全膜法水处理技术Word格式.docx
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1.渗析过程
（1）渗析的原理
渗析是最早被发现和研究的一种膜分离过程，它是一种自然发生的物理现象。
当两种不同浓度的盐水用一张渗析膜（半透膜或离子交换膜）隔开时，浓盐水中的电解质离子就会穿过膜扩散到稀盐水中去，这种过程称为渗析过程，亦称扩散渗析。
渗析过程的推动力是浓度梯度，因此又称浓差渗析。
图4-1渗析过程示意图图4-2浓差渗析回收酸
渗析过程是缓慢进行的，随着盐分浓度梯度的降低．盐的扩散也逐渐减少，直到膜两边浓度相同，建立了平衡，盐分的迁移也就完全停止。
（2）渗析的应用
① 血液透析
② 从酸碱废液中回收酸碱。
浓差渗析回收酸见图4-2。
料液中由于H2SO4和FeSO4的浓度高，其中Fe2+、H+、SO42-均有向渗析液H2O中扩散的趋势，由于使用阴离子交换膜作渗析膜，因此理论上阴膜只允许SO42-透过膜进入渗析液，而H+离子由于水合离子半径小，迁移速度快，故也能透过膜迁移到渗析液中。
H+和1/2SO42-等摩尔透过膜，以保持溶液的电中性。
但是Fe2+离子则不透过阴膜。
经过一段时间的渗析后，料液中的H2SO4即进入渗析液中，实现了FeSO4和H2SO4的分离，即可实现回收废硫酸的目的。
2.电渗析过程
电渗析过程是电解和渗析扩散过程的组合。
电渗析制取淡水的基本过程：
利用离子交换膜的选择透过性，即阳膜理论上只允许阳离子通过，阴膜理论上只允许阴离子通过，在外加直流电场作用下，阴、阳离子分别往阳极和阴极移动，它们最终会于离子交换膜，如果膜的固定电荷与离子的电荷相反，则离子可以通过，如果它们的电荷是相同的．则离子被排斥，从而可以制得淡水。
电渗析运行时可能发生的过程见图4-3。
图4-3电渗析运行时可能发生的过程
（1）反离子迁移
离子交换膜具有选择透过性。
反离子迁移是电渗析运行时发生的主要过程，也就是电渗析的除盐过程，反离子迁移效应大于0.9。
（2）同名离子迁移
与膜上固定基团所带电荷相同的离子穿过膜的现象。
即浓水中阳离子穿过阴膜，阴离子穿过阳膜，进入淡室的过程，就是同名离子迁移。
这是由于离子交换膜的选择透过性不可能达到100％。
当膜的选择性固定后，随着浓室盐浓度增加，这种同名离子迁移影响加大。
（3）电解质浓差扩散
由于膜两侧溶液浓度不同，在浓度差作用下，电解质由浓室向淡室扩散，扩散速度随浓度差的增高而增大。
（4）水的渗透
在电渗析过程中，由于淡室水浓度低，基于渗透压的作用，会使淡室的水向浓室渗透。
浓度差愈大，水的渗透量也愈大，这一过程会使淡水产量降低。
（5）水的电渗透
反离子和同名离子，实际上都是以水合离子形式存在，在迁移过程中携带一定数量的水分子迁移，这就是水的电渗透。
随着溶液浓度的降低，水的电渗透量急骤增加。
（6）水的压渗
当浓室和淡室存在着压力差时，溶液由压力大的一例向压力小的一侧渗漏，称为水的压渗，因此操作时应保持两侧压力基本平衡。
（7）水的电离
电渗析运行时，由于电流密度相液体流速不匹配，电解质离子未能及时地补充到膜的表面，而造成淡室水的电离生成H+和0H-离子，它们可以穿过阳膜和阴膜。
对电渗析各过程的评价
电渗析器在运行时，同时发生着多种复杂过程：
反离子迁移是电渗析除盐的主要过程,其它都是次要过程。
