离子交换膜与电渗析

第七章 离子交换膜与电渗析

电渗析的研究始于上世纪初的德国。1952年美国Ionics公司制成了世界上第一台电渗析装置，用于苦咸水淡化。至今苦咸水淡化仍是电渗析最主要的应用领域。在锅炉进水的制备、电镀工业废水的处理、乳清脱盐和果汁脱酸等领域，电渗析都达到了工业规模。另外，在上世纪50年代末，由日本开发的海水浓缩制食盐的应用，虽仅限于日本和科威特等国，但也是电渗析的一大市场。目前，电渗析以其能量消耗低，装置设计与系统应用灵活，操作维修方便，工艺过程洁净、无污染，原水回收率高，装置使用寿命长等明显优势而被越来越广泛地用于食品、医药、化工、工业及城市废水处理等领域。我国的电渗析技术的研究始于1958年。1965年在成昆铁路上安装了第一台电渗析法苦咸水淡化装置。1981年我国在西沙永兴岛建成日产200吨饮用水的电渗析海水淡化装置。几十年来，在离子交换膜、隔板、电极等主要部件方面不断创新，电渗析装置不断向定型化、标准化方向发展。

第一节、电渗析基本原理

一、电渗析的工作原理

电渗析是在直流电场作用下，溶液中的带电离子选择性地通过 离子交换膜的过程。主要用于溶液中电解质的分离。图7-1是电渗析工作原理示意图。

流程说明：在淡化室中通入含盐水，接上电源，溶液中带正电荷的阳离子，在电场的作用下，向阴极方向移动到阳膜，受到膜上带负电荷的基团的异性相吸引的作用而穿过膜，进入右侧的浓缩室。带负电荷的阴离子，向阳极方向移动到阴膜，受到膜上带正电荷的基团的异性相吸引的作用而穿过膜，进入左侧的浓缩室。淡化室盐水中的氯化钠被不断除去，得到淡水，氯化钠在浓缩室中浓集。

图7-1 电渗析工作原理示意图

电渗析过程除我们希望的反离子迁移外，还可能发生如图7-2所示的其它迁移过程： (1) 同名离子迁移

同名离子指与膜的固定活性基所带电荷相同的离子。根据唐南（Donnan）平衡理论，离子交换膜的选择透过性不可能达到100％，

再加上膜外溶液浓度过高的影响，在阳膜中也会进入个别阴离子，阴膜中也会进入个别阳离子，从而发生同名离子迁移。 (2) 电解质的浓差扩散

也称为渗析，指电解质离子透过膜的现象。由于膜两侧溶液浓度不同，受浓度差的推动作用，电解质由浓水室向淡水室扩散，其扩散速度随两室浓度差的提高而增加。 (3) 水的渗透

淡水室的水，由于渗透压的作用向浓缩室渗透，渗透量随浓度差的提高而增加。

1

图7-2 电渗析工作时发生的各种过程

(4) 水的电渗透

反离子和同名离子，实际上都是水合离子，由于离子的水合作 用，在反离子和同名离子迁移的同时，将携带一定数量的水分子迁移。 (5) 压差渗漏

溶液透过膜的现象。当膜的两侧存在压差时，溶液由压力大的一侧向压力小的一侧渗漏。因此在操作中，应使膜两侧压力趋向平衡，以减小压差渗漏损失。 (6) 水的解离

也称为极化。是指在一定电压作用下，溶液中离子未能及时补充到膜表面时，膜表面的水分子解离成H+和OH—

的现象。当中性的

水解离成H+和OH—

以后，它们会透过膜发生迁移，从而扰乱浓、淡

水流的中性性质。这是电渗析装置的非正常运行方式，应尽力避免。

二、离子交换膜的选择透过性

离子交换膜对离子选择性透过机理和离子在膜中的迁移历程可 以由膜的孔隙作用、静电作用和扩散作用加以说明。

1. 孔隙作用 离子交换膜具有贯穿膜体内部的弯曲孔隙，其孔径多为几十纳米至几百纳米，这些孔隙形成的通道可以使被选择吸附的离子从膜的一侧移动到另一侧。孔隙作用的强弱主要取决于孔隙度的大小与均匀程度。而且只有当被选择的离子的水合半径小于孔隙半径时，才有可能使离子透过膜。

