第七章-电渗析
电渗析原理
电渗析原理
电渗析是指利用电化学原理，通过电流的作用使液体中的离子分离并沉积在电极上的一种方法。
其原理基于电化学滤波和离子选择性膜的作用。
在电渗析过程中，准备两个电极并将其浸入待分离的液体中。
一个电极称为阳极，另一个电极称为阴极。
通常情况下，阳极为较高氧化还原电位的金属（如铂），而阴极为较低氧化还原电位的金属（如不锈钢）。
当外加电源施加电位差时，阳极上的电位较高，阴极上的电位较低，从而形成电场。
电场的作用下，液体中含有正电荷的离子（称为阳离子）向阴极迁移，而负电荷的离子（称为阴离子）则向阳极迁移。
这是因为阳离子的迁移速率较快，且受到电场力的作用使其向阴极方向移动；而阴离子则由于电场力的反向作用，移动速率较慢。
在电渗析过程中，还需要使用一个离子选择性膜，以只允许特定类型的离子通过。
这种离子选择性膜可以起到滤波的作用，使得特定离子能够通过而其他离子无法通过。
通过电渗析，我们可以将液体中的特定离子分离出来并沉积在电极上。
这对于分离和浓缩离子溶液、分析溶液中的离子种类和浓度等方面具有重要的应用价值。
电渗析操作说明
电渗析操作说明一、引言电渗析是一种通过电场的作用将溶质从一个液相转移到另一个液相的技术。
在化学、生物化学及生命科学领域中，电渗析被广泛用于溶质的分离、纯化和浓缩。
本操作说明将详细介绍电渗析的基本原理、操作步骤和注意事项。
二、原理电渗析的原理基于电泳和渗析两种现象的结合。
电泳是指在电场的作用下，带电粒子在溶液中移动的现象，而渗析则是指溶质由高浓度向低浓度扩散的过程。
通过将这两种现象结合起来，电渗析可以实现溶质的有效分离和浓缩。
三、操作步骤1. 准备工作在进行电渗析实验前，需要准备好以下材料和设备：- 电渗析装置（由离子交换膜、电场源、电极等组成）- 溶液A：含有目标溶质的混合溶液- 溶液B：不含目标溶质的溶液- 电源- 导电性好的电缆和连接器确保所有材料和设备都清洁，以避免杂质对电渗析实验结果的影响。
2. 装置组装将离子交换膜放置在电渗析装置的相应位置上，确保膜的安装正确。
连接电场源和电极，并确保电场源与电源连接稳固。
3. 溶液准备将溶液A和溶液B分别准备好，并确保其浓度和pH值符合实验要求。
按照实验设计，确定两种溶液的体积，并将它们倒入电渗析装置的相应截面。
4. 设置电场和运行条件根据实验要求，设置适当的电场强度和工作温度。
注意，过高的温度可能造成离子交换膜的破坏，影响实验结果。
5. 开始电渗析实验将电源接通，开始电渗析实验。
随着实验的进行，目标溶质会随电场作用从溶液A中向溶液B中迁移。
实验时间的长短应根据目标溶质的特性和实验要求来确定。
6. 实验结束根据目标溶质的转移情况，确定实验结束的时机。
停止电场源的工作，并将电渗析装置拆解，取出溶液A和溶液B进行分析。
四、注意事项1. 安全操作在进行电渗析实验时，要遵循实验室的安全操作规程，佩戴必要的个人防护装备，确保实验过程安全。
2. 选择合适的离子交换膜根据目标溶质的特性选择合适的离子交换膜，以确保实验的准确性和效果。
3. 确保电渗析装置的完整性在实验前检查电渗析装置的完整性，确保离子交换膜没有破损或受到污染，电场源和电极连接稳固。
电渗析的原理
电渗析的原理
电渗析是一种利用电场和化学分析技术来分离、检测和分析样品中的离子或分子的方法。
其原理是基于电迁移速度和分子尺寸的差异，通过在两极施加电场，将带电离子或分子引导至电解质介质中的微孔或毛细管内部。
在电场的作用下，离子或分子会受到电场力的驱动，在电解质介质中进行迁移。
由于离子或分子的尺寸、电荷状态以及电解质介质的性质不同，它们在电场中的迁移速度也会有所差异。
在电渗析过程中，通过调节电场强度和方向，可以实现样品的分离。
当电场强度较弱时，迁移速度较快的离子或分子会更早到达另一极，而迁移速度较慢的离子或分子会相对滞留在起始极。
