9章—2电渗析法淡化与除盐

阳膜对阳离子的选择透过率（P+）：
t t P 100% 1 t
公式: 通电时阳离子所迁移的电量（实测电量） 与所有离子迁移总电量（理论量）之比值。 t+——阳离子在溶液中的迁移数。 t ——阳离子在膜内的迁移数（理想膜，t 应为1） 分子为：实际膜条件下，阳离子在阳膜内与在溶 液中的迁移数之差。 分母为：理想条件下阳离子在阳膜内与在溶液中 的迁移数之差。 P+越大，越接近1，膜性能越好。 2 2、膜电阻：电阻率×膜厚，单位：Ω·cm (测定)



（二）离子交换膜的作用机理： 膜的主要性能：离子的选择透过性，作用机理为道南 （唐南Donnan）平衡理论。 Z离子不可透过膜， Na+；Cl－可自由透过膜。 NaZ 膜 NaCl （1） 膜 （2 ）
Z-(C1)
-(C ) -(C -x) Z Cl 1 2 → Na(C1+x) Na+(C1) Na+(C2) Cl-(x) Na+(C2-x) 初始 平衡状态 当体系处平衡时，膜两侧的Na+和Cl-浓度的乘积,即扩 散速率必须相等:
二、电渗析原理及过程


（一）原理：在电场力的作用下，使阴、阳离 子作相反的一定向移动，利用阴阳离子交换膜 对阴阳离子的选择透过性，使阴阳离子在浓室 中浓度升高，淡室中浓度降低，来制取淡水。 （二）电渗析的过程： 通电后：水中的阴离子向阳极方向移动， 阳离子向阴极方向移动。 阴膜可选择通过阴离子而阳离子不能通过； 阳膜可选择通过阳离子而阴离子不能通过。
由曲线两端等实验点作 两直线交于P点，过P点 引垂线，即得到ilim和相 应膜对电压VP。 许多流速下重复上述实 验，可得许多ilim和相应 的淡室对数平均离子浓 度C值，再用图解法可 确定K值和n值。


五、极化和沉淀

我们谈到了极化，当电流超过ilim时， 1、水极化产生H+和OH-（阳膜淡室侧） 而在阴膜的浓室侧则出现沉淀。

3、电流效率：η
m1 q (C1 C 2 ) F 100 % m 1000 I

η与膜对数无关，膜对数与电压成正增长。

4、电能效率： 与电流效率不同，是衡量电能利用程度 的指标。
理论耗电量 电能效率 实际耗电量

目前：电渗析的电能效率很低。
（二）极限电流密度：

（二）、电渗析的组装：


级——一对电极之间的膜堆为一级。 段——具有同向水流的并联膜堆为一段。 一级一段 组装方式： 多级一段 一级多段 多级多段
四、电流效率与极限电流密度



（一）电流效率：实际除盐量与理论除盐量之比：η 1、实际除盐量：m1（克） M g m1 qC1 C2 t B 1000 q——一个淡水室的出水量（l/s） C1；C2——（淡水室）进出水含盐量mmol/l t——通电时间s MB——物质的摩尔质量 g/mol 2、理论除盐量：m（g） ItM B m F I ——电流，A ↗库仑 F——法拉第常数, 96500 C/mol
§9-2电渗析法淡化与除盐
膜分离法：反渗透，超滤和渗析法 的统称。 这几种方法的特点：都是利用物质 的可选择透过性的膜。
各种膜分离法的分离对象推动力。


渗透——膜能使溶剂（水）透过的现象称 为渗透。 渗析——膜能使溶质透过的现象称为渗析。
一、离子交换膜及其作用机理：



（一）离子交换膜： 分类： 阳膜：用阳离子交换树 脂制成，只准阳离子 按选择透过性分： 通过。 阴膜：用阴离子交换树 脂制成，只准阴离子 通过。
1000

（3）当处于稳定状态时:
即
i i t t F F i C C t t D F 1000




i——电流密度，mA./cm2 当i增大时，C’下降，i达某一值时，C’=0 当i继续增大时，水H2O产生电离， H+、OH-传递电流。 这种现象——水的极化现象，也称浓差 极化。

（二）设计参数的初步确定：
1、脱盐率： 取决于隔板厚度，流程长度，流速及电流 密度，某一类隔板，均有多种规格。


表介绍了无回路网式聚丙烯隔板，在流速6cm/s，进水盐 量2000mg/lNaCl。25℃时的单段除盐率。 手册上还有许多，供设计者初选。


1、电流密度：单位膜面积通过的电流强度称为电流 密度i。 2、膜界面极化现象： 以阳膜淡水室一侧为例： 过大的电流密度会导致阳膜淡室侧膜表面的离子浓度 低到接近于零。要保持电流通过，则在界面层中由水 离解为H+和OH-，使之传递电流，这种现象称为极化 现象，它主要发生在阳膜的淡室一侧。 同时产生的另一种膜界面现象是水离解出的OH-在电 场力的作用下迁移过阴膜，造成阴膜浓室一侧PH上升。 产生沉淀反应。



