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1、第六章第六章 膜分离膜分离第一节第一节 绪论绪论第二节第二节 电渗析电渗析第三节第三节 反渗透反渗透第四节第四节 渗透汽化渗透汽化第五节第五节 其他膜分离其他膜分离第六节第六节 液膜分离液膜分离无机膜分离装置无机膜分离装置1.1.熟悉电渗析熟悉电渗析渗透汽化渗透汽化反渗透和液膜分离的原理反渗透和液膜分离的原理过程和应用；过程和应用；2.2.同时熟悉离子交换膜和液膜的结构同时熟悉离子交换膜和液膜的结构分类和性能；分类和性能；3.3.了解膜的概念及分类；了解膜的概念及分类；4.4.了解电渗析过程中的极化和结垢问题；了解电渗析过程中的极化和结垢问题；5.5.了解超过滤了解超过滤微滤微滤其它分离过程（
2、膜蒸馏其它分离过程（膜蒸馏膜萃取膜萃取和膜分相）的原理及操作特点和膜分相）的原理及操作特点要求：要求：第一节第一节 绪绪 论论 随着科技发展，随着科技发展，“膜膜”这个新名词越来越多的在这个新名词越来越多的在各个方面出现，看起来它是一层极薄的薄片，但它威各个方面出现，看起来它是一层极薄的薄片，但它威力之大，很难想象力之大，很难想象.膜分离技术是一项膜分离技术是一项简单、快速、高效、选择性好、简单、快速、高效、选择性好、经济节能经济节能的新技术。它已广泛地用于水处理、湿法冶的新技术。它已广泛地用于水处理、湿法冶金、生物化工、医药工业、食品工业及环境保护等方金、生物化工、医药工业、食品工业及环境保
3、护等方面。面。一、膜的概念一、膜的概念 在一种流体相内或两种流体相之间有一薄层在一种流体相内或两种流体相之间有一薄层凝凝聚相物质聚相物质把流体相分隔成两部分，把流体相分隔成两部分，并能使这两部分并能使这两部分之间产生传质作用。之间产生传质作用。这一薄层物质就是这一薄层物质就是膜膜，这一，这一作作为凝聚相的膜可以是固态的，或液态的；流体相可为凝聚相的膜可以是固态的，或液态的；流体相可以是液态的，也可以是气态的。以是液态的，也可以是气态的。膜膜(Membrane)(Membrane)是什是什么？有何特性？么？有何特性？膜的特性：膜的特性：膜本身可以是均匀的一相，膜本身可以是均匀的一相，也可以是由两
4、相以上的凝也可以是由两相以上的凝 聚态物质构成的复合体；聚态物质构成的复合体；不管膜多薄不管膜多薄,它必须有两个界面。它必须有两个界面。这两个界面分别与两侧这两个界面分别与两侧的流体相接触。的流体相接触。膜可以是完全透过性的，也可是半透过性，膜可以是完全透过性的，也可是半透过性，但不应是完全但不应是完全不透过性的；不透过性的；可独立存于流体相间，也可附着支持体或在体的微孔隙中。可独立存于流体相间，也可附着支持体或在体的微孔隙中。二、膜分离技术的发展历史二、膜分离技术的发展历史v 膜膜科学的发展史科学的发展史v 膜膜工业的发展史工业的发展史年代年代科学家科学家主要内容主要内容1748AbbeNo
5、llet水能自发地穿过猪膀胱进入酒精溶液，发生水能自发地穿过猪膀胱进入酒精溶液，发生渗透现象渗透现象1827Dutrochet名词渗透作用（名词渗透作用（Osmosis）的引入）的引入1831J.V.Mitchell气体透过橡胶膜的研究气体透过橡胶膜的研究1855Fick发现了扩散定律，至今用于通过膜的扩散；发现了扩散定律，至今用于通过膜的扩散；制备了早期的人工半渗透膜制备了早期的人工半渗透膜18611966Graham发现气体通过橡皮有不同的的渗透率，发现发现气体通过橡皮有不同的的渗透率，发现渗析（渗析（Dialysis）现象）现象18601977VantHoff，Tranbe，Preffe
6、r渗透压定律渗透压定律1906Kahlenbery观察到烃观察到烃/乙醇溶液选择透过橡胶薄膜乙醇溶液选择透过橡胶薄膜1917Kober引入名词渗透气化（引入名词渗透气化（Pervaporqtion）膜科学的发展史膜科学的发展史1911DonnanDonnan分布定律。研究了分子带电荷体的形成，电荷分分布定律。研究了分子带电荷体的形成，电荷分布，布，Donnan电渗析和伴生传递的平衡现象电渗析和伴生传递的平衡现象1922ZsigmondyBachmanFofirol.etc微孔膜用于分离极细粒子、初期的超滤和反渗透（膜材料微孔膜用于分离极细粒子、初期的超滤和反渗透（膜材料为赛璐玢和再生纤维）为赛
