课程名称：《水质工程学I》第周，第24讲次摘要$8-3电渗析法淡化与除盐授课题目）章、节）【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。【重点】【难点】内 容【本讲课程的引入】【本讲课程的内容】S8-3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。表 22-6各种膜分离方法推动力分离对象方法浓度差离子、小分子渗析离子电修电位差超鸿压力差大分子、微粒反渗透压力差离子、小分子渗透一一膜能使溶剂（水）透过的现象称为渗透渗析一一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，只准阳离子通过。按选择透过性分：
课程名称：《水质工程学 I》 第 周，第 24 讲次 摘 要 授课题目）章、节） §8-3 电渗析法淡化与除盐 【目的要求】通过本讲课程的学习，学会建立的方法，的特点。 【重 点】 【难 点】 内 容 【本讲课程的引入】 【本讲课程的内容】 §8-3 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，只准阳离子通过。 按选择透过性分：
阴膜：用阴离子交换树脂制成，只准阴离子通过。（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。按结构分类：均相膜：树脂与成膜材料均匀。特点：与异相膜相反。半均相膜：按抗腐蚀分类：人普通膜：抗氯膜：站爱技@0550SOsesos(a)拜相膜(6）均相膜表22-7国产部分高子交换膜主要性能厚度交换容量含水率膜电阻选择透过率膜的种类(n.cml)(%)(%)(mm)(mmol/g)≥40豫乙烯异相阳膜>2.88~122900.38~0.52358~15≥90聚乙好异相谢膜0.38~0.5≥1.838~40>95聚乙烯半均相阳膜2.45~60.25-0.458~10>95聚乙烯半均框阴膜2.532~350.25~0.45≥952.035<5聚乙烯均相阳膜0.325~45~6285氯醇橡胶均相阴膜0.28~0.320.8~1.21、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。阳膜对阳离子的选择透过率（P）：
阴膜：用阴离子交换树脂制成，只准阴离子通过。 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。 按结构分类： 均相膜：树脂与成膜材料均匀。 特点：与异相膜相反。 半均相膜： 按抗腐蚀分类： 普通膜： 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。 阳膜对阳离子的选择透过率（P+）：
i+-t×100%P1-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一一阳离子在溶液中的迁移数。i一一阳离子在膜内的迁移数（理想膜，i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、膜电阻：电阻率×膜厚，单位：Q·cm2（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；C1可自由透过膜。膜NaC1Naz(1)膜(2)Z (C)C1- (Cz-x)Na (Ci+x)Z(C)C1 (C)C1 (x)Na*(Ca-x)Na' (C.)Na'(C)初始平衡状态
100% 1 − − = + + + + t t t P 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、膜电阻：电阻率×膜厚，单位：Ω·cm 2（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) Na+ (C1) Cl- (C2) Na+ (C2) 初始 平衡状态 Z - (C1) Na(C1+x) Cl- (x) Cl- (C2-x) Na+ (C2-x)
当体系处平衡时，膜两侧的Na和CI浓度的乘积，即扩散速率必须相等：[Na' |[cr- ] -[Na* [cr- ]1室2室据电中性法则：[N*al -[cr ][Na ] -[cr- ]+[z-]则:[Na"l[cr]-[cr-]将浓度代入：(C + x)x = (C2 -x)C,x+x2=C2 -2xC, +x2C3x=C, +2C2平衡态膜两侧[C1比值：C2C-C+2..C+CC,-xC?crxC2C, +2C2当C,>>C,时JC2C]当1室NaZ浓度非常大时，x-0，2室中的C1几乎不能透过膜来。我们把交换膜的溶液界面看成半透膜，固定于离子交换膜的活动基团（如树脂上的-SO,-）相当于Z可交换离子为Na，当膜含有相当多的活性基团时，溶液中的C1几乎不进入膜内，也即膜对离子具有选择透过性
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: 1 1 2 2 + − + − Na Cl = Na Cl 1 室 2 室 据电中性法则： 1 1 1 + − − Na = Cl + Z 2 2 + − N a = Cl 则： 2 1 1 2 + − − Na Cl = Cl 将浓度代入: 1 2 2 2 C 2C C x + = 平衡态膜两侧[Cl- ]比值: 2 1 2 1 2 2 2 1 2 2 2 2 2 1 2 2 2 C C C C C C C C C C x C x Cl Cl + = + + − = − = − − 2 1 1 2 1 2 C C Cl Cl C C − − 当 时 当1室Na+ Z -浓度非常大时，x→0，2室中的Cl-几乎不能透过膜来。 我们把交换膜的溶液界面看成半透膜，固定于离子交换膜的活动基 团（如树脂上的-SO4 - -.）相当于Z -可交换离子为Na+，当膜含有相当 多的活性基团时，溶液中的Cl- 几乎不进入膜内，也即膜对离子具有 选择透过性。 ( ) ( ) 2 2 2 2 2 1 2 1 2 2 C x x C 2xC x C x x C x + = − + + = −
