第七章离子交换膜和电渗析(ED)

第 七 章
电渗析（ ） 电渗析（ED）技术的发展概况
对电渗析的基本概念的研究是从19世纪 年代开始的 对电渗析的基本概念的研究是从 世纪50年代开始的。 世纪 年代开始的。 1854年 Graham发现了渗析现象； 年 发现了渗析现象； 发现了渗析现象 1862年 Dubrunfant制成了第一个膜渗析器，并成功地进行了 年 制成了第一个膜渗析器， 制成了第一个膜渗析器 糖与盐的分离； 糖与盐的分离； 1940年 Meyer和Strauss提出了具有实用意义的多隔室电渗析 年 和 提出了具有实用意义的多隔室电渗析 装置的概念； 装置的概念； 1950年 Juda试制成功了第一张具有选择透过性的阳、阴离子 年 试制成功了第一张具有选择透过性的阳、 试制成功了第一张具有选择透过性的阳 交换膜，奠定了ED技术的实用基础 技术的实用基础， 技术得到迅速发展 技术得到迅速发展。 交换膜，奠定了 技术的实用基础，ED技术得到迅速发展。 1952年 美国 年 美国Ionics公司制成了第一台电渗析装置； 公司制成了第一台电渗析装置； 公司制成了第一台电渗析装置 1954~1956年 英、美将 首先应用于生产实践中，主要应用 年 美将ED首先应用于生产实践中 首先应用于生产实践中， 于苦咸水淡化、制备工业用水和饮用水，此后， 于苦咸水淡化、制备工业用水和饮用水，此后，ED 技术逐步 被引入北非、南非以及中东地区。 被引入北非、南非以及中东地区。
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电渗析原理
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电渗析过程示意图
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阳极室 + + + + + + 阳极 ClNa＋
浓缩室
淡化室
浓缩室
阴极室 － －
ClClNa＋ Na＋
ClNa＋
ClClClNa＋ Na＋
－ － － － 阴极
Na＋
阳膜
阴膜
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2. 离子交换膜的组成
固定部分 膜的主体 离子交换膜 活动部分 高分子骨架(基膜 高分子骨架 基膜) 基膜 离子交换基团(固定荷电基团 离子交换基团 固定荷电基团) 固定荷电基团 反离子 唐纳渗透离子 溶剂(如水 溶剂 如水) 如水 增强材料(保证膜的强度和尺寸稳定性 增强材料 保证膜的强度和尺寸稳定性) 保证膜的强度和尺寸稳定性
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3. 离子交换膜的分类
按膜体宏观结构(制造工艺 不同可分 按膜体宏观结构 制造工艺)不同可分 类： 制造工艺 不同可分3类 1. 非均相(异相)离子交换膜——指由离子交换树脂的细粉末 非均相( 异相) 离子交换膜 指由离子交换树脂的细粉末 和起粘合作用的高分子材料经加工制成的离子交换膜。 和起粘合作用的高分子材料经加工制成的离子交换膜 。 （ 树脂分散在粘合剂中，因而在膜结构上是不连续的， 树脂分散在粘合剂中 ， 因而在膜结构上是不连续的， 固称 为异相膜） 为异相膜） 2. 均相离子交换膜 —— 由具有离子交换基团的高分子材料直 均相离子交换膜——由具有离子交换基团的高分子材料直 接制成的连续膜， 接制成的连续膜 ， 或是在高分子膜基上直接接上活性基团 而成的。 而成的 。 （ 膜中离子交换基团与成膜的高分子材料发生化 学结合起来，其组成完全均一，故称之为均相膜） 学结合起来，其组成完全均一，故称之为均相膜） 3. 半均相离子交换膜 半均相离子交换膜——成膜的高分子材料与离子交换基团 成膜的高分子材料与离子交换基团 组合得十分均匀，但它们之间并没有形成化学结合。 组合得十分均匀，但它们之间并没有形成化学结合。
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离子交换膜（ 离子交换膜（ion exchange membrane）是 ） 电渗析器的主要部件， 电渗析器的主要部件 ， 有 “ 电渗析的心脏 之称。 ” 之称 。 它是一种由高分子材料制成的具 有离子交换基团的薄膜。 在这里， 有离子交换基团的薄膜 。 在这里 ， 离子交 换膜的作用并不是起离子交换的作用， 换膜的作用并不是起离子交换的作用 ， 而 是起着离子选择透过的作用 离子选择透过的作用， 是起着 离子选择透过的作用 ， 所以更确切 地说应称之为“离子选择性透过膜” 地说应称之为“离子选择性透过膜”。
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三、电渗析过程的基本传质过程
对流传质——离子在隔室主体溶液和扩 离子在隔室主体溶液和扩 对流传质 散边界层之间的传递； 散边界层之间的传递； 扩散传质——离子在膜两侧的扩散边界 离子在膜两侧的扩散边界 扩散传质 层中的传递； 层中的传递 ； 这是控制电渗析传质速率 的主要因素。 的主要因素。 电迁移传质——离子通过离子交换膜的 离子通过离子交换膜的 电迁移传质 传递。 传递。
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第二节 离子交换膜的分类及组成