7、璐玢和再生纤维）1920Mangold，Michaels.Mobain.etc用赛璐玢和消化纤维素膜观察了电解质和非电解质的反渗用赛璐玢和消化纤维素膜观察了电解质和非电解质的反渗透现象透现象1930Teorell，Meyer，Sievers进行了膜电势的研究，是电渗析和膜电极的基础进行了膜电势的研究，是电渗析和膜电极的基础1944WilliamKolff初次成功使用了人工肾初次成功使用了人工肾1950Juda，Mcrae合成膜的研究，发明了电渗析，微孔过滤和血液透析等分合成膜的研究，发明了电渗析，微孔过滤和血液透析等分离工程离工程1960Loeb-Sourirajan相转化法制出了非对称反渗透
8、膜相转化法制出了非对称反渗透膜1968N.N.Li发明了液膜发明了液膜1980Cadotte制出了界面反应聚合复合膜制出了界面反应聚合复合膜分离过程分离过程年代年代目前主要厂商目前主要厂商应用应用微滤微滤1925MilliporeCorp，Pallcorp.，AsahiChemical微电子、医学、微电子、医学、食品、化工等食品、化工等电渗析电渗析1960OonicsIns.，TokuyamaSoda，AsahiGlass苦咸水脱盐、水苦咸水脱盐、水分解、氯碱工业分解、氯碱工业反渗透反渗透1965FilmTech./DOW，Hydronautics/Nitto，Torray，DduPont海水
9、脱盐、饮用海水脱盐、饮用水生产、食品工水生产、食品工业、造纸工业等业、造纸工业等渗析渗析1965Enka/AKZO，Gambro，AsahiChemical血液渗析、工业血液渗析、工业废液等废液等超滤超滤1970AmiconCorp.，KochEng.Inc.，NittlDenko制药工业、乳品制药工业、乳品工业等工业等气体分离气体分离1980Permea/AirProd.，UbeInd.，Hoechst/Celanese医疗、燃烧过程医疗、燃烧过程等等渗透汽化渗透汽化1990GFTGmbH无水乙醇生产无水乙醇生产膜工业的发展史膜工业的发展史其发展的历史大致为：其发展的历史大致为：30年代微孔
10、过滤，年代微孔过滤，40年代透析；年代透析；50年代电渗析；年代电渗析；60年代反渗透；年代反渗透；70年代超滤和液膜；年代超滤和液膜；80年代气体分年代气体分离；离；90年代渗透汽化。此外以膜为基础的其它新型年代渗透汽化。此外以膜为基础的其它新型分离过程，以及膜分离与其它分离过程结合的集成分离过程，以及膜分离与其它分离过程结合的集成过程过程(IntegratedMembraneProcess)也日益得到重视和也日益得到重视和发展。发展。三、膜分离过程的特点三、膜分离过程的特点 归纳起来，膜分离过程的主要特点是以归纳起来，膜分离过程的主要特点是以具有选择透具有选择透过性的膜作为组分分离的手段过
11、性的膜作为组分分离的手段。通过在膜两边施加一个通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电压差等）时，使原料侧推动力（如浓度差、压力差或电压差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。通常有以下三种形式：通常有以下三种形式：1.渗析式膜分离渗析式膜分离2.过滤式膜分离过滤式膜分离3.液膜分离液膜分离FeedRetentate(residue)（截留液）（截留液）Permeate透过液透过液1.1.渗析式膜分离渗析式膜分离 浓度差、电位差浓度差、电位差被处理的溶液被处理的溶液膜膜接纳渗析组分接纳渗析组分的溶剂或溶液的溶剂或溶液 料液中
12、的某些溶质或离子在浓度差、电位差的推动料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的推动下，透过膜进入接受液中而被分离。如：渗析、电渗析下，透过膜进入接受液中而被分离。如：渗析、电渗析2.过滤式膜分离过滤式膜分离溶液或溶液或混合气体混合气体固膜固膜渗透液渗透液渗透气渗透气 由于组分的由于组分的分子的大小和性质不同分子的大小和性质不同，它们透过膜的，它们透过膜的速率有差异，因而透过部分与留下部分的组成不同，即速率有差异，因而透过部分与留下部分的组成不同，即实现了分离。如：超滤、微滤、反渗透、气体渗透实现了分离。如：超滤、微滤、反渗透、气体渗透压力差压力差3.液膜分离液膜分离 特点：过程涉及三个液相特点
