膜分離

膜分離法的原理及分類(lèi)

⑴膜：能夠把流體相分隔為互不相通的兩部分，這兩部分之間能存在“傳質(zhì)”的薄的物質(zhì)。

⑵膜的特征：一是無(wú)論厚度多少都必須有兩個(gè)界面，兩個(gè)界面分別與兩側(cè)流體相接觸，二是要具有選擇透過(guò)性，可允許一側(cè)流體中一種或幾種物質(zhì)通過(guò)，而不允許其他物質(zhì)通過(guò)。

⑶膜分離：利用膜的選擇透過(guò)性能將離子或分子或某些微粒從水中分離出來(lái)的過(guò)程。用膜分離溶液時(shí)，使溶質(zhì)通過(guò)膜的方法稱(chēng)為滲析，使溶劑通過(guò)膜的方法稱(chēng)為滲透。

⑷根據(jù)溶質(zhì)或溶劑透過(guò)膜的推動(dòng)力和膜種類(lèi)不同，水處理中膜分離法通常可以分為：電滲析、反滲透、超濾、微濾。

電滲析

⑴原理

在外加直流電場(chǎng)作用下，利用離子交換膜的透過(guò)性(即陽(yáng)膜只允許陽(yáng)離子透過(guò)，陰膜只允許陰離子透過(guò))，使水中的陰、陽(yáng)離子作定向遷移，從而達(dá)到水中的離子與水分離的一種物理化學(xué)過(guò)程。

原理是：在陰極與陽(yáng)極之間，放置著若干交替排列的陽(yáng)膜與陰膜，讓水通過(guò)兩膜及兩膜與兩極之間所形成的隔室，在兩端電極接通直通電源后，水中陰、陽(yáng)離子分別向陽(yáng)極、陰極方向遷移，由于陽(yáng)膜、陰膜的選擇透過(guò)性，就形成了交替排列的離子濃度減少的淡室和離子濃度增加的濃室。與此同時(shí)，在兩電極上也發(fā)生著氧化還原反應(yīng)，即電極反應(yīng)，其結(jié)果是使陰極室因溶液呈堿性而結(jié)垢，陽(yáng)極室因溶液呈酸性而腐蝕。因此，在電滲析過(guò)程中，電能的消耗主要用來(lái)克服電流通過(guò)溶液、膜時(shí)所受到的阻力及電極反應(yīng)。

例如，用電滲析方法處理含鎳廢水，在直流電場(chǎng)作用下，廢水中的硫酸根離子向正極遷移，由于離子交換膜具有選擇透過(guò)性，淡水室的硫酸根離子透過(guò)陰膜進(jìn)入濃水室，但濃水室內(nèi)的硫酸根離子不能透過(guò)陽(yáng)膜而留在濃水室內(nèi);鎳離子向負(fù)極遷移，并通過(guò)陽(yáng)膜進(jìn)入濃水室，濃水室內(nèi)的鎳離子不能透過(guò)陰膜而留在濃水室中。這樣濃水室因硫酸根離子、鎳離子不斷進(jìn)入而使這兩種離子的濃度不斷增高;淡水室由于這兩種離子不斷向外遷移，濃度降低。離子遷移的結(jié)果是把電滲析器的兩個(gè)電極之間隔室變成了溶液濃度不同的濃室和淡室。濃水系統(tǒng)是一個(gè)溶液濃縮系統(tǒng)，而淡水系統(tǒng)是一個(gè)凈化系統(tǒng)。用電滲析法回收鎳時(shí)，以硫酸鈉溶液作為電極液，硫酸鈉可減輕鉛電極的腐蝕，濃水回用于鍍槽，淡水用于清洗鍍件。

⑵離子交換膜和電滲析裝置

①離子交換膜

(是電滲析的關(guān)鍵部件，其性能影響電滲析器的離子遷移效率、能耗、抗污染能力和使用期限等。)

