透析、电渗析与膜电解.ppt

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1、第4章 透析、电渗析与膜电解,4.1 透析（Dialysis）,4.2 电渗析（Electrodialysis）,4.3 双极膜水解离（EDBM）,4.4 膜电解（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,2,4.1 透析（Dialysis）,人工肾,类型,荷电膜,非荷电膜,材料,疏水,亲水,聚丙烯腈,聚酰胺,聚甲基丙烯酸甲酯,纤维素,聚乙烯醇,膜,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,3,均相对称,均相非对称,膜结构,医用膜有关领域的关键点,聚合物科学,纤维研究,聚合物,膜技术,膜,器械工艺,透析器,性能检测,治疗方法,临床经验,患者,材料成分

2、,处理方法,设备装置,生物监测,医护方案,4.1 透析（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,4,透析过程机理,透析膜两侧物质的浓度平衡,透析是溶质依靠其在膜两侧液体中的浓度差与膜的孔径大小，从膜的进料侧通过透析膜流向透析液侧的过程。,4.1 透析（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,5,透析过程的通量模型,溶质通量,溶剂通量,溶质直径比膜孔小得多时，,q0,K1=1,4.1 透析（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,6,铜仿渗析膜装置（PT-150）通用的常数值,溶 质,尿素肌氨酸

3、酐尿酸稀盐酸蔗糖蜜三糖维生素B12,MW,60113168953425041355,Pm103/(m/h),3.181.31.140.9320.5260.3670.166,0.00.0-0.1570.2410.387,Rm/(min/cm),18.9(13.1)35.8(22.8)52.6(30.7)64.4(34.7)114.0164.0362.0,DW/(m/cm),(1400)(830)(630)(750),4.1 透析（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,7,典型透析膜标准扩散系数Dm/DW与溶质分子量的关系,低分子量侧，膜对溶质的扩散系数影响明显

4、。,随分子量，膜对溶质分子阻力趋于极限。,4.1 透析（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,8,透析液的种类及其组成,透析液应具备的基本条件：,能充分清除体内代谢产物,能维持体内电解质和酸碱平衡,透析液与血液的渗透压基本相近,容易制备保存，对机体无害,透析液,醋酸盐型、无钾型、无糖型,高钠或低钠型、碳酸氢盐型,4.1 透析（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,9,透析液中有关离子的浓度范围,4.1 透析（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,10,透析过程的种类及其清除率,血液透析,

5、血液透析（Hemodialyse,HD）,血液滤过（Hemofiltration,HF）,血液洗滤(血液渗析过滤)（Hemodiafiltration,HFD）,血液透析（HD）,血液滤过（HF）,4.1 透析（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,11,血液洗滤（HFD）,对于中空纤维膜透析器，通常血液在中空纤维内流动，而透析液同时在膜的外侧流动。,4.1 透析（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,12,流动形式,并流,逆流,错流,Nicholas计算表明：,浓度差或脱除率：逆流错流并流,4.1 透析（Dialysis

6、）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,13,HF-血液滤过；HD-血液透析；HDF-血液透析过滤,4.1 透析（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,14,血液透析（HD）,溶质清除率,相对分子质量11002000,小分子毒物,血液透析疗法是利用膜的分隔作用，借助膜两侧的溶质浓度差及渗透压差的作用，使血液中的小分子代谢废物扩散通过膜进入透析液，透析液中的某些组分则通过扩散进入血液，使血液达到需要的离子平衡。,4.1 透析（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,15,血液滤过（HF）,血液滤过是以液体静压

7、差为推动力，使血液中要清除的毒素成分随水透过膜离开血液而去除。,溶质清除率,滤过滤膜孔径比透析膜大得多。,滤过膜水渗透率比透析膜大2040倍。,小分子量肌酐、中等分子量代谢废物、VB12,4.1 透析（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,16,血液洗滤（HFD）,血液洗滤是血液透析和血液滤过相结合的过程，采用密闭性较好的透析液作为置换液补充到血液中，以此来自动保持过滤和置换的平衡。,溶质清除率,大分子量毒物,4.1 透析（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,17,清除率（ml/min）,大分子,三种透析过程的清除率比较

8、,血液滤过,4.1 透析（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,18,吸附-透析型膜组件，将过滤型或透析型膜组件分别与吸附剂相结合，可直接用于分子量稍大、且不易透析的血液内代谢废物在短时间内快速除去。,4.1 透析（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,19,不同透析液流量比对清除率的影响,相对清除率x,4.1 透析（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,20,典型板框透析器的重复单元1,3进料框和隔板；2,4膜,应用,4.1 透析（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透

