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电渗析设备(ED)


  近十多年来,电渗析技术发展得很快,现已大规模应用在海水的淡化,并逐渐扩大应用到电子、医药、化工、食品和环保等领域。如在食品工业中用于从牛奶中除去无机盐和从酒和果汁中除去有机酸等,在糖业方面的研究应用也很受重视。

详细介绍
一、ED电渗析工作原理

     将溶液置于直流电场中,它所含的带电离子就向带相反电荷的电极移动。如果在溶液中装设离子交换树脂膜将溶液隔开成几部分,这些膜会选择性地让某些离子通过,而将另一些离子阻挡住。这样就使被树脂膜隔开的某些部分含电解质较多,而另外的部分则相反。这就是电渗析作用,藉此可以分离和除去溶液中的电解质,即将溶液脱盐。
   
电渗析所用的离子交换树脂膜有两类:一类只能透过阳离子,简称为阳膜,它通常含有带负电的活性基团,能透过阳离子,但它的负电基则将溶液中的负离子排斥在外并阻挡其通过。另一类膜只能透过阴离子,简称阴膜,它通常含有带正电的活性基团,能透过阴离子,但排斥和阻挡阳离子。将阳膜和阴膜交替排列成多个组合,两侧置电极,就成为电渗析器。
   
在电渗析器的两端装阳极和阴极,中间交替地平行放置阳膜和阴膜。在通入直流电后,溶液中的离子受相反电荷的电极吸引而相它移动,阳离子透过阳膜而被阴膜所阻挡,阴离子透过阴膜而被阳膜所阻挡。这样在阳膜与阴膜之间就积聚较多的电解质,成为浓缩液,该室就是浓缩室;而在阴膜与阳膜之间则较少离子,成为淡化液,该室就是淡化室。
   
在电渗析器的阳极发生几种化学反应,Cl-OH-放出电子,形成初生态氯和氧,放出氯气和氧气,一些氯溶于水中生成次氯酸使水呈酸性。
   
在电渗析器的阴极发生另几种化学反应,H+ Na+吸收电子,形成氢气和氢氧化钠,使溶液呈碱性。
溶液中存在的其他离子亦发生相应的反应,如Ca2+Mg2+生成Mg(OH)2CaCO3等沉淀物。
   
电极反应消耗的电能为定值,与电渗析器中串联多少对树脂膜的关系不大,为充分发挥电流的脱盐作用,常在两电极之间串联装置很多对膜,一般为200300对,甚至多达1000(膜对多时要用较高电压)
   
在电渗析器通入直流电后,淡化室中的盐类浓度逐渐降低(以至趋近于零);浓缩室中的盐类浓度则逐渐升高。将各个淡化室的液体引出,是含电解质很少的溶液;各浓缩室的液体引出,是集中了盐类的溶液。两端电极的液体引出混合,使它们互相中和。

二、电渗析工程典型工艺流程   
  1、苦咸水淡化、地下水除氟原水→101过滤器精密过滤器电渗析装置中空纤维超滤器紫外线杀菌器成品水
  2
、饮用纯净水、太空水生产 原水机械过滤器活性炭过滤器精密过滤器电渗析装置阳离子交换器阴离子交换器混合离子交换器中空纤维超滤器紫外线杀菌器臭氧灭菌装置成品水
  3
、制药行业针剂制备、大输液制备用水 原水活性炭过滤器精密过滤器电渗析装置阳离子交换器阴离子交换器混合离子交换器多效蒸馏水机成品水
  4
、化肥、机械行业用水 原水机械过滤器精密过滤器电渗析装置阳离子交换器脱气塔阴离子交换器成品水