②電滲析離子交換膜的分類(lèi)：

按膜結(jié)構(gòu)分為：異相膜、均相膜和半均相膜。

按膜上活性基團(tuán)不同分為：陽(yáng)膜、陰膜和特種膜。

按膜材料不同分為：有機(jī)膜和無(wú)機(jī)膜。

③電滲析裝置

電滲析器的構(gòu)造包括壓板、電極托板、電極、極框、陰膜、濃水隔板、淡水隔板等部件。將這些部件按一定順序組裝并壓緊，組成一定形式的電滲析器。電滲析器的輔助設(shè)備還包括水泵、整流器等，組成了電滲析裝置。

⑶電滲析器運(yùn)行的工藝參數(shù)

①電流效率

電滲析析器運(yùn)行時(shí)實(shí)際除鹽量與理論除鹽量之比稱(chēng)為電滲析器的電流效率。

②電流密度與極化現(xiàn)象

電滲析器工作時(shí)，單位膜面積上通過(guò)的電流稱(chēng)為電流密度。運(yùn)行時(shí)，當(dāng)電流密度達(dá)到一定值時(shí)，界面層離子的遷移速度遠(yuǎn)低于膜內(nèi)離子遷移速度，迫使膜界面處水分子發(fā)生電離，依靠氫離子和氫氧根離子來(lái)傳遞電流，這種膜界面現(xiàn)象稱(chēng)為濃差極化，此時(shí)的電流密度稱(chēng)為極限電流密度。

極化包括濃差極化和電極極化。極化發(fā)生后在陽(yáng)膜淡室的一側(cè)富集著過(guò)量的氫氧根離子，陽(yáng)膜濃室的一側(cè)富集著過(guò)量的氫離子;而在陰膜淡室的一側(cè)富集著過(guò)量的氫離子，陰膜濃室的一側(cè)富集著過(guò)量的氫氧根離子。由于濃室中離子濃度高，則在濃室陰膜的一側(cè)發(fā)生碳酸鈣等沉淀，從而增加膜電阻，加大電能消耗，減小膜的有效面積，降低出水水質(zhì)，影響正常運(yùn)行。

⑷處理廢水的電滲析器的特點(diǎn)

目前電滲析在海水或苦咸水淡化和某些工業(yè)用水的精制等應(yīng)用中都已有大型裝置投入生產(chǎn)性運(yùn)行，而在廢水處理中的應(yīng)用還相對(duì)較少，應(yīng)注意以下三點(diǎn)：

①在給水處理中應(yīng)用的電滲析器，只回收淡水和只關(guān)注淡水水質(zhì)，水的回收率一般為50%～70%;而應(yīng)用電滲析處理廢水時(shí)，有時(shí)淡水和濃水均可回收利用，水的回收率高，有時(shí)濃水的利用價(jià)值高于淡水。

②在給水處理中應(yīng)用的電滲析器只含有陽(yáng)膜和陰膜，并以膜對(duì)的形式存在，而在廢水處理中，電滲透析器用膜的種類(lèi)較多，有陽(yáng)膜、陽(yáng)膜、中性膜和復(fù)合膜等，根據(jù)處理對(duì)象組成和處理目的的不同而有不同的膜組合形式。

③在給水處理中，關(guān)注電滲析電極反應(yīng)多半是為了防止電極反應(yīng)的負(fù)面影響，而在廢水處理中，有時(shí)是利用電極反應(yīng)來(lái)達(dá)到處理廢水和回收有用物質(zhì)的目的。

⑸電滲析在廢水處理中的應(yīng)用

電鍍廢水中含有銅、鋅、鎳等重金屬和氰化物，未經(jīng)處理而直接排放，會(huì)污染環(huán)境，目前已經(jīng)許多電鍍車(chē)間應(yīng)用電滲析處理電鍍廢水取得了較好的效果，既回收了重金屬，又使水的重復(fù)利用率有較大的提高。

⑹電滲析器工藝設(shè)計(jì)

目前，電滲析器有系列產(chǎn)品規(guī)格，可根據(jù)淡水產(chǎn)量與處理要求確定合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，選用所需電滲析器的臺(tái)數(shù)以及并聯(lián)或串聯(lián)的組裝方式。

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