9、、纳滤、超滤与微滤,21,血液透析（HD）示意图1-压力调节；2-热交换器；3-恒量器；4-加热器；5-除泡泵；6-除气槽；7-粘液泵；8-浓度检测；9-循环泵；10-透析器；11-血泵；12-动脉夹；13-静脉夹；14-气泡检测,4.1 透析（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,22,各种血浆分离过程示意图1-血泵；压力调节；2-血浆滤器；3-血浆泵；4,8-血浆成分分离器；5-加湿器；6-细胞分离器；7-血液灌流器；9-血浆免疫吸附器；10-血浆吸附器,4.1 透析（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,23,4.2

10、 电渗析（Electrodialysis）,其中经历了三大革新,具有选择性离子交换膜的应用,设计出多隔室电渗析组件,采用频繁倒极的操作模式,电渗析器,工艺简单,操作方便,脱盐率高,耗电量少,制水成本低,不污染环境,设备占地面积小,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,24,离子交换膜,膜的主体,固定部分,活动部分,高分子骨架部分,离子交换基团(固定电荷基团),反离子(对立离子),唐纳渗透离子(同名离子),溶剂(如水),增强材料,电渗析膜,无机,有机,玻璃纤维布,涤纶、锦纶氯纶、丙纶,网材,衬底,聚烯烃及其衍生物,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/2

11、9,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,25,主体组分,树脂相,粘结剂、增塑剂、着色剂防老剂、抗氧化剂、脱膜剂,均相膜,异相膜,各成分以分子状态(至少在亚微观状态)均匀的分布,不存在相界面,通过粘结剂把粉状树脂制成片状膜,粉状树脂颗粒与粘结剂等其他组分之间存在相界面,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,26,离子交换膜制备,制备过程,成膜,引进交联结构,导入活性离子交换基团,制膜途径,先成膜后导入活性基团,先导入活性基团后成膜,成膜与导入活性交换基团同时进行,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,

12、第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,27,制造工艺,热压法,涂浆法,浸渍法,流涎法,含浸法,辐照接枝法,交聚法,切削法,浇注法,直接处理法,喷涂法,离子移变凝胶法,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,28,异相离子交换膜,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,29,型号组成中有关代号意义,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,30,离子交换膜的主要技术指标,4.2 电渗析（Electrodialys

13、is）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,31,磺酸型阳膜的孔隙结构示意图,静电作用：优先吸附高电荷密度反离子,位阻作用：优先通过小体型离子,某些阳离子的选择性：,某些阴离子的选择性：,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,32,反渗透,电渗析,电渗析：在直流电场的作用下，溶液中的荷电离子选择性地定向迁移透过离子交换膜并得以去除的一种膜分离技术。,原理,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,33,直流电源,电渗析过程原理A-阴离子交换膜；p-稀

14、薄食盐水；C-阳离子交换膜；b-浓缩食盐水；f-原液,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,34,电渗析脱除溶液中离子的基本条件,直流电场的作用,离子交换膜的选择透过性,使溶液中的荷电离子在膜上实现反离子迁移,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,35,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,36,由阳离子交换膜组成的电渗析器。,硬水的软化,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/

15、9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,37,柠檬汁减酸,由阴离子交换膜组成的电渗析器。,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,38,氨基酸电渗析过程,合理调节电渗析过程各室的pH值，并维持在稳态条件下，则可将带有不同等电点的混合氨基酸分离。,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,39,装置设计与系统应用灵活，操作维修方便,装置使用寿命长,原水回收率高,工艺过程洁净,能量消耗少，经济效益显著,特点,4.2 电渗析（Electrodialysis）,与离子交换相

16、比：,无大量废酸、废碱液的排放问题,与反渗透相比：,无高压泵的强烈噪声,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,40,电渗析的基本理论,（1）Sollner双电层理论,膜-溶液界面离子分布及其相应化学电位与距离的关系,1949年，Sollner提出了用于解释离子交换膜 的双电层理论。,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,41,电渗析的规律,异性电荷相吸。,膜中固定离子越多，吸引力越强，选择性越好。,在电场力作用下，溶液中的阳离子作定向连续迁移通过带负电的阳离子交换膜。,4.2 电渗析（Electrodialysi