这些次要过程会影响和干扰电渗析的主要过程：
&
#8211;
同名离于迁移和电解质浓差扩散与主过程相反，会影响除盐效果；
水的渗透、电渗透和压渗会影响淡室产水量，也会影响浓缩效果；
水的电离会使耗电量增加，导致浓室极化结垢，从而影响电渗析的正常远行。
因此必须选择优质离子交换膜和最佳的电渗析操作条件，以便消除或改善这些次要过程的影响。
3.电渗析法脱盐的基本原理
把阳离子交换膜和阴离子交换膜交替排列于正负两个电极之间，并用特制的隔板将其隔开，组成脱盐（淡化）和浓缩两个系统。
当向隔室通入盐水后，在直流电场作用下，阳离子向阴极迁移，阴离子向阳极迁移，但由于离子交换膜的选择透过性，而使淡室中的盐水淡化，浓室中盐水被浓缩，实现脱盐目的。
电渗析法原理示意图
电渗析上两极的反应——以NaCl溶液为例
在阳极上：
2Cl--2e&
#8594;
Cl2&
#8593;
H2O&
H++OH-
4OH--4e&
O2+2H2O
产生的氯气又有一部分溶于水中：
Cl2+H2O&
HCl+HClO
HClO&
HCl+[O]
阳极反应有氧气和氯气产生，氯气溶于水又产生HCl及初生态氧[O]，阳极呈酸性反应，应当注意阳极的氧化和腐蚀问题。
在阴极上：
H2O--&
H++2e--&
2H2&
Na++OH---&
NaOH
在阴极室由于H+离子的减少，放出氢气，极水呈碱性反应，当极水中含有Ca2+、Mg2+和CO32-等离子时，会生成CaCO3和Mg（OH）2等沉淀物，在阴极上形成结垢。
在极室中应注意及时排除电极反应产物，以保证电渗析过程的安全运行，考虑到阴膜容易损坏，并为了防止Cl-离子透过阴膜进入阳极室，所以在阳极附近一般不用阴膜，而改用阳膜或惰性多孔保护膜。
4.电渗析技术的特点
（1）能量消耗低。
电渗析除盐过程中，只是用电能来迁移水中的盐分，而大量的水不发生相的变化，其耗电量大致与水中的含盐量成正比，尤其是对含盐量为数千mg/L的苦咸水，其耗电量更低。
（2）药剂耗量少．环境污染小
常规的离子交换处理水时，树脂失效后需用酸、碱进行再生，再生后生成大量酸、碱再生废液，水洗时还要排放大量酸、碱性废水。
电渗析法处理水时，仅酸洗时需要少量的酸。
因此电渗析法是耗用药剂少，环境污染小的一种除盐手段。
（3）对原水含盐量变化适应性强
电渗析除盐可按需要进行调节。
产水量可按需要从每日几m3至上万m3变化。
可根据设计一台电渗析器中的段数、级数或多台电渗析器的串联、并联或不同除盐方式（直流式、循环式或部分循环式）来适应。
（4）操作简单，易于实现机械化、自动化
电渗析器一般是控制在恒定直流电压下运行，不需要通过频繁地调节流速、电流及电压来适应水质、温度的变化。
因此，容易做到机械化、自动化操作。
（5）设备紧凑耐用．预处理简单
电渗析器是用塑料隔板、离子交换膜及电极组装而成，其抗化学污染和抗腐蚀性能均良好，隔板相膜多层更加在一起，运行时通电即可制得淡水，因此设备紧凑耐用。
由于电渗析中水流是在膜面平行流过，而不需透过膜，因此进水水质不像反渗透控制的那样严格，一般经砂滤即可，相对而言预处理比较简单。
（6）水的利用率较高
电渗析器运行时，浓水和极水可以循环使用，与反渗透相比，水的利用率较高，可达到70％～80％，国外可高达90％。
废弃的水量少，再利用和后处理都比较简单。
电渗析的缺点