通过收集这些到达目标极的离子或分子，可以进行后续的分析。
而当电场强度较强时，具有较高电荷状态的离子或分子将更容易被引导到目标极。
通过调节电场强度和方向，可以实现对样品中离子或分子的选择性收集和分离。
电渗析技术广泛应用于化学、生化、环境监测等领域，可以用于分离和分析溶液中的离子、有机化合物、蛋白质等物质。
其优点包括操作简便、分离效率高、灵敏度高，并且电解质介质可以根据需要进行选择，适用于不同样品类型的分析。
然而，电渗析也存在一些限制，例如迁移速度差异不大的离子或分子难以有效分离，离子或分子的迁移速度受到温度和电场强度的影响等。
为了克服这些限制，可以结合其他分离技术，如电泳和层析技术，实现更高效的样品分析和检测。
电渗析简述
电渗析简述
电渗析的脱盐原理
离子交换膜具有选择透过性,阳离子交换膜(简称阳膜).的固定交换基团带负电荷.固此允许水中的阳离子通过而阴挡阴离子:相反.阴离子交换膜(简称阴膜),允许水中的阴离子通过而阻挡阳离子,当原水通过膜堆时,在外加直流电场的作用下,阴离子往阳极方向迁移,致使淡水隔室中的离子迁移到浓水隔室中去,从而达到淡化或除盐的目的
应用范围:
1.苦咸水淡化
能将高含量的苦咸水淡化成饮料用水,(含盐量500—300mg/L)原水含盐量在4000mg/L以下时,用电渗析处理较经济:
2.工业用水方面:
电渗析制取初级纯水,再经过离子交换系统帛取纯水,若将其作为离子交换的前级处理装置,能将高含盐量和高硬度原水降低其90%左右,使离子交换稳定运行,并能适应原水波动延长树脂的再生周期10倍以上,节省大量酸碱,减轻劳动程度,因此广泛适用于热电,化工.制药等方面的直接制水和初级制水.
3.饮料,制酒
各种饮料,酒类方面的给水经电渗析纯化,可除去水中大部分盐类,改善水质,使产品清晰正醇,质量提高,并可延长存储期.
4.除氟,酚制取饮用水
含氟,酚较高的地表水的地下水,经电渗析纯化后达到饮用含量标准.
2.3 电渗析装置对源水水质的要求
水中所含的悬浮物,有机物,微生物以及铁,锰等重金属杂质所形成的胶体物质,会造成膜的污染中毒,从而降低膜的选择透过性.因此,源水在进入电渗析之前应进行处理.
电渗析进口的水质要求
1,浊度≤3度
2.色度＜15 度
3.耗氧量<3mg/L(高锰酸法)
4铁<0.3 mg/l
5.锰<0.1 mg/l
6.水温5—40℃。
电渗析知识概述
利用半透膜的选择透过性来分别不同的溶质粒子〔如离子〕的方法称为渗析。
在电场作用下进展渗析时，溶液中的带电的溶质粒子〔如离子〕通过膜而迁移的现象称为电渗析。
利用电渗析进展提纯和分别物质的技术称为电渗析法，它是20 世纪50 年月进展起来的一种技术，最初用于海水淡化，现在广泛用于化工、轻工、冶金、造纸、医药工业，尤以制备纯水和在环境保护中处理三废最受重视，例如用于酸碱回收、电镀废液处理以及从工业废水中回收有用物质等。
中文名：电渗析外文名：electroosmosis利用材质：半透膜的选择透过性对象：溶质粒子广泛用于：化工、轻工、冶金等特点：价格廉价等名目1简介2原理3实际应用4应用范围5根本性能6方法特点简介电渗析装置(3 张)电渗析过程是电化学过程和渗析集中过程的结合；在外加直流电场的驱动下，利用离子交换膜的选择透过性(即阳离子可以透过阳离子交换膜，阴离子可以透过阴离子交换膜)，阴、阳离子分别向阳极和阴极移动。
离子迁移过程中，假设膜的固定电荷与离子的电荷相反，则离子可以通过；假设它们的电荷一样，则离子被排斥，从而实现溶液淡化、浓缩、精制或纯化等目的[1] 。
电渗析与近年引进的另一种膜分别技术反渗透相比，它的价格廉价，但脱盐率低。
当前国产离子交换膜质量亦很稳定，运行治理也很便利。
电渗析原理电渗析使用的半渗透膜其实是一种离子交换膜。
这种离子交换膜按离子的电荷性质可分为阳离子交换膜(阳膜)和阴离子交换膜(阴膜)两种。