17、s）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,42,（2）Gibbs-Donnan膜平衡理论,起初用于膜两侧大分子渗透平衡，以及离子交换树脂与电解质溶液间的平衡。,后来也能很好地解释膜与电解质溶液间的离子平衡。,当离子交换膜浸入氯化钠水溶液时，溶液中离子和膜内离子发生交换作用，最后达到平衡，构成膜内外离子平衡体系。,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,43,阳离子交换膜与水溶液中氯、钠离子的Donnan平衡,可透过离子在膜两边不是平均分布。,两个假定,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9

18、/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,44,两个假定,膜内外离子的化学位相等,膜内外各种离子总浓度满足电中性,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,45,结论,膜上,膜上,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,46,电渗析过程中发生的各种传递现象,NaCl水溶液,反离子迁移,同名离子迁移,电解质渗析,水的渗透,压差渗漏,水的分解,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,47,4.2.6 电渗析器工

19、艺计算,（1）水流线速度,淡水隔室流量,水流线速度：单位时间内通过电渗析器淡水隔室单位横截面积上水的流量。,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,48,（2）水流压降,单位电渗析的水流压降即为水流阻力损失，主要由脱盐流道压降、内配水管和外配水管的压力损失及各部位局部阻力损失所组成。,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,49,隔板结构,经验系数,厚度/cm,隔网形式,22.22.5,鱼鳞网无网细网,A,b,0.25600.15970.6934,1.91.21.3,

20、某些类型隔板的经验系数,DSA-11/200型电渗析器，环形配水组装，单台水流压降：,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,50,（3）极限电流与操作电流密度,极限电流是指电渗析发生极化时的临界电流。,极限电流密度是指通过单位面积离子交换膜的电流。,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,51,（4）电流效率,电流效率：为单位时间内实际脱盐率与理论脱盐率的百分比。,表示电渗析过程中电流利用程度。,苦咸水脱盐,海水脱盐,4.2 电渗析（Electrodialysis）

21、,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,52,（5）出口浓度,极限电流,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,53,（6）脱盐率,脱盐率：电渗析器除掉的盐量与给水含盐量的百分比。,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,54,（7）脱盐能耗,脱盐能耗：单位物质的量电解质所需的脱盐能耗或单位体积产水量所需的直流电能耗计算。,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,55,（8）膜对电压,一个

22、膜对,一张阳膜,一张阴膜,浓、淡水隔板,膜对电压：在电渗析器运行过程中，电流通过该膜对的压降。,整流器设计选型依据,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,56,膜堆电压：加在膜堆两端的电压，由N对单位膜对电压构成。,总电压：膜堆电压与极区电压之和。,极区电压,引出线与电极之间的接触电位,电极本身的电压降,电极与电极水之间的电极电位,极水与极膜的电阻形成的电压降,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,57,（9）膜对电阻,低浓度,32，DSA II-1型，碳酸氢盐水

23、溶液,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,58,（10）水泵功率,1.11.2,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,59,电渗析器及其脱盐流程设计,（1）电渗析器及其脱盐流程,电渗析器,立式,卧式,隔板,网式,冲格式,0.51.5mm,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,60,300 1600400 1600400 1200400 800,隔板外形尺寸(宽长)/mm,代号,电渗析型号,A,BC

24、,0.9mm无回路式0.5mm无回路式1.0mm冲格式,型号组成中有关代号意义,代号,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,61,脱盐、脱酸的主要场所,电渗析装置,膜堆,极区,夹紧装置,交替排列,主要指电极,不致产生内渗外漏,阴、阳离子交换膜,供给直流电通入极水引出极水排出电极产物,浓、淡室隔板,实现反离子迁移,？阴、阳离子交换膜交替排列,不溶性电极材料,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,62,电渗析膜对结构,膜对,一块浓(淡)水室隔板,一张阳离子交换膜,一块

25、淡(浓)水室隔板,一张阴离子交换膜,一系列的膜对组装在一起，称为膜堆。,用夹紧装置将膜堆、电极等部件组装成一个电渗析器，称之为台。,一台电渗析器内的电极对数就是它的级数。,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,63,一台电渗析器中浓、淡水隔板水流方向一致的膜堆称为一段。,水流方向每改变一次，段数就增加一段。,段与段的串联,级与级的串联,台与台的串联,系列,串联,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,64,4.2 电渗析（Electrodialysis）,一级一段,