若增大C2，进入膜的C1也随着增加，→膜的选择透过性相应降低。阴离子交换膜的原理也相同。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。阴膜可选择适过阴离子而阳离子不能通过：阳膜可选择适过阳离子而阴离子不能通过。含盐水含盐水er极水排山极水排！淡化水激盐水C阳股A—创膜图22-9电渗析原理示意极室中的反应：（1）阴极室进行还原反应：2H+2e→H, t形成了：Na(OH)、NaC1碱性溶液
若增大C2 ，进入膜的Cl-也随着增加，→膜的选择透过性相应降低。 阴离子交换膜的原理也相同。 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。 阴膜可选择适过阴离子而阳离子不能通过； 阳膜可选择适过阳离子而阴离子不能通过。 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：40H-4e-021+2H202C1-2e→Cl2t形成了：HC；NaC1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。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，紧固装量三大部分I /e*KHFweexaeEA?BR黄品H大电区C-一出LU天T 1 *图22-10电净折咨热减示充（督有共电）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
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。 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，紧固装量三大部分。 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。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。(a)有回路式隔板无回路式：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，除盐率低场合。PRORORORO.vow.vovd]F(5)无回路式隔板2、极区：接直流电流的电极板，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
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。 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，除盐率低场合。 2、极区：接直流电流的电极板， 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、钛涂钉、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。（二）、电渗析的组装：级一一一对电极之间的膜堆为一级。段一一具有同向水流的并联膜堆为一段。一级一段多级一段组装方式：一级多段多级多段真级段二级一段级二段二级二段图22-12电渗析器组装方式四、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：n
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。 （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：ml（克）m =g(CG -C,).Mg/c71000(8)一一个淡水室的出水量（1/s）1Ci；C2一一（淡水室）进出水含盐量mmol/1t——通电时间sMa——物质的摩尔质量g/mol2、理论除盐量：m（g）ItMm=FI一一电流，A96500C（库仑）/molF一一法拉第常数，93、电流效率：nm_g(Cr=C)F×100%7=10001mⅡ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二实际耗电量目前：电渗析的电能效率很低。（二）极限电流密度：1、电流密度：单位膜面积通过的电流强度称为电流密度i
1、实际除盐量：m1（克） ( ) (g) M m q C C t B 1000 1 1 2 = − 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） F ItM m B = I ——电流，A F——法拉第常数, 96500 C（库仑）/mol 3、电流效率：η 100% 1000 ( ) 1 1 2 − = = I q C C F m m 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。 实际耗电量 理论耗电量 电能效率 = 目前：电渗析的电能效率很低。 （二）极限电流密度： 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。Mg2+ +2OH- = Mg(OH), Ca*+OH-+HCO, =CaCO, ++H,Oi.（1）膜内迁移量：Fi——电流密度，F一一法拉第常数。t一一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。阳膜界面层溶液1/FTIF0(c-c/0008-8水溶图22-13浓差极化示意（2）溶液中的迁移量：Ft+一一阳离子进溶液中的迁移数，.由于，t造成C'；C浓度差。F+F据菲克扩散定律：扩散物质的通量Φ为：
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。 Ca OH HCO CaCO H O Mg OH Mg OH 3 3 2 2 2 2 2 ( ) + + = + + = + − − + − （1）膜内迁移量： t + F i 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： + t F i t+——阳离子进溶液中的迁移数， 由于 + t F i ＞ + t F i 造成C’；C浓度差。 据菲克扩散定律：扩散物质的通量φ为：