全膜法水处理技术Word格式.docx

1、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）渗析的应用血液透析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+、S

2、O42-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、

3、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

4、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

5、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：– 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

6、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 → Cl2↑ 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

7、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

8、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。（

9、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7080，国外可高达90

10、。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、

11、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

12、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： 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。 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

13、能。 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。 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。 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2448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

14、，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

15、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。 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- 100 mg/L时用钛涂钌电极或经过防腐处理过的细晶粒

16、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。导水板：引入和导出浓、淡水，也可作引入和导出极水用。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

17、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

18、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

19、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

20、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20×104 Ω#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（

21、6090）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

22、） 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IA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;pMpa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WkW&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