13、：过程涉及三个液相料液第一液相，接受液料液第一液相，接受液第二液相，液膜第三液相。第二液相，液膜第三液相。料液料液液膜液膜接受液接受液萃取与反萃取萃取与反萃取液膜与料液和接受液互不混溶液膜与料液和接受液互不混溶膜的种类膜的种类根据根据膜的膜的材质材质固固体体膜膜液液体体膜膜根据根据材料材料来源来源天天然然膜膜合合成成膜膜无机材料膜无机材料膜有机高分子膜有机高分子膜根据根据膜的膜的结构结构多多孔孔膜膜致致密密膜膜离离子子交交换换膜膜渗渗析析膜膜微微孔孔过过滤滤膜膜超超过过滤滤膜膜反反渗渗透透膜膜渗渗透透汽汽化化膜膜气气体体渗渗透透膜膜根据根据膜的膜的功能功能四、分离用膜的分类四、分离用膜的分类固
14、体膜固体膜根据膜断面根据膜断面的物理形态的物理形态根据固体根据固体膜的形态膜的形态对称膜对称膜不对称膜不对称膜复合膜复合膜平板膜平板膜管式膜管式膜中空纤维膜中空纤维膜 核孔膜核孔膜用两种不同的膜材料分别制用两种不同的膜材料分别制成表面活性层和多孔支撑层成表面活性层和多孔支撑层 膜界面上的孔道结构均匀，传质阻力大，膜界面上的孔道结构均匀，传质阻力大，透过通量低，易污染，难清洗。透过通量低，易污染，难清洗。表面活性层和惰性层构成表面活性层和惰性层构成传质阻力小，透过量高。传质阻力小，透过量高。有机高分子膜有机高分子膜带电膜带电膜非带电膜非带电膜阳离子膜阳离子膜阴离子膜阴离子膜过滤膜过滤膜精密过滤膜
15、精密过滤膜超滤膜超滤膜反渗透膜反渗透膜五、膜分离技术的应用五、膜分离技术的应用应用应用水的脱盐水的脱盐和净化和净化食品工业食品工业医疗、卫生方面医疗、卫生方面石油、化石油、化工方面工方面环境工程环境工程其他方面其他方面海水与苦海水与苦咸水淡化咸水淡化电厂锅炉电厂锅炉供水脱盐供水脱盐超纯水制备超纯水制备城市家庭饮城市家庭饮用水的净化用水的净化乳品乳品加工加工酒类酒类生产生产果汁果汁加工加工酶制剂酶制剂生产生产医疗、卫医疗、卫生用水生用水药品生产药品生产医疗应用医疗应用中药提炼中药提炼回收有机蒸气回收有机蒸气制取富氧空气制取富氧空气无水乙醇生产无水乙醇生产膜与生膜与生物技术物技术国防上国防上的应用
16、的应用交通、交通、运输方运输方面面脱脱气气膜膜电泳漆电泳漆废水废水电电镀镀废废水水纤维纤维工业工业废水废水造纸造纸工业工业废水废水其其他他废废水水纯净水处理工艺流程图纯净水处理工艺流程图果汁澄清果汁澄清果汁澄清果汁澄清电镀废水处理电镀废水处理六、膜分离过程的特点六、膜分离过程的特点 分子级别的分离过程，分离效率高分子级别的分离过程，分离效率高不涉及相变，能耗低，运行成本低不涉及相变，能耗低，运行成本低膜分离为单物理变化，无二次污染膜分离为单物理变化，无二次污染一、电渗析基本原理及过程一、电渗析基本原理及过程二、离子交换膜二、离子交换膜(ChargedMembranes)及及其作用机理其作用机理
17、三、电渗析过程中的极化和结垢问题三、电渗析过程中的极化和结垢问题四、电渗析的应用四、电渗析的应用第二节第二节 电渗析电渗析 渗析渗析膜膜溶液溶液 水水(溶液溶液)小分子溶质小分子溶质H2O 若仅是纯水或溶若仅是纯水或溶剂透过膜，而溶质不剂透过膜，而溶质不透过膜，称之为透过膜，称之为渗透渗透电渗析电渗析(ED)：外加直流电场作用下，利用离子交换膜的选择外加直流电场作用下，利用离子交换膜的选择透过性，使水中阴阳离子做定向迁移，从而达到离子从水中透过性，使水中阴阳离子做定向迁移，从而达到离子从水中分离的一种物理化学过程。分离的一种物理化学过程。一、电渗析的基本原理一、电渗析的基本原理 膜的两侧是浓度
18、膜的两侧是浓度不同的溶液时，溶质不同的溶液时，溶质从高浓度一侧透过膜从高浓度一侧透过膜扩散到低浓度的一侧扩散到低浓度的一侧的过程（的过程（渗析）渗析）1.1.电渗析使用的膜电渗析使用的膜 电渗析使用的分离膜为离子交换膜。离子交换膜分阴离电渗析使用的分离膜为离子交换膜。离子交换膜分阴离子交换膜和阳离子交换膜，两种膜通常需配套使用。子交换膜和阳离子交换膜，两种膜通常需配套使用。2.2.电渗析工艺过程电渗析工艺过程-基本原理基本原理1-料液料液2-阴极阴极3-阳极阳极4-阴极废水阴极废水5-阳极废水阳极废水6-稀产品水稀产品水7-浓产品水浓产品水A-阴极膜阴极膜C-阳极膜阳极膜原理：阴阳离子交换膜对
19、溶液中阴阳离子的选择透过性，原理：阴阳离子交换膜对溶液中阴阳离子的选择透过性，而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。v阴膜只让阴离子穿过；阳膜只让阳离子穿过阴膜只让阴离子穿过；阳膜只让阳离子穿过v电极两侧会发生氧化还原反应电极两侧会发生氧化还原反应阴极还原反应阴极还原反应2H+2eH2阴极室溶液呈碱性阴极室溶液呈碱性阳极氧化反应阳极氧化反应4OH-O2+2H2O+4e阳极室溶液呈酸性阳极室溶液呈酸性阳极产生阳极产生Cl2、O2、次氯酸，阳极反应为：、次氯酸，阳极反应为：2OH-2eO+H2OO1/2O2H2OH+OH-Cl-e1/2Cl2阴极产