2. 静电作用 离子交换膜上分布着大量带电荷的基团。因此，膜内构成强烈的电场：阳膜为负电场；阴膜为正电场。根据静电效应的原理，膜与带电离子将发生同电性相斥，异电性相吸的静电作用。结果是阳膜只能选择吸附阳离子，阴膜只能选择吸附阴离子。它们都分别排斥与各自电场性质相同的同名离子。对于两性膜，因

为它们同时存在正、负电场，对阴、阳离子选择透过能力就取决于正负电场之间强度的大小。

3. 扩散作用 膜对溶解离子所具有的传递迁移能力，称为扩散作用。它依赖于膜内活性离子交换基和孔隙的存在，而离子的定向迁移则是外加电场力推动的结果。离子交换膜的透过现象，可以分为选择吸附、交换解吸、传递转移三个阶段。由膜孔穴形成的通道口和内壁上分布着活性离子交换基，对进入膜相的溶解离子继续进行着鉴别选择。这种吸附-解吸-迁移的方式，把离子从膜的一端输送到另一端，完成了膜对溶解离子定向扩散的全过程。

三、电渗析过程的基本传质方程

电渗析的传质过程主要由对流传质、扩散传质和电迁移传质等部分组成。离子在隔室主体溶液和扩散边界层之间的传递，主要靠流体微团的对流传质。离子在膜两侧的扩散边界层中主要靠

扩散传质。离子通过离子交换膜是靠电迁移传质。其中扩散传质

2

是控制电渗析传质速率的主要因素。

1.对流传质 包括因浓度差、温度差以及重力场作用引起的 自然对流和机械搅拌引起的强制对流传质。若只考虑强制对流，离子i 在x方向,即垂直于膜面方向上的对流传质速率为：

Ji(c) = CiVx （7-1）

式中 J2

i(c)——离子i 在x方向上的对流传质速率，mol/cm.s ；

C3

i ——溶液中离子i 的浓度，mol/cm； Vx ——流体在x方向上的平均流速，cm/s 。

2.扩散传质 若溶液中某一组分存在着浓度梯度时，必然存在着化学位梯度。在该化学位梯度的作用下离子i在x方向上的扩散速率为：

Ji(d) = - CdiUi

i

dx

（7-2） 式中 Jx方向上的扩散速率，mol/cm2

i(d)——离子i 在.s ；

U2

i ——溶液中离子i 的淌度，mol.cm/J.s ；

di

dx

——离子i 在x方向上的化学位梯度，J/ mol.cm 。 根据实际溶液离子i的化学位以及能斯特-爱因斯坦方程， 由式（7-2）可以得到式（7-3）。

Ji(d) = - Di(

dCidxdlnfi

dx

) （7-3） 式中fi是离子i的活度系数，对于理想溶液fi= 1式（7-3）扩散速率则转变为Fick第一定律的形式：

J= - DdCi(d) ii

dx

（7-4)

3.电迁移传质 当存在电位梯度时，离子在电场力的作用下发生迁移，由于正负离子带相反符号的电荷，其运动方向相

反。因此，正负离子在x方向上的迁移速率分别为：

Jd

CUdx

(7-5) JdCU

dx

(7-6)

式中 C3

+、C-——正负离子的浓度，mol/cm；

U、U——正负离子的化学淌度，cm2/V.s ；

——电位，V 。

对于理想溶液，淌度与扩散系数之间的关系可以用能斯特-爱因斯坦方程来描述：

U DF



RT

Z (7-7) UDF



RT

Z (7-8) 式中 D——正负离子的扩散系数，cm2

+、D-/s ；

z、z——正负离子的价数；

F ——法拉第常数。

将式(7-7)、(7-8)代入式(7-5)、(7-6)，得

J+CDFRT

Zd

dx (7-9)

J-CDF

RTZd

dx

(7-10)

若以Zi表示正负离子的代数价，以上两式可以写成：

Ji(e)

=-Zi Ci

DiFdRT

dx

(7-11)

4.Nemst-planck 离子渗透流率方程

对于离子通过离子交换膜的传质过程，可以近似认为是垂

3

直于膜面x方向上的传质。描述离子在流体对流、化学位梯度、电位梯度影响下，离子在电渗析过程中一维的Nemst-planck 方程，即离子x方向上的传质速率为：

Ji = Ji (c)+ Ji (d) + Ji (e) (7-12) = Ci

V

x

- Di(

dCiFddlnfdx+ Zi CiRTdx + Ci i

dx

) (7-13)