流水道： 有回路式：流程长，流速高，电流效率高，一 次除盐效果好。 适用：流量小，除盐率高场合。 无回路式：流程短，流速低，要求隔网搅动 （搅动，水流冲动网，网使水流紊动）作用强， 及水流分布均匀。 适用：流量大，除盐率低的电极板， 设有原水进口，淡水，浓水出口及极室水的通路。 组成：电极，极框，电极托板，橡胶垫板等。 极框作用：防止膜贴到电极上，保证极室水流畅， 及时排掉电极的反应产物。 常用电极：石墨、钛涂钌、铅、不锈钢等。 3、紧固装置： 包括：两端压板和紧固螺栓，把膜堆均匀夹紧， 使其不漏水。 4、其它设备： 整流器、水泵、转子流量计等。
1000

v——流速cm/s 电流效率公式：（已学） 将q、I代入
qC1 C 2 F 1000 I
dbv (C1 C2 ) F 1000 ibl 1000 1000


vd (C1 C2 ) F l (cm) 1000 i 极化时电流强度 ilim=KCvn 代入得： 极限电流密度工况下的脱盐流程长度：llim
2.3Fd v1n C1 llim lg cm 1000 K C2
n p 278 Q ( 对) dbv

电渗析并联膜对数:np
Q——淡水产量m3/h 278——换算系数

实际工程中：可据淡水产量，及处理要求选用定型产品并 确定台数，及串并联组合方式。 串联——提高水质， 并联——增加产水量。
三、电渗析的 构造与组装：

（一）构造： 部件：压板，电极 托板，电极，极框， 阴、阳膜，浓、淡 水隔板等，整个结 构分为膜堆、极区， 紧固装置三大部分。




1、膜堆：一对阴、阳膜和一对浓、淡水隔 板，交替排列，组成最基本的脱盐单元， 称为膜对。 由许多膜对叠到一起构成膜堆。 隔板作用：隔开阴、阳膜，板上设有配水 孔，布水槽，流水道及搅动水流的隔网等。 由于隔板与进出水的不同，浓、淡水室相 连接，其分别相应地分为淡室和浓室。 隔板材料：聚氯乙烯、聚丙烯、合成橡胶。 隔网形式：鱼鳞、编织、冲膜式网。
Mg 2 2OH Mg (OH ) 2 Ca OH HCO3 CaCO3 H 2O


（1）膜内迁移量：
i t F


i——电流密度， F——法拉第常数 。 t ——阳离子进膜内 迁移数。 膜内迁移量，相当于 单位时间，单位面积 所迁移的物质的量。

（2）溶液中的迁移量：
i t F

t+——阳离子进溶液中的迁移数， 由于
i i t ＞ t 造成浓度差C’；C。 F F


据菲克扩散定律：扩散物质的通量φ为： D(C C ) mmol/cm2· s


D——扩散系数cm2/s C’ ； C——界面层两侧物质的量浓度mmol/l δ——边界层厚cm
六、电渗析工艺设计与计算


(一)电渗析的总流程长度的计算：(进出口长度) 隔板厚度d（cm），流道宽b（cm），流道长l（cm） 膜有效面积为bl cm2 1000 I 2 i mA cm 平均电流密度i bl I——电表所示电流量， dbv 一个淡室的流量：q L S q
异相膜：用粘合剂（或膜材料） 与树脂粘合成膜并加 入衬网面制成，两相 按结构分类： 不均匀。 特点：价低，机械强度好， 适水性大，但膜电阻大， 耐热性差。 均相膜：树脂与成膜材料均匀。 特点：与异相膜相反。 半均相膜： 普通膜： 按抗腐蚀分类： 抗氯膜：

1、选择透过率： 离子在溶液中与在交换膜 中迁移数量不相同，在理想情况下，在膜中 迁移比例应等于1，但实际上达不到1。

极室中的反应： （1）阴极室进行还原反应： 2H++2e→H2↑ 形成了：Na(OH)、NaCl
碱性溶液。
并形成：Mg(OH)2、CaCO3沉积于电极上。（水垢）


（2）阳极室进行氧化反应： 4OH--4e→O2↑+2H2O 2Cl--2e→Cl2↑ 形成了：HCl；NaCl酸性溶液。 (三)耗电：1、极室反应耗电。 2、电流通过溶液和膜时的电阻耗能。
2 C2 x C1 2C2
2 C1 x x 2 C2 2 xC2 x 2

平衡态膜两侧[Cl-]比值:
Cl Cl

2
1
2 C2 C2 C2 x C1 2C2 C1 C2 2 C2 x C2 C1 2C2
当C1

Cl C 时 Cl
C——浓度，水在流道中流动，C逐渐降低，变化规律： 沿流向按指数关系分布，C采用对数平均值。
C
C1 C2 C1 2.3lg C2


C1、C2—淡室进出水浓度mmol/l 令： FD K t t k 1000