电渗析只能除去水中的盐分．而对水中有机物不能去除，某些高价离子和有机物还会污染膜。
电渗析运行过程中易发生浓差极化而产生结垢（用频繁倒极电渗析可以避免），这些都是电渗析技术较难掌握而又必须重视的问题。
与反渗透相比，由于它的脱盐率较低，装置比较庞大且组装要求高，因此它的发展不如反渗透快。
二、电渗析器的结构及设备
电渗析器由交替排列的膜和隔板以及两端电极组装而成。
在电渗析器中，一张阴膜、淡水隔板、阳膜、浓水隔板组成一个膜对，若干膜对组合成膜堆；
一对电极之间的膜堆称为一级，淡水水流方向相同的膜堆称为段。
根据对水量和水质的要求，可采用一级一段、多级一段、一级多段和多级多段的不同组合方式。
电渗析器的主要部件和辅助设备
1.离子交换膜
离子交换膜，又称离子选择透过性膜。
它是由对离子具有选择透过性的高分子材料制成的薄膜。
按膜中的活性基团可分为：
阳离子交换膜（简称阳膜）：
强酸性磺酸型阳膜，活性基团为-SO3H或-SO3Na等，其反离子为H+或Na+等；
阴离子交换膜（简称阴膜）：
强碱性季铵型阴膜，活性基团为-N（CH3）3OH或-N（CH3）3Cl等，其反离子为OH-和Cl-等。
离子交换膜是一种高聚物电解质薄膜，当浸入电解质溶液后，其中的活性集团在溶剂的作用下发生离解：
产生的反离子进入水溶液，在膜上留下带有一定电荷的固定基团。
由于磺酸基团和季铵基团具有亲水性，使膜在水中溶胀，膜体结构变松，从而形成细微、弯曲和贯通膜两面的通道，使通道中留下带有一定电荷的固定基团而形成内电场。
在外电场作用下，由于内电场存在．离子交换膜只允许与其内电场电荷相反的离子通过，而与内电场电荷相同的离子不能通过。
离子交换膜的这种选择透过性，是电渗析除盐的基础。
（3）离子交换膜是电渗析器中的关键材料，故对离子交换膜的物理、化学和电化学性能有一定的要求：
①具有较高的选择透过性
溶液的浓度增高时，离子交换膜的选择透过性下降。
阳离子交换膜对阳离子的选择性迁移数应大于0.9，对阴离子迁移数应小于0.1。
②较好的化学稳定性
耐化学腐蚀、耐氧化、耐一定温度、耐辐射和抗水解的性能。
③离子的反扩散和渗水性较低
无论是同名离子迁移，还是浓差扩散及水的各种渗透过程，都不利于水的脱盐，或引起脱盐率下降。
④具有较高的机械强度
膜应光滑平整，无针孔，厚度均匀。
在受到一定压力或拉力时，不会发生变形裂纹，具有较高的机械强度和韧性。
⑤具有较低的膜电阻
膜的电阻应小于溶液的电阻，否则由膜本身所引起的电压降增大不利于最佳电流条件，使电渗析效率下降。
可通过减少膜的厚度，提高膜的交换容量和降低膜的交联度来降低膜电阻。
膜的原料丰富、价格低廉、工艺简单。
膜的处理中的注意事项：
组装前对膜的处理：
将膜放在操作溶液中浸泡24～48小时，使之与膜外溶液平衡，然后才裁减打孔。
膜的尺寸应比隔板周边小1mm，比隔板水孔大1mm。
停运后，应在电渗析器中充满溶液，防止膜发霉变质或干燥收缩变形甚至破裂。
2.隔板
它置于阳膜、阴膜之间，起着分隔和支撑阳膜、阴膜的作用，并形成水流通道，构成浓、淡水室。
隔板上有进出水孔、配水槽和集水槽、流水道。
隔板材料为聚氯乙烯、聚丙烯、合成橡胶等非导体材料，能耐酸碱腐蚀，尺寸稳定具有一定的弹性，以便于密封。
根据水流在隔板中的流动状况，分为有回路和无回路两类形式。
a.有回路隔板：
