法，一般采用一般采用与与离子交离子交换树换树脂脂组组合工合工艺艺，但注意，但注意电电渗析不能渗析不能出去出去非非电电解解质杂质质杂质海水、海水、盐盐泉泉卤卤水制水制盐盐 电电渗析渗析浓缩浓缩海水蒸海水蒸发结发结晶制晶制备备食食盐盐，不受地理，不受地理气气候限制，候限制
19、，易于自易于自动动化和工化和工业业化化废废水水处处理理脱脱除有机物中的除有机物中的盐盐分分 目前，目前，电电渗析在渗析在废废水水处处理理实践实践中中应应用最普遍的有：用最普遍的有：造造纸纸工工业废业废水水处处理，利用理，利用电电渗析法渗析法处处理造理造纸纸工工业业的的亚亚硫酸硫酸纸纸浆废浆废液和洗液和洗浆废浆废水及水及碱碱法造法造纸纸黑液，黑液，从从中回收化中回收化学药学药品，已品，已得到工得到工业应业应用。用。从从芒硝芒硝废废液中制取硫酸和液中制取硫酸和氢氧氢氧化化钠钠。从从酸洗酸洗废废液中制取硫酸和沉淀重金液中制取硫酸和沉淀重金属属离子。离子。电镀废电镀废水和水和废废液液处处理，含理，含C
20、dCd2+2+、CuCu2+2+、NiNi2+2+、ZnZn2+2+、CrCr6+6+等重金等重金属属离子和离子和氰氰化物的化物的电镀废电镀废水都适宜用水都适宜用电电渗析法渗析法处处理，其中理，其中应应用最成熟的是含用最成熟的是含镍废镍废水水处处理。理。从从放射性放射性废废水中分离放射性元素，然后水中分离放射性元素，然后将将其其浓缩浓缩液掩埋。液掩埋。脱除有机物中的盐分脱除有机物中的盐分医药：葡萄糖、甘露醛、氨基酸、维生素医药：葡萄糖、甘露醛、氨基酸、维生素C C，中草药等，中草药等 中草药有效成分的分离和精制，可通过电渗析把中草中草药有效成分的分离和精制，可通过电渗析把中草药提取液分离成无机
21、阳离子和生物碱、无机阴离子和有药提取液分离成无机阳离子和生物碱、无机阴离子和有机酸、中性化合物和高分子化合物三部分机酸、中性化合物和高分子化合物三部分食品：牛乳、乳清等食品：牛乳、乳清等超滤、反渗透、电渗析超滤、反渗透、电渗析组合工艺提取甘露醇组合工艺提取甘露醇本章本章习题习题掌握电渗析的工作原理及其组成示意图掌握电渗析的工作原理及其组成示意图电渗析过程发生哪些传递现象？哪些是主要的，哪些是次要电渗析过程发生哪些传递现象？哪些是主要的，哪些是次要的，哪些是非正常的？的，哪些是非正常的？电渗析过程中离子交换膜起什么作用？阳膜和阴膜各带什么电渗析过程中离子交换膜起什么作用？阳膜和阴膜各带什么电荷，它们有什么特点？电荷，它们有什么特点？电渗析过程发生的两个基本条件电渗析过程发生的两个基本条件离子交换膜为什么具有选择透过性？它的主要性能有哪些？离子交换膜为什么具有选择透过性？它的主要性能有哪些？电渗析器的主要结构，膜对、膜堆以及段和级的含义，它有电渗析器的主要结构，膜对、膜堆以及段和级的含义，它有哪些性能指标？哪些性能指标？双极膜的特点双极膜的特点电渗析的应用主要是水的纯化和脱盐电渗析的应用主要是水的纯化和脱盐