20、生氢气、阴极产生氢气、NaOH，阴极反应为，阴极反应为：H2O2H+2eH2Na+OH-NaOHH+OH-1.1.离子在电场下的定向迁移离子在电场下的定向迁移2.2.膜的选择性透过膜的选择性透过3.3.分离对象分离对象/产品的去向产品的去向注意：注意：溶液中有杂质，还会有副反溶液中有杂质，还会有副反应电极反应消耗的电能为定应电极反应消耗的电能为定值，与电渗析器中串联多少值，与电渗析器中串联多少对膜关系不大，通常串联对膜关系不大，通常串联200-300对膜对膜在电渗析过程中，电能的消耗主要用来克服在电渗析过程中，电能的消耗主要用来克服电流通电流通过溶液、膜时所受到的阻力以及进行电极反应过溶液、膜
21、时所受到的阻力以及进行电极反应。运行时，。运行时，进水分别地不断流经浓室、淡室以及极室。进水分别地不断流经浓室、淡室以及极室。淡室出水即为淡化水，浓室出水即为浓盐水，被室淡室出水即为淡化水，浓室出水即为浓盐水，被室出水不断排除电极过程的反应物质，以保证电渗析的正出水不断排除电极过程的反应物质，以保证电渗析的正常进行。常进行。为降低电极反应在总能量消耗中所占的比例，为降低电极反应在总能量消耗中所占的比例，工业工业生产中组成多膜电渗析槽，称为电渗析器生产中组成多膜电渗析槽，称为电渗析器。二二、离子交换膜及其作用机理：、离子交换膜及其作用机理：1、离子交换膜、离子交换膜(ionexchangemem
22、branes)离子交换膜是电渗析器的重要组成部分，其结构如下：离子交换膜是电渗析器的重要组成部分，其结构如下：+固定固定离子离子Cl-Na+-正极正极 阴离子交换膜阴离子交换膜 负极负极 离子交换膜离子交换膜是一种高聚物电解质薄膜，它与球形的是一种高聚物电解质薄膜，它与球形的或不定形的离子交换树脂具有相同的化学结构，将或不定形的离子交换树脂具有相同的化学结构，将其分为其分为基膜基膜与与活性基团活性基团两部分。两部分。立体网状的高立体网状的高分子化合物分子化合物固定基团与可交换离子，可交换离子固定基团与可交换离子，可交换离子分为阳离子与阴离子两种。分为阳离子与阴离子两种。vRSO3HRSO3-+
23、H+vRN(CH3)3OHRN(CH3)3+OH-阳离子交换膜阳离子交换膜离解离解基膜基膜固定基团固定基团可离解离可离解离子子活性基团活性基团离解离解阴离子交换膜阴离子交换膜可离解离子可离解离子离子交换膜离子交换膜异异相相膜膜天然膜合成膜半半均均相相膜膜阳阳离离子子交交换换膜膜阴阴离离子子交交换换膜膜特特殊殊膜膜根据根据膜体膜体结构结构均均相相膜膜根据根据活性活性基团基团2.2.离子交换膜的分类离子交换膜的分类异相膜（非均相膜）异相膜（非均相膜）:直接用磨细的离子交换树脂，加入直接用磨细的离子交换树脂，加入粘合剂制成的薄膜。因为存在粘合剂，所以其中含有离子粘合剂制成的薄膜。因为存在粘合剂，所以
24、其中含有离子交换活性基团的部分与形成膜状结构的部分具有不同的化交换活性基团的部分与形成膜状结构的部分具有不同的化学组成，活性基团分布不均匀。学组成，活性基团分布不均匀。如下图所示，膜工艺成熟，价如下图所示，膜工艺成熟，价格较低，膜厚度较大（格较低，膜厚度较大（0.4-0.4-0.8mm)0.8mm)，膜电阻大，选择透过，膜电阻大，选择透过性较低。（性较低。（为免失水干燥而变脆为免失水干燥而变脆破裂，须保存在水中。破裂，须保存在水中。）均相膜均相膜 不含粘合剂的离子交换膜不含粘合剂的离子交换膜，通常是在高分子基，通常是在高分子基膜上直接接上活性基团，或用含活性基团的高分子膜上直接接上活性基团，或
25、用含活性基团的高分子树脂的溶液直接制得的膜。树脂的溶液直接制得的膜。由于这种膜的化学性能是均匀的，膜的各部分由于这种膜的化学性能是均匀的，膜的各部分具有相同特性，是单相的，故叫均相膜。膜的厚度具有相同特性，是单相的，故叫均相膜。膜的厚度小（约小（约0.15-0.3mm0.15-0.3mm），电化学性能好，但价格高。），电化学性能好，但价格高。均相阳离子交换膜的网状结构和微孔结构均相阳离子交换膜的网状结构和微孔结构解离的解离的离子离子固定基团固定基团半均相膜半均相膜 将离子交换树脂和粘合剂同溶于溶剂中再成将离子交换树脂和粘合剂同溶于溶剂中再成膜。其外观、结构和性能都介于异相膜与均相膜膜。其外观、