依靠弯曲而细长的通道，达到以较小流量提高平均流速的效果，并且在膜面引起搅动，产生紊流现象。
一般只有一个进水孔和一个出水孔。
水流从一个进水孔经配水槽进入隔板，在流水道中来回流动，从另一出水孔流出，因此又称为折流式隔板。
它多用于水量少而除盐要求较高的水处理中。
b.无回路隔板：
使液体沿整个膜面流动，利用不同形式的隔网使液流产生紊流。
水流是由一个或多个进水口经配布水槽直线地流过隔板，再由对应的出水口流山，又称直流式隔板。
它多用于水量大而除盐要求不高的水处理场合。
3.极区
向电渗析器输入直流电，并将浓淡水引入膜堆，以及送入和引出极水。
极区由电极、导水板和极水室组成。
①电极：
电极放在膜堆两端，连接直流电源后，阳极与阴极间产生的电位差成为电渗析的推动力。
电极材料有钛涂钌、石墨、不锈钢等。
[Cl-]＜100mg/L时用1Cr18Ni9Ti；
[Cl-]＞100mg/L时用钛涂钌电极或经过防腐处理过的细晶粒石墨电极。
电极应具备的条件：
化学和电化学稳定性好；
导电性好，电阻小；
机械性能好，便于加工和装卸；
价格便宜。
②导水板：
引入和导出浓、淡水，也可作引入和导出极水用。
③极水室：
由供极水流动的隔板构成，对极水室的要求是极水畅通，并能及时排去电极反应产生的气体和沉淀物，这也是电渗析过程进行的必要条件。
4.压紧装置
用来夹极室、保护室极膜堆的装置，其作用是使电渗析器在运行时，不致于产生水的内漏和外漏现象。
有钢板或槽钢组合板或铸铁压板两种。
钢板或槽钢组合板用螺杆锁紧；
铸铁压板也可用液压锁紧。
图4-4电渗析器的内部结构
5.电渗析器的辅助设备
（1）电渗析器的直流电源
采用无级调压硅整流器或可控硅整流器，直流输出应有正、负极开关，或自动倒电极装置。
整流器容量（输出电压和电流的额定值）是根据电渗析器所需操作参数选定，并要有一定裕度，一般直流输出电压和电流比正常工作时大两倍左右。
（2）酸洗系统、水箱、水泵
酸洗系统包括酸箱、循环泵和管道，均应耐腐蚀。
（3）监测仪表
应设置浓、谈、极水进出口的流量计和压力表；
电流、电压表及电导仪、pH计等。
有条件时，可安装在线检测仪器自动测量、记录和控制、报警等系统。
新型的频繁倒极电渗析器（EDR），对水流和电流都安装了控制和保护系统，可以定时自动倒换电极极性，同时相应地切换浓、淡水的阀门，并在发生故障时发出信号，将其停运。
三、电渗析法水处理除盐工艺系统
电渗析法水处理除盐工艺系统可以分两种：
1.电渗析器本体的工艺系统
选择经济合理的电渗析工艺系统（即除盐方式），是设计电渗析除盐水处理工艺的一个重要部分。
一般应根据原水水质、用水水量、用水水质要求等，通过技术经济比较后确定。
常用的除盐方式有直流式、循环式和部分循环式三种。
（1）直流式除盐：
原水流经一台或多台串联的电渗析器后，即能达到要求的水质。
适用于产水量和原水浓度恒定的条件。
该法的优点是可连续制水、管道简单；
缺点是定型设备的出水水质随原水含盐量而变。
（2）循环式除盐：
将原水在电渗析器和水箱中多次循环，以达到所需出水的水质。
优点是不论原水浓度如何变化，都可以将原水处理到要求的任一水平，且流速大，除盐速度快，电渗析器体积小。
其缺点是需设置循环水泵和水箱，只能间歇供水，电耗大。
适用于制水量小，原水含盐量高，出水水质要求高的小型装置。
（3）部分循环式除盐:
是直流式和循环式除盐相结合的一种方式。