式中 Ji2

——离子i在膜内的传质速率，mol/cm.s；

Di——离子

i在膜内的扩散系数，cm2

.s；

Ci在膜相中的浓度，mol/cm3

i——离子； f3

i——离子i在膜相中的活度系数，mol/cm；

Vi——在离子交换膜微孔中，液体重心的运动速度，cm/s。

电渗析过程一般不发生化学反应，在稳态条件下，ΔЈ = 0 在离子交换膜中，各种离子满足电中性条件，即

ΣZiCi +ωC = 0 (7-14)

式中 zi ——离子i的代数价；

C3

i——离子i在膜内的浓度，mol/cm； C ——膜中固定活性基团的浓度，mol/cm3

； fi ——膜中固定活性基团的电荷数。

第二节 离子交换膜的分类及组成

一、离子交换膜的分类

离子交换膜是电渗析器的核心部件，是一种膜状的离子交换树脂。但必须指出，在电渗析中使用的离子交换膜，实际上并不是起离子交换作用，而是起离子选择透过作用，更确切地应称为离子选择性透过膜。

由阳离子交换材料组成的膜含有酸性活性基团，可解离出阳离子，它对阳离子具有选择透过性，称为阳离子交换膜，简称为阳膜；

由阴离子交换材料组成的膜含有碱性活性基团，可解离出阴离子，它对阴离子具有选择透过性，称为阴离子交换膜，简称为阴膜。图7-3是离子交换膜的分类。

强酸型：磺酸型

中酸型：磷酸型、膦酸型

弱酸型：羧酸型、酚型 混合型：苯酚磺酸

强碱型：季胺型、吡啶季胺型

阴离子交换膜 中、弱碱酸型：伯胺型、仲胺型、叔胺型

混合型：混合胺型 表面涂层膜 双极膜

特殊离子交换膜 两性膜

镶嵌膜 其它膜

图7-3 离子交换膜的分类

二、离子交换膜的组成

在宏观形态上离子交换膜是片状薄膜，而离子交换树脂是颗粒状的，但微观结构基本相同。离子交换膜的组成见图7-4。

固定部分离子交换基团（固定荷电基团）

活动部分 唐纳渗透离子（同名离子）

增强材料

图7-4 离子交换膜的组成

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膜主体的固定部分由体型或线型长链高分子材料组成，在高分子链上锚有离子交换基团，当膜投入水中时，发生吸水溶胀，使活性基团离解。

如磺酸型阳膜的活性基团一SO3H可以离解为：

H+

季胺型阴膜的活性基团一N(CH3)3OH可以离解为：

一

产生的H+ 和OH—

进入水溶液中，膜上留下一定电荷的固定基

团，它可吸附溶液中的正离子和负离子，这些离子是可移动的。

第三节 离子交换膜的制备

离子交换膜中的主体组分是树脂相，根据需要还可加入粘结剂、增塑剂、着色剂、防老剂、抗氧化剂、脱膜剂等。按照离子交换膜的主体组分可以将其分为均相膜和异相膜。在均相膜的主体组分中，各成分以分子状态均匀分布，不存在相界面；而异相膜是通过粘结剂把粉状树脂制成片状膜，树脂与粘结剂等组分间存在相界面。为保证离子交换膜的强度和尺寸稳定性，一般还需要网布作为增强材料。

一、异相膜的制备

异相膜是把粉状树脂与粘结剂混合后制成的片状膜。粘结剂可以采用热塑性的线性聚烯烃及其衍生物，也可以采用聚氯乙烯、聚过氯乙烯、聚乙烯醇等可溶于溶剂的聚合物，还可以采用天然或合成橡胶。根据粘结剂的性能，异相膜的制备方法有以下几种：

1. 延压和模压法成膜

将粉状离子交换树脂和粘结剂及其它辅料混合后通过延压和模压方式成膜。表7-1是典型的异相膜配方。

表7-1中的聚乙烯是粘合剂，树脂粉是膜的基体，聚异丁烯起粘合、增柔作用，赋予膜弹性，硬脂酸钙为脱模剂和稳定剂，酞菁蓝是染料，使阴膜带上天蓝色，以区别于阳膜的本色。还可以根据使用要求，适当添加防老剂、抗氧化剂等成分。 异相膜制备的工艺流程如下：

将聚乙烯放人双辊混炼机中，在110—120℃下混炼，塑化完全后，加入聚异丁烯进行机械接枝。混合均匀后加入硬脂酸钙，然后加进树脂粉，反复混炼均匀。将其在延压机上拉成所需厚度的膜片。再将两张尼龙网分别覆盖在膜片的上下，送入热压机中，于10.0-15.0 MPa压力下热压约45min，即成实用的异相膜。