在电解质水溶液中，阳膜允许阳离子透过而排斥阻挡阴离子，阴膜允许阴离子透过而排斥阻挡阳离子，这就是离子交换膜的选择透过性。
在电渗析过程中，离子交换膜不像离子交换树脂那样与水溶液中的某种离子发生交换，而只是对不同电性的离子起到选择性透过作用，即离子交换膜不需再生。
电渗析工艺的电极和膜组成的隔室称为极室，其中发生的电化学反响与一般的电极反响一样。
阳极室内发生氧化反响，阳极水呈酸性，阳极本身简洁被腐蚀。
电渗析的工作原理
电渗析的工作原理
电渗析是一种利用电场作用下的溶液流动和质量传递现象的分离技术。
它是通过在两个电极之间施加电场，将带电粒子迁移至相应的电极上来实现物质的分离。
电渗析的工作原理基于电动势和电流的作用，其中电动势是通过施加电场产生的。
当电压施加在电渗析膜中时，电场会引起溶液中带电粒子的迁移。
溶液中的带电粒子在电场的作用下，沿着电场方向迁移，并通过电渗析膜上的孔洞或选择性通透材料进行传递。
传递过程中，溶液中的带电粒子会被电渗析膜上的孔洞或通透材料所阻隔，从而使其分离。
带电粒子在电渗析膜上的分离程度主要取决于粒子的大小、电荷以及膜的孔径大小和性质。
较大的粒子可能会被膜上较小的孔洞所阻挡，而较小的粒子则可以通过孔洞传递。
同时，电渗析过程中质量传递的方向也会受到电场的影响。
在正向电场下，阳离子会向负电极迁移，而阴离子则会向正电极迁移。
这样，阳离子和阴离子可以被有效地分离。
总的来说，电渗析利用电场的作用和溶液中粒子的大小、电荷等特性，通过电渗析膜上的通透孔洞或材料进行分离。
电渗析技术在水处理、药物制剂、化学分离等领域具有重要的应用价值。
电渗析
电渗析的极化现象对电渗析的运行有很大影响：
（1）极化时一部分电能消耗在水的电离上，使电流效率下降； （2）极化时，在浓水侧的阴膜界面上形成沉淀会堵塞水流通道。 （3）由于沉淀和结垢的影响，膜性能发生变化，机械强度下降， 膜电阻增大，缩短了膜的使用寿命。
为了避免极化和结垢，目前采用的措施包括： （1）控制工作电流密度在极限电流密度下运行；
反 渗 透
纯水制备流程示意图
压力 大分子 供水 超滤膜 水 盐 超滤过程 压力（要大于渗透压力） 盐 大分子 供水 反渗透膜 水 反渗透
超 滤 与 反 渗 透 的 区 别 示 意
渗透：是指稀溶液中的水分子自发地透过半透膜进入浓溶液的过 程。 渗透压：是指某溶液在自然渗透过程中，浓溶液液面不断升高， 稀溶液液面相应降低，直到两侧形成的水柱压力抵消了水分子的 迁移，溶液两侧的液面不再变化，渗透达到平衡点，此时的液柱 高差称为该溶液的渗透压。
电渗析器组装
–膜对：由1张阳膜、1张淡水隔板， 1张阴膜、1张浓水隔板按一定顺序组成的 电渗析器膜堆的最小脱盐单元 –膜堆：若干模对的集合体 –级：电渗析器中一对电极之间所包含的膜堆称为一级，一台电渗析器的电极 对数就是这台电渗析器的级数
–段：电渗析器中淡水水流方向相同的膜堆称为一段
–台：用锁紧装置将电渗析器各部件锁紧成一整体称为一台电渗析器 –系列：将多台电渗析器串联起来成为一脱盐整体称为一系列
渗透压的计算：渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度而与半透膜本身 无关。计算公式如下（仅适用于稀溶液）： π＝CRT π— 渗透压（kg/cm2） C — 离子浓度差（摩尔/升） R — 气体常数（等于0.082升· 大气压/摩尔· °k） T — 绝对温度（°k）
电渗析工作原理
一、工作原理电渗析器除盐的基本原理，是利用离子交换膜的选择透过性。
阳离子交换膜只允许阳离子通过，阻档阴离子通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过，在外加直流电场的作用下，水中离子作定向迁移，使一路水中大部份离子迁移到另一路离子水中去，从而达到含盐水淡化的目的。