26、结构和性能都介于异相膜与均相膜之间。之间。目前，生产及应用都比较少。目前，生产及应用都比较少。按活性基团分类按活性基团分类阳离子交换膜阳离子交换膜-带有阳离子交换基团，它能选择性透过带有阳离子交换基团，它能选择性透过阳离子而不让阴离子透过。分强酸性和弱酸性阳膜阳离子而不让阴离子透过。分强酸性和弱酸性阳膜活性基团：活性基团：-SO3H、-PO3H2-、-OPO3H、-COOH、-C6H4OH等等阴离子交换膜阴离子交换膜膜体中含有带正电荷的碱性活性基团，膜体中含有带正电荷的碱性活性基团，它能选择性透过阴离子而不让阳离子透过。分强碱性和它能选择性透过阴离子而不让阳离子透过。分强碱性和弱碱性弱碱性季胺
27、基、伯胺基、仲胺基、叔胺基季胺基、伯胺基、仲胺基、叔胺基特种膜特种膜：包括两极膜、两性膜、表面涂层膜具有特殊：包括两极膜、两性膜、表面涂层膜具有特殊性能的离子交换膜。性能的离子交换膜。特殊膜特殊膜v一般指电极室隔膜、抗污染膜和一般指电极室隔膜、抗污染膜和防极化膜防极化膜v这种膜由一张阳膜和一张阴膜复合而成。两层之这种膜由一张阳膜和一张阴膜复合而成。两层之间可以隔一层网布（如尼龙布等），也可以直接间可以隔一层网布（如尼龙布等），也可以直接粘贴在一起。工作时，阴膜对阳极，阳膜对阴极。粘贴在一起。工作时，阴膜对阳极，阳膜对阴极。将磺酸基团和季将磺酸基团和季胺基团按适当比胺基团按适当比例混合制得的两例
28、混合制得的两性膜性膜 为什么离子交换膜具有选择性呢为什么离子交换膜具有选择性呢？高高分分子子膜膜中中间间有有足足够够大大的的孔孔隙隙，水水中中的的离离子子在在膜膜孔孔隙隙通通道道（比比膜膜厚厚度度大大得得多多）中中电电迁迁移移运运动动。例例如如，在在水水溶溶液液中中,阴阴离离子子交交换换膜膜的的活活性性基基团团会会发发生生离离解解，留留下下的的是是带带正正电电荷荷的的固固定定基基团团，构构成成了了强强烈烈的的正正电电场场。在在外外加加直直流流电电场场作作用用下下，根根据据异异电电相相吸吸原原理理，溶溶液液中中带带负负电电的的阴阴离离子子就就可可被被它它吸吸引引、传传递递而而通通过过离离子子交交
29、换换膜膜到到另另一一侧侧，而而带带正正电电荷荷的的阳阳离离子子则则离离子子膜膜上上固固定定负负电荷基团的电荷基团的排斥排斥不能通过交换膜。不能通过交换膜。在电渗析过程中在电渗析过程中,膜的作用并不象离子交换树脂那样对溶膜的作用并不象离子交换树脂那样对溶液中的某种离子起交换作用液中的某种离子起交换作用,而是对不同电性的离子起选择透而是对不同电性的离子起选择透过作用过作用。3.3.离子交换膜的选择透过性机理离子交换膜的选择透过性机理1）双电层理论双电层理论(Sollner双电层理论双电层理论)膜中的活性基团在电离之膜中的活性基团在电离之后，带有电荷，在固定基团的后，带有电荷，在固定基团的附近，与电
30、解质溶液中带相反附近，与电解质溶液中带相反电荷的离子形成电荷的离子形成双电层双电层。以阳膜为例以阳膜为例1.1.阳膜对正离子有选择透过性阳膜对正离子有选择透过性2.2.活性基团小，降低阳膜对阳活性基团小，降低阳膜对阳 离子的选择透过性；离子的选择透过性；3.3.膜外溶液浓度很大，有助于膜外溶液浓度很大，有助于 带负电荷的离子通过阳膜。带负电荷的离子通过阳膜。Na+Na+Cl-热运动解离到溶液中去热运动解离到溶液中去外电场作用下外电场作用下双电层双电层离子交换膜中活性基团越多，双电层越厚，固定基团离子交换膜中活性基团越多，双电层越厚，固定基团对反离子的吸引力和对同粒子的排斥力就越大，膜的选择对反
31、离子的吸引力和对同粒子的排斥力就越大，膜的选择性越好。性越好。1.阳膜对正离子具有选择透过性的原因？阳膜对正离子具有选择透过性的原因？2.2.膜中的活性基团少，会出现什么情况？膜中的活性基团少，会出现什么情况？3.3.膜外溶液浓度过大，又会出现什么情况？膜外溶液浓度过大，又会出现什么情况？问问 题题2 2）杜南膜平衡理论杜南膜平衡理论Donnan效应效应即相同电荷排斥而相反电荷吸引的作用。即相同电荷排斥而相反电荷吸引的作用。将一磺酸钠型阳膜浸将一磺酸钠型阳膜浸入氯化钠溶液，达平衡时入氯化钠溶液，达平衡时由于固定离子的影响，由于固定离子的影响，可可透过离子在膜两边不是均透过离子在膜两边不是均匀分
