第七章 离子交换膜

第七章　离子交换膜与电渗析电渗析的发展概述电渗析基本原理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主要性能电渗析器电渗析的脱盐过程新型的电渗析过程电渗析在废水处理中的应用主要3.山东东岳集团上周传出喜人消息：“十一五”国家科技支撑计划“全氟离子交换膜工程技术研究”项目的4个课题全部通过了山东省科技厅组织的专家审核验收。国产全氟离子膜关键技术、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。我国2010年度膜产业十大新闻电渗析的发展概述电渗析研究源于德国，与1952年美国Ionics公司制备世界第一台电渗析装置，用于苦咸水淡化；20世纪50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1958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，仅离子交换膜产量就占到了世界的1/3；1981年，我国由国家海洋局杭州水处理技术开发中心研发出200m3/d规模的海水淡化电渗析装置。第一节　电渗析基本原理一、电渗析的工作原理电渗析（electrodialysis，简称ED）是指在直流电场的作用下，溶液中的带电离子选择性定向迁移，透过离子交换膜并得以去除的一种膜分离技术。电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的一种膜过程。工作原理示意图阳模带负电荷，阴膜带正电荷与膜所带电荷相反的离子透过膜的现象称为反离子迁移高选择性渗透率、低电阻力、优良的化学和热稳定性以及一定的机械强度234阳膜组成的电渗析器阴膜组成的电渗析器二、电渗析过程中的传递现象1）主要过程：反离子迁移2）次要过程：同名离子迁移（阳模-阴离子）、电解质渗析（浓差扩散）、水渗透（渗透压）、水的电渗透（离子水合）3）非正常过程：压差渗漏（溶液）、水的解离（极化）三、电渗析过程的两个基本条件直流电场的作用使溶液中正、负离子分别向阴极和阳极作定向迁移离子交换膜的选择透过性使溶液中的带电离子在膜上实现反离子迁移离子交换膜为什么具有选择透过性呢四、离子交换膜的选择透过性膜的静电作用、孔隙作用和扩散作用带大量电荷的膜吸引反离子、排斥同名离子；膜中固定离子越多，吸引力越强，选择性越好水合离子半径小于孔隙大小才能通过膜对溶解离子所具有的传递迁移能力，吸附-解吸-迁移注意！离子交换膜的作用并不是起离子交换的作用，而是起离子选择性透过作用！静电作用、孔隙作用和扩散作用第二节　离子交换膜的组成及分类一、离子交换膜的组成树脂、胶黏剂、增塑剂、着色剂、抗氧化剂、脱模剂等二、离子交换膜的分类离子交换膜是膜状的离子交换树脂，含有活性基团和能使离子透过的细孔常用的离子交换膜按其选择透过性可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜、特殊离子交换膜三大类阳膜含有酸性活性基团，解离出阳离子，使膜呈负电性，选择性透过阳离子阴膜含有碱性活性基团，与阳模相反选择性透过特殊离子交换膜双极膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄的网布做成，具有方向性的电阻。当阳膜面朝向阴极，阴膜面朝向阳极时，正、负离子都不能透过膜，显示出很高的电阻。当膜的朝向与上述相反时，膜电阻降低，膜两侧相应的离子进入膜中。直流电场下，双极性膜可将水离解，能够将水分离成H+与OH-两种离子，可作为H+与OH-的供应源。第三节离子交换膜的制备按照离子交换膜的主体组分可分为均相膜和异相膜均相膜中各成分以分子状态均匀分布，不存在相界面异相膜是通过胶黏剂把粉状树脂制成片状膜，存在相界面1.异相膜（压延和模压，溶液型胶黏剂，离子型交换树脂）2.半均相膜（胶黏剂吸浸单体后聚合制备树脂，均匀分散）3.均相膜（直接薄膜化，制备基膜后引入离子交换基团或者先引入离子交换基团后再成膜）4.