二、应用范围电渗析器具有工艺简单，除盐率高，制水成本低、操作方便、不污染环境等主要优点，广泛应用于水的除盐，具体应用在如下场合：海水及苦咸水淡化，根据我单位的试验资料，可将含盐量高达60克/升的苦咸水淡化成饮用水，解决沙漠地区的饮用水源。
制取软水，（水的电阻率为105欧姆一厘米），可供低压锅炉给水，不需要食盐再生，还可节煤20%左右。
深度除盐水及高纯水的前级处理，采用电渗析一离子交换法，扩大了原水适用范围，广泛应用电力、电子、化工、制药、科研化验等场合、降低制水成本50%以上。
节省离子交换法再生用酸碱80%左右，延长再生周期五倍以上。
用于饮料食品工业的提纯，使啤酒、汽水的质量提高，为创优质名牌产品创造了条件。
电渗析器还可用于化工分离，浓缩及工业废水处理回收率。
三、构造及组装方式1.构造：电渗析器由膜堆、极区和压紧装置三部分构成。
（1）膜块：是由相当数量的膜对组装而成的。
膜对：是由一张阳离子交换膜，一张隔板甲（或乙）；一张阴膜，一张隔板乙（或甲）组成。
离子交换膜：是电渗析器的关键部件，本厂采用上海化工厂产的异相膜。
隔板：分浓、淡水隔板，交替放在阴阳膜之间，使阴膜和阳膜之间保持一定的间隔，沿着隔板平面通过水流，垂直隔板平面通过电流。
隔板厚离0.9毫米。
（2）极区包括电极、极框和导水板。
电极：为连接电源所用，本厂电极采用钛涂钌。
极框：放置在电极和膜之间，以防膜帖到电极上去，起支撑作用。
（3）压紧装置：是用来压紧电渗析器，使膜堆、电极等部件形成一个整体，不致漏水。
2、组装方式：电渗析器的组装是用“级”和“段”来表示，一对电极之间的膜堆称为“一级”。
水流同向的每一个膜称为“一段”。
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导电性：完全干燥的膜几乎是不导电的，含水的膜才 能导电。膜的导电性可用电阻率、电导率或面电阻来 表示，面电阻表示单位膜面积的电阻（Ω·cm-2）。
离子交换膜的性能指标
迁移数t：指通过膜所移动的离子的当量百分数，表征了膜 对异种电荷离子间的选择透过性能，也即对同离子的排斥 性能。一般通过测定膜电位而计算出来。
•电渗析：在电位差推动力的作用下，溶液中的带电离子选 择性地透过离子交换（选择透过）膜（荷电膜）的过程，是 从水溶液中分离离子的一种分离技术。
ED和RO脱盐过程比较
电渗析优点
电渗析技术是20世纪50年代发展起来的一种膜分离 技术。它具有以下优点: 1. 能量消耗少，不发生相变，只用电能来迁移水
中已解离的离子； 2. 电渗析器主要由渗析器、离子交换膜和直流正
负电极组成，设备结构简单，操作方便； 3. 离子交换膜不需要像离子交换树脂那样失效后
用大量酸碱再生，可连续使用。
离子交换膜
（1）按活性基团分类 阳离子交换膜（简称阳膜）、阴离子交换膜（简称阴膜） 和特种膜。
磺酸型阳膜的示意为：
R SO3H 解离R SO3 H
基膜 活性基团
（3）按材料性质分类
有机离子交换膜和无机离子交换膜
非均相离子交换膜制备
热压法：离子交换树脂粉与惰性聚合物粘结剂混合， 然后在适当压力和聚合物软化温度附件热压成膜。
熔融挤出法：离子交换树脂粉与惰性聚合物粘结剂混 合，通过加入塑化剂或者加热使其成为半流动状态， 然后挤出成膜。
流延法：离子交换树脂粉与聚合物溶液混合，然后利 用常规的流延方法通过蒸发溶剂成膜。
流延聚合法：离子交换树脂分散在部分聚合的聚合物 溶液中流延成膜然后在进行后聚合。
目前市场上的非均相膜主要是采用热压法制备的。
热压法制备非均相膜
具体步骤：先将粉状（<50微米）的离子交换树脂和惰性 粘结剂按一定比较混合，在双筒（或三筒）滚压机上混炼 ，再拉出一定厚度的膜片（约0.5mm)，然后在膜片的上下 两面各加一层网布，在聚合物的软化温度附件热压成膜。