32、布匀分布杜南平衡，杜南平衡，平衡平衡时时各离子浓度之间的关系为：各离子浓度之间的关系为：（6.1）溶液中和膜内均应保持电中性关系，故溶液中和膜内均应保持电中性关系，故Na+=Cl-（6.2）（6.3）由式由式(6.3)(6.3)知知将式将式(6.2)(6.3)(6.2)(6.3)代入代入(6.1)(6.1)得得（6.5）（6.4）由式由式(6.4)(6.4)可见可见将式将式(6.2)(6.3)(6.2)(6.3)代入代入(6.1)(6.1)还可得还可得由式由式(6.6)(6.6)可见可见（6.6）（6.7）1.离子交换膜对反离子具有选择透过性离子交换膜对反离子具有选择透过性 平衡时阳膜内阳离子
33、浓度大于溶液中阳离子的浓度；平衡时阳膜内阳离子浓度大于溶液中阳离子的浓度；阳膜内阴离子浓度小于溶液中阴离子浓度。阳膜内阴离子浓度小于溶液中阴离子浓度。讨讨 论论 说明溶液中与膜内固定离子符号相反离子容易进入膜说明溶液中与膜内固定离子符号相反离子容易进入膜内，同性离子与固定离子同性，不易进入膜内。内，同性离子与固定离子同性，不易进入膜内。时，时，据式据式(6.4),(6.4),，相对于相对于Cl-愈高，愈高，愈小。愈小。说明膜内的活性基团浓度与膜外溶液浓度相比显说明膜内的活性基团浓度与膜外溶液浓度相比显得足够大时，膜内的同性离子浓度很低，即膜的选择得足够大时，膜内的同性离子浓度很低，即膜的选择透
34、过性好。只要溶液中透过性好。只要溶液中Cl-0，则，则0所以所以膜的膜的选择透过性不可能达到百分之百。选择透过性不可能达到百分之百。2.膜内活性基团浓度远大于膜外溶液的膜内活性基团浓度远大于膜外溶液的浓度浓度3.若膜中活性基团若膜中活性基团=0，据式据式(6.4)和和(6.6)，则有，则有（6.8）此时膜内外各种离子浓度相等，膜没有选择透过性此时膜内外各种离子浓度相等，膜没有选择透过性4.在高浓溶液中，即在高浓溶液中，即时，时，据式据式(6.4),(6.4),，Cl-相对于相对于 愈愈高，则高，则 说明在高溶液中，同性离子容易进入膜中，使膜的选说明在高溶液中，同性离子容易进入膜中，使膜的选择透
35、过性降低。所以一般离子交换膜不宜在高浓度溶液中操择透过性降低。所以一般离子交换膜不宜在高浓度溶液中操作，否则容易发生泄漏现象。作，否则容易发生泄漏现象。愈接近于愈接近于Cl-结论：结论：平衡时，平衡时，膜两边的膜两边的Cl-的浓度不相等的浓度不相等在在一一相相中中加加大大不不扩扩散散离离子子的的浓浓度度能能防防止止可可扩扩散散离离子子渗渗入该相入该相 4.4.离子交换膜的性能离子交换膜的性能4.1物理性能物理性能：膜应平整、均一、光滑，无针孔；膜应平整、均一、光滑，无针孔；膜应具有一定的机械强度和韧性，以防组装不慎时膜应具有一定的机械强度和韧性，以防组装不慎时 折裂，或因运行中水压力不平衡使膜
36、变形和产生裂缝；折裂，或因运行中水压力不平衡使膜变形和产生裂缝；膜的厚度适当，太厚会增加膜电阻，也浪费原料；膜的厚度适当，太厚会增加膜电阻，也浪费原料；太薄容易出现针孔或渗水；太薄容易出现针孔或渗水；膜体结构的松紧程度应适当；（膜体结构的松紧程度应适当；（用溶胀度和含水量衡量用溶胀度和含水量衡量）能耐受一定温度不变形，一般的膜只能在能耐受一定温度不变形，一般的膜只能在4040以下使用。以下使用。4.2化学性能：化学性能：能耐受一定的酸、碱；能耐受一定的酸、碱；极水室隔膜应选择特殊膜，阳极室膜应能抗新生态氯极水室隔膜应选择特殊膜，阳极室膜应能抗新生态氯 和氧的侵蚀；阴极膜能耐碱。和氧的侵蚀；阴极
37、膜能耐碱。应有较高的交换容量；（应有较高的交换容量；（指标的关键，交换容量高，电化学指标的关键，交换容量高，电化学 性能优良。但过高，膜强度受影响，膜的选择透过性降低。性能优良。但过高，膜强度受影响，膜的选择透过性降低。）4.3电化学性能电化学性能：要求膜应具有良好的导电性和选择透过性要求膜应具有良好的导电性和选择透过性 导电性常用面电阻表示导电性常用面电阻表示，单位为，单位为cm2。离子交换离子交换膜的导电性比其它高分子膜要强的多。膜的导电性比其它高分子膜要强的多。为什么为什么？通常是通过通常是通过膜电位的测定膜电位的测定来估算离子的迁移数和膜的选择透过度。来估算离子的迁移数和膜的选择透过度