2. 溶液型粘合剂法成膜

先将线型高聚物粘合剂溶解在溶剂中，制成粘合剂溶液，再将 粉状离子交换树脂分散在粘结剂溶液中，浇铸后，将溶剂蒸发掉成膜。

3. 将粉状离子交换树脂分散在仅部分聚合的成膜聚合物中，浇铸成膜后，再完成聚合过程。

5

由于异相膜树脂与粘结剂仅是机械结合，在使用过程中树脂容易发生脱落。

二、半均相膜的制备

首先用粘合剂吸浸单体进行聚合，然后导入活性交换基团制成含粘合剂的热塑性离子交换树脂，最后像上述异相膜那样的工艺加工成膜。

这种方法可以使离子交换树脂非常均匀地分散在粘合剂中，形成互相缠绕的结构，不易脱落，另一方面，可以省去磨粉工序，简化制膜工艺，而且可以避免粉尘对环境的污染和树脂的损失。图7-5是制备聚氯乙烯半均相膜工艺流程示意图。

二氯乙烷 溶胀 ∣ 悬浮聚合

∣H2SO4 ∣氯甲醚

磺化 氯化

混 炼

∣ 拉 片

∣

加网热压

图7-5 制备聚氯乙烯半均相膜工艺流程示意图。

三、均相膜的制备

均相离子交换膜的制造方法，实际上就是直接使离子交换树脂薄膜化。即使离子交换树脂的合成与成膜工艺相结合。均相膜的制造大致分为四个过程：膜材料的合成反应过程、成膜过程、引入可反应基团、与反应基团发生作用形成荷电基团。均相膜有以下几种制备方法。

1.从聚合反应开始制膜

例如，可以将苯酚磺酸与苯酚、甲醛先进行部分缩聚反应，然后将其吸浸于多孔支撑材料中或涂布于网布上，再进一步缩聚形成阳离子交换膜。

还可以将含有环氧反应基团的料液刮于尼龙网上，上下衬以涤纶纸，在油压机上加热聚合形成基膜，把聚合反应过程、成膜过程、引入反应基团过程三步合成—步，制成的基膜浸入三甲胺溶液，得到甲基丙烯酸环氧丙酯阴膜。 2.制成基膜后导入离子交换基团

对于含有反应基团的高聚物可以先将其制成基膜后，再经活化反应导入离子交换基团，制成离子交换膜。如含有多羟基的纤维素、聚乙烯醇基膜，都能进行酰化和酯化反应，使离子交换基团直接导人膜内。这类的高聚物材料很多，如聚苯乙烯、聚氯乙烯、氯化聚醚、聚乙烯亚胺、丁苯乳胶、氯醇橡胶等都可以先制成聚合物薄膜，再导入离子交换基团，成为离子交换膜。 3.高聚物中导入离子交换基团后再成膜

如聚砜或聚醚砜经磺化后制成磺化聚砜和磺化聚醚砜，把磺化后聚醚砜溶于二甲基甲酰胺中，涂于网布上，待溶剂挥发后即成阳膜。

四、新型离子交换膜

早期的离子交换膜主要用于电渗析和电化学工艺过程中，随着科学研究的深入和技术进步，离子交换膜的种类不断增加的同时，

6

应用领域也在不断扩大。

1．双极膜

双极膜是一种复合膜，它由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。在直流电场的作用下，双极膜可以将水离解，在膜两侧分别得到H+ 和OH- ，它可以形成一种新型的膜过程。双极膜已有商品问世。

双极膜的制备方法有：将阴膜、阳膜加热、加压使其成型的方法；在阴膜、阳膜中间涂敷黏合剂使之相互黏合的方法；在同一基膜两侧分别引入阳离子和阴离子交换基团的方法；使阳离子层在阴离子交换膜上流延的方法等。

在实验室，由双极膜和阳膜组成的二室模型，可以使葡萄糖酸钠、古龙酸钠等有机酸盐向葡萄糖酸、古龙酸等有机酸转化，同时得到碱液。在环保方面，双极膜和阳膜的组合可以使NaHSO3转化为Na2SO3，而Na2SO3又可重新与烟道气中SO2反应生成NaHSO3，达到除硫的目的。