应注意， 中所用的离子交换膜 中所用的离子交换膜， 应注意，ED中所用的离子交换膜，实际上并 不是起离子交换作用（ 不是起离子交换作用（ 这点与通常据说的离 子交换树脂不同） 而是起离子选择透过 选择透过作 子交换树脂不同 ） ，而是起离子 选择透过作 因此， 用 ， 因此 ， 更确切地应称之为离子选择性透 过膜。 过膜。 可解离出阳离子， 可解离出阳离子，对阳离子具有选择透过性 ——阳膜 阳膜 可解离出阴离子， 可解离出阴离子，对阴离子具有选择透过性 ——阴膜 阴膜
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三、均相膜的制备 实际上是直接使离子交换树脂薄膜化。 实际上是直接使离子交换树脂薄膜化。 大致过程为： 膜材料的合成反应过程、 大致过程为 ： ① 膜材料的合成反应过程 、 ② 成膜过 引入可反应基团、 程 、 ③ 引入可反应基团 、 ④ 与反应基团发生作用 形成荷电基团。 形成荷电基团。 四、新型离子交换膜
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我国电渗析技术的发展概况
1958年 年 开始电渗析技术的研究； 开始电渗析技术的研究； 小型ED装置投入海上试验； 小型 装置投入海上试验； 装置投入海上试验 1960年代初 年代初
1965年 在成昆铁路上安装了第一台苦咸水淡化装置； 年 在成昆铁路上安装了第一台苦咸水淡化装置； 1966年 年 开始工业化试生产聚乙烯异相离子交换膜， 开始工业化试生产聚乙烯异相离子交换膜，从此 ED技术开始进入实用化阶段； 技术开始进入实用化阶段； 技术开始进入实用化阶段 1967年 异相离子交换膜投入生产，为电渗析技术的推广应 年 异相离子交换膜投入生产， 用创造了条件； 用创造了条件； 1970年代以来 年代以来 ED技术发展较快，离子交换膜生产已具相 技术发展较快， 技术发展较快 当规模，全国共有44个膜品种 已商品化的有12类 种 个膜品种， 当规模，全国共有 个膜品种，已商品化的有 类19种，并 已具有相当高的水平。我国离子交换膜产量占世界第二。 已具有相当高的水平。我国离子交换膜产量占世界第二。
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1959年 前苏联开始研究和推广应用 技术； 年 前苏联开始研究和推广应用ED技术 技术； 1966年 美国 年 美国Du Pont公司研制全氟磺酸离子交换膜； 公司研制全氟磺酸离子交换膜； 公司研制全氟磺酸离子交换膜 1970年 日本将电渗析器用于苦咸水淡化； 年 日本将电渗析器用于苦咸水淡化； 1972年 美国 年 美国Ionics公司推出频繁倒极电渗析 公司推出频繁倒极电渗析(EDR)装置； 装置； 公司推出频繁倒极电渗析 装置 1974年 日本在野岛建造了日产饮用水 年 日本在野岛建造了日产饮用水120t的海水淡化 装 的海水淡化ED装 的海水淡化 置； 1982年 日本成功开发了全氟阴离子交换膜（AEM）； 年 日本成功开发了全氟阴离子交换膜（ ） 1991年 年 我国研制成功了无极水全自动控制ED器 我国研制成功了无极水全自动控制 器，以城市 自来水为进水，单台多级多段配置，脱盐率为99%以上，原 以上， 自来水为进水，单台多级多段配置，脱盐率为 以上 水利用率达70%以上。 以上。 水利用率达 以上 20世纪 年代中后期， 常规 技术在国外的发展进入了萎 世纪80年代中后期 常规ED技术在国外的发展进入了萎 世纪 年代中后期， 缩阶段，西欧已基本不用。 缩阶段，西欧已基本不用。
Na + + OH − = NaOH
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−
电渗析运行时可能发生的过程
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电渗析过程中的其他迁移过程
① 同名离子迁移 ② 电渗析的浓差扩散 ③ 水的渗透 ④ 水的电渗透 ⑤ 压差渗漏 ⑥ 水的解离
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阳极
阴极
双极膜——复合膜，即由具有两种相反电荷的离子 复合膜， 复合膜
交换层紧密相邻或结合而成的新型离子交换膜。 交换层紧密相邻或结合而成的新型离子交换膜。
螯合膜——其膜上具有两个或两个以上对金属离子 其膜上具有两个或两个以上对金属离子
有很大亲和力的官能团。 有很大亲和力的官能团。
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一. 电渗析(Electrodialysis)过程原理 电渗析 过程原理
电渗析——指在直流电场作用下 ， 溶液中的 指在直流电场作用下， 电渗析 指在直流电场作用下 荷电离子选择性地定向迁移， 荷电离子选择性地定向迁移 ， 透过离子交换 膜并得以去除的一种膜分离技术。 膜并得以去除的一种膜分离技术。 采用电渗析过程脱除溶液中的离子，基于 个 采用电渗析过程脱除溶液中的离子，基于2个 基本条件： 基本条件： 1）离子交换膜的选择透过性； ）离子交换膜的选择透过性； 2）直流电场。 ）直流电场。