26、并联,串联,段与段间的组装,一级二段或一级多段,二级二段或二级多段,二级一段,产水量与膜对数成正比,脱盐率取决于一块隔板的流程长度,直流型隔板大、中型,操作电压成倍降低,减少整流器输出电压,脱盐率高,单台，一次脱盐,产水量少,一次脱盐过程,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,65,一级一段,二级一段,一级二段,二级二段,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,66,电渗析的脱盐流程,一次连续式脱盐,循环间歇式脱盐,部分循环式脱盐,一次通过连续脱盐,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/2

27、9,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,67,部分循环式脱盐流程,4.2 电渗析（Electrodialysis）,间歇（循环）式,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,68,（2）脱盐级数的确定,多级连续式脱盐,多级部分循环连续式脱盐,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,69,工艺流程,（3）实际操作电流密度的确定,单台一级多段或多级多段连续式流程,一般采用一台整流器供电。,调节各段组装的膜对数来改变各段中的流速，使组装膜对数和操作电流密度最佳化。,多级多段连续式流程，在等流速下或等压下进行操作。,4.2 电渗

28、析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,70,等流速下，各级装置的极限电流密度与该脱盐淡水室中进出口对数平均浓度的比值为常数。,若进出口浓度确定，则第n级电流密度,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,71,部分循环式流程,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,72,循环式流程,运行电压：按该批量循环终止时操作电流所对应的电压。,UP,U,Rp,欧姆定律,ib,ie,等压操作,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、

29、纳滤、超滤与微滤,73,cmb,cme,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,74,（4）膜对数（面积）计算,连续式流程,恒定电流效率,等流速,总膜对数N,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,75,部分循环连续式流程,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,76,间歇循环式流程,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,77,电渗析中的浓

30、差极化现象,电渗析极化现象：当恒定的工作电流通过离子耗竭溶液层时会引起非常大的电压降，并迫使其溶液中的水分子解离，产生H+和OH-来弥补及传递电流的现象。,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,78,电渗析过程中的浓差极化,电耗上升。,水流阻力增加，影响出水水质、水量和电渗析器的正常安全运行。,膜电阻增大，缩短膜的使用寿命。,危害,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,79,严格控制操作电流，使整个电渗析过程均控制在低于极限电流下运行。,对电渗析装置的极限电流，逐

31、级逐段地进行实测或推算，并逐级相应地调整操作电压或操作电流。,7090%极限电流,措施,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,80,采取有效易行的方法强化传质过程，提高装置的极限电流密度。,提高温度，增加水中离子浓度，加快流速，导入气泡进行搅拌，改善水质预处理方法，适当减薄隔板厚度，选择良好的布水槽和填充网。,4.2 电渗析（Electrodialysis）,采用定期酸洗，解体清洗，加入防垢剂和倒换电级操作等措施来消除极化沉淀。,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,81,无极水电渗析技术,无隔板电渗析器,卷式电

32、渗析器,填充床电渗析技术,电渗析装置的改进,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,82,倒极电渗析的设计,倒极电渗析工艺流程,倒极电渗析（Electrodialyais Reversal）：在操作运行过程中，可实现每隔一定时间倒换一次电极极性的电渗析装置。,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,83,电渗析内浓、淡水系统的流向改变,电渗析内浓、淡水室互换,消除膜面沉淀物累积，克服膜堆沉淀,28小时倒换一次电极极性,运行周期增长,特征,美国Ionics公司开发出的1

33、5-30min自动倒换电极极性并同时自动改变浓、淡水水流流向的电渗析的EDR装置及其工艺，被称为频繁倒极电渗析，以示与我国EDR的区别。,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,84,计算脱盐率f,设计步骤及参数选择程序,原水水质,选定浓缩倍数B,B,水利用率,电渗析器结构形式,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,85,DSA-型、DSA-型电渗析器的浓缩倍数与水利用率的关系,B较小,B，m,B较大,B，m,4.2 电渗析（Electrodialysis）,202

34、3/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,86,计算循环浓水（浓水池）的质量浓度cn,计算换向影响系数T,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,87,DSA-型、DSA-型电渗析器,0.31,DSA-型,DSA-型,多台电渗析并联时，按外管路长度最长的一台计算。,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,88,计算电渗析淡室进水总量Qd,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,89,根据Qd及f，按