新型离子交换膜（双极膜和螯合膜）第四节　离子交换膜的主要性能交换容量（IEC）：每克干膜所含活性基团的毫克当量数，单位为meq/g交换容量高，选择透过性好，导电能力强，但溶胀度大，影响机械强度一般约为2～3meq/g含水量：膜内与活性基团结合的内在水，以每克干膜含水质量表示，一般含水量为20-40%膜电阻：关系工作所需电压和电能消耗，通常越小越好选择透过度：常用反离子迁移数和膜的透过度来表示一般大于85%，反离子迁移数大于0.9，并希望在高浓度电解质中仍有良好的选择透过性离子交换膜的性能要求选择透过性高，要求在95%以上；导电性好，要求其导电能力应大于溶液的导电能力；交换容量大；溶胀率和含水率适量；化学稳定性强；机械强度大。 第五节　电渗析器一、电渗析器的主要结构电渗析器由膜堆、极区和压紧装置三部分组成常用基本术语包括膜对、级、段等膜对：由阳膜、浓（或淡）水室隔板、阴膜、淡（浓）水室隔板交替排列成浓水室和淡水室，最小电渗析工作单元膜堆由一系列膜对组成，位于电渗析器的中部。极区由托板、电极、极框和弹性垫板组成压紧装置由盖板和螺杆组成，其作用是将极区和膜堆组成不漏水的电渗析器整体电渗析装置膜堆二、电渗析器的组装电渗析器的组装依其应用不同而有所不同。其组装的情况是用级和段来表示的。级：一对正、负电极之间的膜堆称为一级；段：具有同一水流方向的并联膜堆称为一段。电渗析器的组装示意图三、电渗析器的级与段一级一段一级两段两级一段两级两段一对正、负电极之间的膜堆称为一级具有同一水流方向的并联膜堆称为一段并联串联一级一段特点是产水量与膜对数成正比，脱盐率取决于一块隔板的流程长度，常用于大、中制水厂，可含200～360个膜对；二级一段（多级一段）使操作电压降低，便于低操作电压下获得高产水量；一级两段可增加脱盐流程长度，提高脱盐率，适用于单台电渗析器一次脱盐，中、小型制水厂；多级多段发挥两者优点，同时满足对产量和质量的要求。四、实际应用的电渗析器五、电渗析仪的性能指标淡水产量脱盐率电能消耗电流效率第六节　电渗析的脱盐过程1.连续式脱盐2.循环式脱盐第七节新型的电渗析过程填充混合离子交换树脂电渗析过程含离子交换膜的Donnan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。酸性气体的清除与回收第八节　电渗析在废水处理中的应用水的纯化海水、苦咸水、自来水制备初级和高级纯水的重要方法，一般采用与离子交换树脂组合工艺，但注意电渗析不能出去非电解质杂质海水、盐泉卤水制盐电渗析浓缩海水蒸发结晶制备食盐，不受地理气候限制，易于自动化和工业化废水处理脱除有机物中的盐分目前，电渗析在废水处理实践中应用最普遍的有：⑴造纸工业废水处理，利用电渗析法处理造纸工业的亚硫酸纸浆废液和洗浆废水及碱法造纸黑液，从中回收化学药品，已得到工业应用。⑵从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠。⑶从酸洗废液中制取硫酸和沉淀重金属离子。⑷电镀废水和废液处理，含Cd2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr6+等重金属离子和氰化物的电镀废水都适宜用电渗析法处理，其中应用最成熟的是含镍废水处理。⑸从放射性废水中分离放射性元素，然后将其浓缩液掩埋。脱除有机物中的盐分医药：葡萄糖、甘露醛、氨基酸、维生素C，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食品：牛乳、乳清等超滤、反渗透、电渗析组合工艺提取甘露醇本章习题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荷，它们有什么特点？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？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？双极膜的特点电渗析的应用主要是水的纯化和脱盐