膜分离技术
第七章 电渗析
电渗析（electrodialysis，ED）
• 渗透：由于化学位差的作用，纯溶剂（水）透过膜向溶液 侧移动，使溶液变淡，或者低浓溶液中的溶剂透过膜进入浓 度高的溶液，而溶质不透过膜。
•渗析：用膜把一容器隔成两部分，膜的一侧是溶液，另一 侧是纯水，小分子溶质（或离子）透过膜向纯水侧移动，同 时，纯水也可能透过膜向溶液侧移动的过程；或者溶质从浓 度高的一侧透过膜扩散到浓度低的一侧的过程。
基膜 固定离子 可交换离子
季胺型阴膜的示意为：
R N(CH3)3OH 解离R N (CH3)3 OH
基膜 活性基团
基膜 固定离子 可交换离子
离子交换膜
（2）按膜的结构分类
异相膜（或称非均相膜）：膜主体相和功能基团不以化学键 结合。 容易制造，价格便宜，但选择性较差，膜电阻也大。 均相膜：膜结构均一，功能基团和膜基体以化学键相连。 优良的电化学性能和物理性能，近年来离子交换膜的主要发 展方向。 半均相膜：功能基团一部分和膜基体化学键合
含水量：表示湿膜中所含水的百分数，以每克干膜中 所含水质量的克数表示（%）。通常采用称重法测定 。有时也以单位摩尔固定基团结合水的摩尔数表示。 一般电渗析膜的含水量为30％～50％。
离子交换膜的性能指标
溶胀度：指膜在溶液中浸泡后，其面积或体积变化的 百分率。测定程序同含水量。
厚度：膜厚度与膜电阻和机械强度有关。一般异相膜 的厚度约1mm，均相膜的厚度约0.2～0.6mm，最薄的 为0.015mm。
阳膜用阳离子交换树脂，阴膜用阴离子交换树脂。 粘结剂多采用热塑性的线性高分子聚合物，一般是聚烯烃
或其衍生物，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、 聚四氟乙烯、氯乙烯-丙烯腈等。天然或合成橡胶也可作 为粘结剂。 网布起到增强作用，一般可使用锦纶、丙纶、氯纶、无纺 布或者玻璃纤维织物等。
均相离子交换膜制备
扩散系数D：离子交换膜的扩散系数包括电解质通过膜的 扩散，两种反离子通过膜的互扩散以及离子通过膜内的自 身扩散。均是评价离子交换膜性能好坏的重要指标。可选 用电导法或互扩散法测定。
水的迁移数Twm：在无压差时，水也会由于浓度或电场梯度 进行扩散。
选择透过系数：表征膜对同种电荷离子的选择通过能力。
Ti j
tj Cj
/ ti / Ci
离子交换膜性能间的依存关系
盐渗透 同离子泄漏
水传递数
膜
导电性 溶胀度
含
水
量
机械强度
同离子选择性 反离子迁移数
离子交换容量
电渗析膜的性能要求
（1）具有较高的选择透过性：这是衡量离子交换膜性能 优劣的重要指标，其定义式为
在预先制备的基膜上引入功能基团。过程简单，但功 能基化程度不易离子交换膜制备
用粒状粘结剂浸吸单体进行聚合在功能基化，制成含 粘结剂的热塑性离子交换树脂，再按照非均相膜制备 方法制备成膜。
用粉状粘结剂浸吸单体、增塑剂等，然后涂在网布上 进行热压聚合再功能基化。（对网布要求较高，一般 多用长纤维的氯纶）
离子交换膜的性能指标
交换容量：膜的交换容量是表示在一定量的膜样品中 所含活性基团数，通常以单位干重膜所含的可交换离 子的毫克当量数表示（meq/g)。一般用离子交换法测 得，即阳膜先转化成H型，用0.1M NaOH溶液反滴； 阴膜转化成Cl型，用0.1M AgNO3溶液滴定。一般电渗 析膜的交换容量约为1～3毫克当量/克（干膜）。
单体的聚合或缩聚：其中至少有一个单体须含有可引 入离子交换基团的结构或含有离子交换基团的单体与 另一单体形成嵌段聚合物。可制备较高离子交换容量 ，但易溶胀。
含离子交换基团的聚合物或混合物，通过在共同溶剂 中溶解后流延成膜。
聚合物先功能基化，然后溶解流延成膜。方法简单， 但通常聚合物功能化程度不能太高，尤其不能在成膜 前引入交联结构，膜综合性能不高。