38、。膜的选择透过度膜的选择透过度(P):是膜在一定条件下，反离子在膜内是膜在一定条件下，反离子在膜内 迁移数的增加值与理想膜的迁移数的增加值之比：迁移数的增加值与理想膜的迁移数的增加值之比：反离子在膜中的迁移数；反离子在膜中的迁移数；反离子在理想膜中的迁移数；反离子在理想膜中的迁移数；越大，越大，P越大越大一般是用测定膜电位的方法间接计算出来的。一般是用测定膜电位的方法间接计算出来的。膜的选择透过性的优劣常用膜的选择透过性的优劣常用离子迁移数离子迁移数和和膜的选择透过度膜的选择透过度表示表示+-阳阳膜膜0.1mol/LKCl0.2mol/LKClK+Cl-扩散扩散膜电位示意图膜电位示意图膜电位的
39、测定膜电位的测定Em愈大，愈大，tg越大；越大；Em愈大，愈大，P也愈大也愈大在一张阳离子交换膜在一张阳离子交换膜两侧注入浓度不同的同种两侧注入浓度不同的同种溶液。由于浓度不同，溶液。由于浓度不同，K+,Cl-有向淡侧扩散趋势。但有向淡侧扩散趋势。但阳膜的选择透过性，阳膜的选择透过性，K+较较易透过，在淡侧界面因易透过，在淡侧界面因K+不能及时扩散而出现过剩，不能及时扩散而出现过剩，Cl-不易通过在另一侧过剩，不易通过在另一侧过剩，于是构成膜两侧电位差。于是构成膜两侧电位差。在直流电场中在直流电场中,电解质溶液中阳阴离子定向迁移电解质溶液中阳阴离子定向迁移共同传递电量共同传递电量,而在膜中只允
40、许一种离子透过来传递而在膜中只允许一种离子透过来传递电量。通常把电量。通常把某种离子传递的电量与总电量之比称某种离子传递的电量与总电量之比称为该离子的迁移数（为该离子的迁移数（t ti i）离子在膜中的迁移数大于在溶液中的迁移数离子在膜中的迁移数大于在溶液中的迁移数如：在如：在NaCl稀溶液：稀溶液：而在阳膜中：而在阳膜中：对于对于1-11-1价型的电解质，膜电位数字表达式为：价型的电解质，膜电位数字表达式为：对于理想选择性透过膜而言，对于理想选择性透过膜而言，得到理想膜电位表达式：得到理想膜电位表达式：对于对于1-11-1价型的电解质，由上式可得出：价型的电解质，由上式可得出：代入代入可求出
41、可求出P例题：例题：已测得阳离子交换膜样品膜电位为已测得阳离子交换膜样品膜电位为15.80mv,计算计算已知已知f1f2为为0.719和和0.769，c1和和c2为为0.2和和0.1，tg=0.490解解：三、电渗析过程中的极化和结垢问题三、电渗析过程中的极化和结垢问题1 1）极化极化 在电渗析过程中当操作电流过大时，会在膜表面出在电渗析过程中当操作电流过大时，会在膜表面出现缺乏离子的现缺乏离子的“真空真空”情况，水就会解离产生情况，水就会解离产生H+和和OH-，以这些离子的迁移来补充传递电流，此现象称为，以这些离子的迁移来补充传递电流，此现象称为极化极化。2）极化现象的产生极化现象的产生以以
42、Cl-透过阴膜为例：透过阴膜为例：1.1.极化、沉淀和结垢极化、沉淀和结垢C0C1ABWXYZ表示正常操作时阴膜两侧的表示正常操作时阴膜两侧的Cl-离子浓度分布离子浓度分布滞流层滞流层湍流层湍流层C0C1ABWXYZ表示正常操作时阴膜两侧的表示正常操作时阴膜两侧的Cl-离子浓度分布离子浓度分布 在直流电场作用下，在直流电场作用下，Cl-在膜在膜内的迁移速度大于其在滞流层的内的迁移速度大于其在滞流层的迁移速度，致使阴膜淡水室一侧迁移速度，致使阴膜淡水室一侧的表面迅速变成的表面迅速变成“Cl-离子短缺离子短缺”。当操作电流增加时，当操作电流增加时，C1会进一步下降，破坏原来的动态平衡，会进一步下降
43、，破坏原来的动态平衡，当电流增大某一极限时，当电流增大某一极限时，C10，此时滞流层内浓差已达最大值，此时滞流层内浓差已达最大值，但由于操作电流过大，但由于操作电流过大，Cl-离子透过膜的速度也大大增加，此时离子透过膜的速度也大大增加，此时Cl-离子扩散速度的增加不能抵偿离子扩散速度的增加不能抵偿Cl-离子透过膜的速度的增加离子透过膜的速度的增加，所以外加电压使水发生电离，由所以外加电压使水发生电离，由OH-离子透过阴膜来补充承担传离子透过阴膜来补充承担传递电流的任务，这是阴膜发生极化的原因。递电流的任务，这是阴膜发生极化的原因。ABWXYZ和和ABWXYZ极化时极化时阴膜两侧阴膜两侧Cl-和
44、和OH-的浓度分布。的浓度分布。极化后，极化后，OH-离子迁移至阴膜的浓水一侧，因滞流离子迁移至阴膜的浓水一侧，因滞流层的影响使层的影响使OH-离子富集，水的离子富集，水的pH增大，呈碱性。同时增大，呈碱性。同时淡水室内的淡水室内的HCO3-也会透过阴膜进入浓水室一侧，也因也会透过阴膜进入浓水室一侧，也因在滞流层扩散速度较慢而富集。此时，浓水室的在滞流层扩散速度较慢而富集。此时，浓水室的Ca2+,Mg2+在电场作用下向阴极方向迁移，被阴膜挡住，也在在电场作用下向阴极方向迁移，被阴膜挡住，也在滞流层中被富集，于是在阴膜的浓水室一侧的滞流层中滞流层中被富集，于是在阴膜的浓水室一侧的滞流层中将发生沉