35、常规方法确定电渗析器规格型号及台数N。,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,90,计算水利用率m,计算值与要求相差较大时，调整B,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,91,浓水池补水量QB,浓水排放量Qp,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,92,浓水池容积Vn,11极水有关参数确定,保持浓水水位及浓度的动态平衡,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反

36、渗透、纳滤、超滤与微滤,93,离子交换树脂填充式电渗析,填充床电渗析，又称为电去离子(Electrodeio-nization，简称EDI)或连续去离子(Continous deio-nization，简称CDI)净水技术，是将离子交换与电渗析膜分离技术有机地结合起来的一种新型水处理方法，它利用电渗析过程中极化现象对离子交换填充床进行电化学再生。,4.2 电渗析（Electrodialysis）,深度脱盐,树脂失效后需再生,水解离,浓差极化脱盐不彻底,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,94,三种水处理工艺的比较,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9

37、/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,95,离子交换树脂用量少，无离子交换混床及再生装置，连续深度脱盐；,清洁生产；,工艺过程易实现自动控制，产水水质稳定，且产水水质高；,可脱除弱解离物质；,装置占地空间小，操作安全性高、运行费用低。,特点,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,96,填充式电渗析内膜与混合离子交换树脂的组合结构,电渗析,离子交换,树脂再生,过程,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,97,一般，EDI对进水水质有要求。,若以自来水为进水，则需

38、加反渗透预处理。,美国Ionpure Technologies公司的EDI装置进水水质要求,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,98,EDI进水指标,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,99,目前商品化的EDI系统装置可直接生产516Mcm的高纯水，耗电约0.3kWh/m2。,膜堆,微型,小型,大型,0.1 m3/h,0.12 m3/h,2 m3/h,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,100

39、,注意,合理配置阴、阳导电材料交换容量。,选用选择透过性高、浓差扩散系数低的离子交换膜。,装置的密封性要好。,严防浓水和淡水在膜堆中互漏。,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,101,四种水淡化方法的成本与料液浓度的关系,4.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,102,电厂化学水处理,电子、半导体、精密机械行业超纯水,制药工业工艺用水,食品、饮料、饮用水的制备,海水、苦咸水的淡化,小型纯水站，团体饮用纯水,精细化工、精尖学科用水,其他行业所需的高纯水制备,应用,4

40、.2 电渗析（Electrodialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,103,4.3 双极膜水解离（EDBM）,双极膜是具有两种相反电荷的离子交换层紧密相邻或结合而成的新型离子交换膜。,在直流电场作用下，通过双极膜可将水离解，在膜两侧分别得到H+和OH-。,适合于从强酸弱碱盐生产强酸和碱盐混合液。,也可用于强碱盐。,基本知识,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,104,过程简单,效率高,废物排放少,体积小、器械紧凑,特点,4.3 双极膜水解离（EDBM）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,105,双极膜结构示意,双极膜的特性

41、,双极膜,阳离子交换层,中间界面层,阴离子交换层,磺化PEK，过渡金属和重金属化合物聚乙烯基吡啶、聚丙烯酸、磷酸锆、季胺类化合物,4.3 双极膜水解离（EDBM）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,106,膜面电阻小于5cm2，界面电阻与界面层厚度及其水解离率相关。,能耐1001000mA/cm2的电流密度。,双极膜几种常见构型,阳膜层(N)和阴膜层(P),4.3 双极膜水解离（EDBM）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,107,双极膜的水解离理论电位和能耗,磺酸型阳离子膜,双极膜,铵盐型阴离子膜,其水的电解离机理基于膜上荷电基团的可逆质子传递反应,4

42、.3 双极膜水解离（EDBM）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,108,普通水的电解离反应,电极通电,双极膜水解离时：,4.3 双极膜水解离（EDBM）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,109,假定：在双极膜中间的界面层存在的水解离平衡为,双极膜的理论电位由水解离过程中的自由能的变化来求得。,双极膜界面层,（25）,膜外界相应离子活度,4.3 双极膜水解离（EDBM）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,110,则生成1mol的理想溶液，H+、OH-从界面迁移到外表面的自由能变化为,活度系数=1，25，pH=14,U=0.828V,

43、4.3 双极膜水解离（EDBM）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,111,按双极膜水解离的理论电位（0.828V，25）计算；生产1t NaOH的理论能耗为560kWh。,实际双极膜水电渗离解的电压在1.0V左右：生产1t NaOH的实际能耗在 10002000kWh之间。,采用电解法则需2.1V；能耗为 22003000kWh。,4.3 双极膜水解离（EDBM）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,112,双极膜电渗析的水解离原理,双极膜电渗析系统,双极膜,阴离子交换膜,阳离子交换膜,双极膜电渗析利用水直接离解产生H+和OH-，将水溶液中的盐转化生成相