三、a)离子交换膜的种类和特点
    离子交换膜是电渗析器的关键部件。它的化学结构与一般的离子交换树脂相同,分为基膜和活性基团两大部分。基膜是具有立体网状结构的高分子化合物,活性基团是由具有交换作用的阳(或阴)离子和与基膜相连的固定阴(或阳)离子所组成。
    阳膜的材质通常是磺酸型树脂,活性基团为强酸性的磺酸基-SO3H,它容易离解出H+。阳膜表面有大量的负电基SO3-,故排斥溶液中的阴离子。
   阴膜的材质通常是季胺型树脂,活性基团为强碱性的季胺基-N(CH3)3OH,它容易离解出OH-。阴膜表面有大量的正电基-N(CH3)3+ ,故排斥溶液中的阳离子。
    基膜的立体网状结构的高分子骨架中存在许许多多网孔,这些网孔相互沟通形成微细的、迂回曲折的通道,通道的长度远大于膜的厚度。在电场作用下,溶液中的阳离子可通过阳膜的微细孔道进入膜的另一侧(向阴极方向),阴离子则通过阴膜进入相反的另一侧(向阳极方向)。电渗析器中有许多阳膜和阴膜交错排列,配对成许多个组合。在每一对阳膜和阴膜之间,离子从它的两侧进入,就形成离子集中的浓缩室,而在它的外侧就形成淡化室。
    上述两类膜统称为通用膜,是用得最多的。它的缺点是不耐氧化和高温。在两端的电极室,温度较高且有氧化反应,要用特殊材料的离子交换膜、惰性多孔膜或纤维布。
    此外还有两性膜,它是将磺酸基团和季胺基团按适当比例混合制得。两性膜具有较好的抗极化性能(而普通阴膜易因极化作用使电阻和电压升高,效率下降)
    通常使用的阴膜为苯乙烯季胺型树脂,较易被水中的有机物污染,使电渗析效率下降。大孔阴膜(膜孔径为0.050.15μm)具有一定的抗污染能力。
    离子交换膜按膜体结构分为异相膜、均相膜和半均相膜三大类。异相膜亦称非均相膜,是直接用磨细的离子交换树脂(250),加入粘合剂制成。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有不同的化学组成,活性基团分布不均匀。这种膜工艺成熟,价格较低,但粘合剂有将活性基团包住的倾向,膜电阻较大,选择透过性较低。膜的厚度较大,约0.40.8mm
    均相膜不含粘合剂,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树脂的溶液直接制得。这种膜中的活性基团分布均匀,膜的整体结构均一。它的厚度小,约0.150.3mm,电化学性能好,但价格较高。
半均相膜是将离子交换树脂和粘合剂同溶于溶剂中再形成膜。外观、结构和性能都介于上述两种膜之间。
    国外生产的离子交换膜的品种很多,国内生产的品种亦迅速发展。
b)
离子交换膜性能
   离子交换膜的各项性能是影响电渗析器工作质量的关键因素,对它有严格要求。
    首先,树脂膜应平整、均一、光滑,无针孔,厚度要适当,有良好的强度和韧性,能承受一定的压力和拉力。
    树脂膜要能承受一定的温度不变形,较多的膜只能用在40℃以下,也有部分膜能耐70℃。
    树脂膜要能耐受一定的酸、碱,适应用稀酸清洗除垢的需要。电极室的隔膜用特殊膜,阳极室膜应能抵抗新生态氯和氧的侵蚀,阴极室膜应能耐碱。
    树脂膜应有较高的离子交换容量,这点很重要。
    树脂膜要有良好的导电性。膜的电阻低,电渗析器所需电压也较低,相反则要较高。电渗析用面电阻来表示,单位为Ω .cm2(Ω为电阻单位欧姆),整个膜的电阻为面电阻除以膜的总面积。它是在标准浓度的KCl溶液中测出的。
    树脂膜要有良好的选择透过性,即它对同名的离子(阳膜对阳离子及阴膜对阴离子)有很高的透过性,让它们畅顺通过;但膜对另一类离子的透过性应尽量少,将它们有效地阻挡隔离。通常,交换容量高和微孔孔径小的膜的选择透过性较好。膜的选择透过度是在一定条件下,离子在膜内迁移数的增加值与理想膜的迁移数的增加值的比例。一般要求实用膜的透过度高于85%。在溶液浓度高时,膜的选择性下降,在此条件工作的膜的选择性要更高。此外,膜对水的透过性也要小,以免降低电渗析的效果。

    离子交换膜使用前应保存在湿润的环境或用清水浸泡,以防干燥变形。若保存时间长,需加入少量防腐剂如甲醛于水中,防止细菌滋生。
c)离子交换膜的隔板
    离子交换膜是很薄的薄膜,在两件薄膜之间要装隔板将薄膜隔开和支持,此隔板亦是液体流通的通道。隔板有甲、乙两种,阳膜与阴膜之间为隔板甲,阴膜与阳膜之间为隔板乙。渗析器中阳膜与阴膜交错排列,隔板则是甲、乙板交错排列。隔板的厚度只为12mm,故可以在不很长的渗析器内装设很多的膜与板的组合,电阻和所需电压都不大。隔板用聚氯乙烯或聚丙烯制成。两种隔板分别构成淡化室和浓缩室。全部薄膜与隔板都有多个贯通的孔,作为液体进入和淡液与浓液流出的通道。
   
每块隔板内都有多折平行反复的通道,液体沿通道流动。甲乙两种隔板的差异是连接配水孔和通道的具体位置不同,以分别连接外部的淡液管和浓液管。通道处有隔网,隔网有鱼鳞状网、方格编织网、波状多孔网等形式,使流动的液体成湍流状态。
四、电渗析器构成
    电渗析器的整体分为膜堆、电极室和紧固装置三大部分。膜堆由许多对膜和隔板按一定的顺序整齐地排列组成。两端为电极室,装设电极及有关部件。渗析器最外端为牢固的上、下压板,通过多个贯通螺栓将上述全部部件均匀地压紧成一个整体,确保渗析器在正常压力下工作不泄漏。膜和隔板近边沿处的通孔互相连接形成液体进出的通道。这种构造有点类似板框式压滤机。
   
电极室中装电极、极框、电极托板和橡胶垫板。电极的材料通常是石墨、不锈钢或钛(有些在表面镀铂以抗腐蚀)。极框放置在电极与极室膜之间,防止膜与电极相贴,并作为电极室进出水的通道,及时将电极反应产物排出。
   
电渗析器通常用单程的工作方式,液体只经过一组膜板;有时用两程,液体串联通过两组膜板(电渗析器称为一段和两段)。亦可在渗析器的中间再装一个共电极,缩短电流通过的长度,这些都按照实际需要来设计。
   
电渗析器可用卧式或立式,即将渗析膜水平或垂直装置。前者的安装较方便,后者是在水平安装和压紧后竖立起来,这便于运行时排出水流中的气体,这在工作温度高时更需要。

、适用范围

   电渗析装置已被广泛应用于电力、化工、电子、环保、医药、纺织、食品等行业,获得令人满意的经济效益,具体用途主要有:
    1
海水、苦咸水淡化制取生活饮用水。
    2、制取啤酒、汽水、纯净水等饮料用水。
    3、制取低压锅炉用水。
    4
、电渗析和离子交换法联合使用,制取蒸馏水、高纯水、超纯水,这种制水方法可节约酸碱80~90%,避免树脂的频繁再生,并大大降低制水成本。
    5、联合其他不同的处理单元,可制成满足电子、医药、食品、化工等更高档次的行业用水。
    6、电镀、电子等工业废水(液)中AuAgCu等贵重金属的回收及废水回用。
    7、除氟化物、废水处理
 

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