在部分循环式除盐工艺系统中，电渗析器的出口淡水分成两路，一路连续出水供用户使用；
另一路返回电渗析器与水相中水相混，继续进行除盐。
其特点是用定型设备，可适应不同水质和水量的要求。
在原水含盐量变化时，可调节循环量去保持出水水质稳定，但系统较复杂，电耗大。
适用于大规模的水处理系统。
图4-5电渗析器的除盐方式
2.电渗析器与其他水处理设备的组合除盐系统
电渗析一般用于含盐量较高的苦咸水、高硬度水的部分除盐，以作深度除盐的顶处理。
由于电渗析法除盐有其适用范围，在应用中，应根据原水水质和除盐水水质要求，与离子交换水处理技术等相结合，使其在水处理工艺中各自发挥其优势，以达到合理的技术经济效果，并能稳定运行。
其常用的组合除盐水处理系统如下。
（1）预处理-电渗析-离子交换
这种将电渗析器和离子交换器组合使用的系统在国内外应用较早，也较广泛。
其组合原理是根据电渗析制水时，当其水的电阻率为20&
#215;
104&
#937;
#183;
cm以上时，电渗析器易极化而无法继续适应；
反之，离子交换却能适应处理低含盐量的水，可以制取高纯水。
所以在这种组合水处理系统中，电渗析作为离子交换水处理的前级处理，用以去除原水中的绝大部分（60％～90％）盐分，剩下的少部分盐份再由离子交换进一步去除，即可制取除盐水。
根据对除盐水用水的水质要求，离子交换可以是单床、复床、混合床或其他不同的组合形式。
这种系统特点是保证出水水质高，系统运行稳定，再生剂耗用少．对原水含盐量变化的适应性强，适用于苦咸水或沿海地区受海水倒灌影响的情况。
这种组合除盐水处理系统已广泛应用于电力、化工、轻工、电子等领域。
（2）预处理一离子交换一电渗析
这种组合除盐系统在电渗析器之前设置离子交换器（钠型离子交换器），其目的是去除原水中易结垢的硬度离子（钙、镁），防止在电渗析器内产生沉淀结垢，降低除盐率，而影响正常运行。
（3）预处理一离子交换（软化）一电渗析一离子交换（软化）
这种组合系统中，在电渗析前后均有离子交换软化处理，这是因为预软化可以防止电渗析器中的结垢、堵塞，提高电渗析的除盐效率；
电渗析后的离子交换软化处理，可进一步降低水中的硬度和相对碱度，以保证中、低压锅炉给水的水质。
电渗析在水处理方面的应用
苦咸水及海水淡化、海水浓缩制盐、纯水的制备、工业废水的处理（A.电镀废水；
B.造纸工业废水；
C.重金属废水）、放射性废水、离子隔膜电解、在其它方面
四、电渗析器的运行
1.电渗析器运行的工艺参数运行工艺参数
符号
单位
物理意义
计算公式淡水产量
Q淡水
m3/h
单位时间的淡水产量
除盐量
#949;
%
原水与淡水含盐量之差占原水含盐量的百分率
Cj&
Cp）/Cj原水利用率
#951;
水
淡水产量占原水总用量的百分率
Q淡水/Q原水操作电流
I
A
电渗析器的工作电流
操作电压
V
供给电渗析器的直流电压
水流压降
#916;
p
Mpa
电渗析器进出口水流压力差
电流效率
通入电渗析器电流在脱盐过程中得到有效利用的百分率
26.8Q淡水（Cj-Cc）/（nI）电耗
W
kW&
h/m3
单位淡水产量的耗电量
VI*10-3/（Q淡水&
）浓缩倍数
K
--
浓水与原淡水含盐量之比
（q+Q&
）/q
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