45、淀反应：将发生沉淀反应：3）极化的结果极化的结果沉淀沉淀结垢结垢这就是阴膜这就是阴膜发生极化后，发生极化后，在阴膜浓水在阴膜浓水室一侧产生室一侧产生沉淀结垢的沉淀结垢的原因原因。发生极化后，膜一面受碱作用，另一面则受酸侵蚀，发生极化后，膜一面受碱作用，另一面则受酸侵蚀，并且还受沉淀结垢的侵蚀。并且还受沉淀结垢的侵蚀。4 4）极化的危害）极化的危害极化是电渗析器运行中常见问题，其危害如下：极化是电渗析器运行中常见问题，其危害如下：(1)降低电流效率降低电流效率由于极化时、导致水分子大量解离，在电场作用下，由于极化时、导致水分子大量解离，在电场作用下，水的解离造成水的解离造成H+和和OH-离子的迁
46、移，可见其离子的迁移，可见其部分电能消耗在部分电能消耗在水的解离和与脱盐无关的水的解离和与脱盐无关的H+和和OH-离子迁移上，使电流放率离子迁移上，使电流放率下降。下降。(2)降低除盐率和产率降低除盐率和产率极化会在浓水室阴膜表面上产生沉淀，形成水垢，对极化会在浓水室阴膜表面上产生沉淀，形成水垢，对运行带来不良的影响。由于浓差极化将引起溶液电阻、膜运行带来不良的影响。由于浓差极化将引起溶液电阻、膜电阻以及膜电位增加，使所需操作电压增加，电耗增大，电阻以及膜电位增加，使所需操作电压增加，电耗增大，在电压一定的条件下，则电流密度将下降，使水的脱盐率在电压一定的条件下，则电流密度将下降，使水的脱盐率
47、下降或产水量降低。下降或产水量降低。(3)淡水淡水pH值下降值下降5 5）防止、消除沉淀及结垢的方法防止、消除沉淀及结垢的方法：v加强原水的预处理加强原水的预处理v工作电流要在极限电流以下运行工作电流要在极限电流以下运行v定时倒换电流定时倒换电流v定期酸洗定期酸洗v向浓水和极水中加酸可避免沉淀生成向浓水和极水中加酸可避免沉淀生成v向原水中加入六偏磷酸钠等掩蔽剂以掩蔽向原水中加入六偏磷酸钠等掩蔽剂以掩蔽Ca2+、Mg2+v采用脉冲电流可减少沉淀物生成的量采用脉冲电流可减少沉淀物生成的量v采用新型膜和新型隔板结构采用新型膜和新型隔板结构2 2、极限电流密度、极限电流密度：v极限电流极限电流Ilim
48、：电渗析器运行时，操作电流过大，就会造成极化，伴电渗析器运行时，操作电流过大，就会造成极化，伴随产生沉淀，此时的电流称为电渗析器在脱盐过程中的极随产生沉淀，此时的电流称为电渗析器在脱盐过程中的极限电流。限电流。v平均极限电流密度平均极限电流密度ilim：单位时间、单位面积上通过的电流。单位时间、单位面积上通过的电流。ilim愈高，表示单位膜面积的脱盐量越大，效率也越高愈高，表示单位膜面积的脱盐量越大，效率也越高。隔板的有效面积隔板的有效面积v极限电流密度极限电流密度ilim：膜表面发生膜表面发生浓差极化现象浓差极化现象时的电流密度称极限时的电流密度称极限电流密度。电流密度。离子在膜中的迁移数大
49、于溶液中的迁移数，膜两侧产离子在膜中的迁移数大于溶液中的迁移数，膜两侧产生浓度梯度，电流强度越大，浓度梯度越大。电流提生浓度梯度，电流强度越大，浓度梯度越大。电流提高到相当程度，高到相当程度，c值趋于零，淡水侧的边界层中就会值趋于零，淡水侧的边界层中就会发生水分子电离，这种情况称为发生水分子电离，这种情况称为浓差极化浓差极化，此时的电，此时的电流密度称为流密度称为极限电流密度。极限电流密度。3.3.电流效率电流效率 是电渗析器运行的重要指标，是通入电渗析器的电流是电渗析器运行的重要指标，是通入电渗析器的电流被利用的百分数。被利用的百分数。m：每个淡水室除盐的摩尔数：每个淡水室除盐的摩尔数n：盐
50、的价数盐的价数q:实际所消耗的电量实际所消耗的电量m96500：理论消耗的电量：理论消耗的电量NB同前面的同前面的MB四、电渗析的应用四、电渗析的应用1.水的纯化水的纯化2.用海水、盐泉卤水制盐用海水、盐泉卤水制盐3.医药、食品工业的应用医药、食品工业的应用4.废水处理（废水处理（含镍废水经电渗析处理后，浓水中的含镍废水经电渗析处理后，浓水中的镍浓度增高，可以返回镀镍重复利用；淡水水镍浓镍浓度增高，可以返回镀镍重复利用；淡水水镍浓度减少，可以返回水洗槽用在清洗水的补充水。）度减少，可以返回水洗槽用在清洗水的补充水。）5.离子膜电解离子膜电解光亮镀镍光亮镀镍电渗析电渗析回收槽回收槽离子交换离子交