44、应的酸和碱，或将废酸、废碱回收利用。,4.3 双极膜水解离（EDBM）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,113,双极膜电渗析脱硫机理,4.3 双极膜水解离（EDBM）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,114,双极膜过程电渗析参数,（1）进料的种类、浓度及变化,多为碱金属和铵的无机和有机盐类,0.010.1 mol/L,易引起膜污垢的金属离子和高分子量的有机物（Ca2+，Mg2+，Fe3+）,210-6 mol/L,进料需预处理,5m孔径的微滤膜,4.3 双极膜水解离（EDBM）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,115,（2）进料

45、流速,双极膜组件隔板的间隙、构型和压差，以及电压与电流密度等条件。,510 cm/s,保证迁移过膜界面的各种离子能迅速进入本体中。,4.3 双极膜水解离（EDBM）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,116,（3）电压、电流密度及其变化,膜堆电压,电流密度,膜堆电压1.52.5V,三隔室,电流密度50500mA,4.3 双极膜水解离（EDBM）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,117,（4）过程能耗,4.3 双极膜水解离（EDBM）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,118,（5）过程放热,由于电阻等存在，不离解的水则转化为热能。,

46、4.3 双极膜水解离（EDBM）,（6）所需膜面积,所选用的膜，其材质、孔径、面积，与操作费用、总投资密切相关。,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,119,双极膜的组装工艺及应用,（1）制备有机酸,传统的Vc生产工艺,离子交换树脂化法,硫酸酸化沉淀法,用酸再生，设备庞大，操作复杂，消耗大,过程复杂，消耗高,大量废液,4.3 双极膜水解离（EDBM）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,120,双极膜电渗析工艺,(+),(-),VcNa,Vc,NaOH,2040%,1 mol/L,VcNa制备Vc的双极膜电渗析工艺示意,pH=1.702.35,4.3 双极膜

47、水解离（EDBM）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,121,Soxal双极膜气体脱硫工艺,（2）酸性气体的清除与回收,4.3 双极膜水解离（EDBM）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,122,（3）酸废液的回收,处理量6000m3HF和HNO3混合液的双极膜水洗工艺流程,4.3 双极膜水解离（EDBM）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,123,4.3 双极膜水解离（EDBM）,（4）盐转化为碱,双极膜电解Na2SO4溶液生产NaOH溶液,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,124,4.4 膜电解（Dialysi

48、s）,国内市场份额,离子膜法烧碱生产技术，已推广至40多个国家的300多家工厂。,能耗低,无污染,产品纯度高,操作运转方便,投资少,离子膜电解制碱特点,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,125,离子膜电解：利用阳离子交换膜将电解槽的阳极和阴极隔离开，进行食盐水溶液电解制造氯气和烧碱，或其他无机盐电解还原的一种膜技术。,3035%,基本知识,4.4 膜电解（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,126,离子电解膜,氯碱工业制备氢氧化钠,全氟离子磺酸膜 Rf-SO3H,全氟离子羧酸膜 Rf-COOH,全氟磺酸全氟羧酸复合膜 Rf-COOH/R

49、f-SO3H,4.4 膜电解（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,127,4.4 膜电解（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,128,不同交换基团的离子电解膜的特性比较,4.4 膜电解（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,129,4.4 膜电解（Dialysis）,2023/9/29,第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,130,4.4 膜电解（Dialysis）,聚合物分子量对膜含水率的影响（35%NaOH，90）,外碱液浓度对膜含水率的影响（90）,交换容量,2023/9/29,第

50、2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤,131,Du Pont公司的Nafion膜,日本旭硝子公司的Flemion 膜,日本旭化成公司的Aciplex膜,Nafion 400系列膜，生产碱浓度15%,Nafion 90系列膜，磺酸/羧酸增强复合膜,Flemion 700系列膜，全氟羧酸阳离子交换复合膜,Flemion 800系列膜，全氟羧酸全氟磺酸复合膜,Aciplex F-200系列膜，生产2124%的NaOH,Aciplex F-400系列膜，生产3040%的NaOH,Aciplex F-500/600，生产4050%的NaOH,国内采用的电解膜,4.4 膜电解（Dialysis）,2023/9/