一般离子交换膜对同性离子的分离效果不太理想，采用双极膜则大大改善分离效果。如分离１、２价阳离子时，采用在阳膜表面覆涂一层阴膜薄层的复合膜，由于它的固定荷电基团带正电，对二价离子的排斥力比一价离子强，因此在电场作用下使一价离子更容易穿过阻挡层进入阳膜，达到分离不同价态同性离子的目的。

双极膜的研究重点是降低膜电阻、提高选择性、化学稳定性和膜强度；另外还希望双极膜除了具有由阴离子交换层和阳离子交换层组成的两层结构外，在两层之间加入第三层物质以促进水的解离。

2．螯合膜

螯合膜上具有两个或两个以上对金属离子有很大亲和力的功能基团，如磺酸-羧酸、磺酸-磷酸、膦酸-羧酸等功能基团都属于螯合型膜。这类膜一般对特定离子具有选择性透过或吸附的能力。如对聚丙烯-聚苯乙烯微孔膜进行氯甲基化、胺化及氯醋酸处理，可以得到对Cu2+、Hg2+及Cd2+有选择性的螯合膜等。

新型离子交换膜还有同时带有阳离子交换基团和阴离子交换基

团的两性膜，它们大多具有生物膜的功能；利用阳离子高聚物电解质同阴离子高聚物电解质相互交错、组合而成的镶嵌离子交换膜。抗污染膜、抗极化膜、无机离子交换膜等也是近年新型离子交换膜的研究领域。

第四节 离子交换膜的主要性能

一、交换容量

交换容量是表征离子交换膜质量的基本指标。交换容量的定义 为每克干膜所含活性基团的毫克当量数，其单位为meq／g。一般交换容量高的膜，选择透过性好，导电能力强。但是由于活性基团一般具有亲水性，因此活性基团含量越高，膜的溶胀度越大，从而影响膜的强度。有时也会因膜体结构过于疏松，而使膜的选择性下降。一般膜的交换容量约为2—3meq／g。

不同类型的离子交换膜所含的活性基团不同，交换容量的测试体系也各有所异。下面仅举两例。

1．磺酸阳膜 磺酸氢型阳膜能与等量的NaCl交换，可以对其释放出的H+ 用0.1mol/L NaOH标准溶液滴定，然后计算交换容量。

步骤：对经过处理转为磺酸氢型的阳膜样品，用滤纸拭去表面附着的水分，精确称取样品1.5 g，放入250 ml的三角瓶中，加入约1 mol/L NaCl溶液约50 ml，间断振摇，使膜沉入水溶液中，放置过夜。以酚酞为指示剂，用0.1mol/L NaOH标准溶液滴定，至粉红色为终点。交换容量按下式计算。 交换容量(meq/g) =

NaOH毫升数NaOH当量浓度

样品质量（1含水率%）

7-15

2．季铵氯型阴膜 该膜能与NaNO3或Na2SO4进行等量交换，

对其释放出的氯离子 用0.1mol/L AgNO3标准溶液滴定，然后计算交换容量。

步骤：对经过预处理的季铵氯型阴膜样品，用滤纸拭去表面附着的水分，精确称取样品1.5 g，放入250 ml的三角瓶中，加入约1

7

mol/L NaNO3或Na2SO4溶液约50 ml，间断振摇，使膜沉入水溶液中，放置过夜。以10%酚铬酸钾溶液为指示剂，用0.1mol/L AgNO3标准溶液滴定，至橙红色不变为终点。交换容量按下式计算。 交换容量(meq/g) =

AgNO3毫升数AgNO3当量浓度

样品质量（1含水率%）

7-16

二、含水量

含水量指膜内与活性基团结合的内在水，以每克干膜所含水的克数表示(％)。膜的含水量与其交换容量和交联度有关，随着交换容量提高、交联度下降，膜的含水量增加。提高膜内含水量，可使膜的导电能力增加，但由于膜的溶胀会使膜的选择透过性下降。 一般膜的含水率约为20％—40％左右。

含水率 =

湿膜重量干膜重量

湿膜重量

100% 7-17 三、膜电阻

膜电阻对电渗析器工作时所需要的电压和电能消耗有直接影响。在实际应用中，膜电阻常用面电阻表示，其单位为Ω•cm2。也

可以用电阻率(Ω•cm)或电导率(Ω—l·cm—

1)来表示。一般在不影响其他性能的情况下电阻越小越好，以降低电能消耗。

通常规定在25℃下，于0.1mol／L KCl溶液或0.1mol／L NaCI溶液中测定的膜电导作为比较标准。

四、选择透过度

常用反离子迁移数和膜的透过度来表示膜的离子选择透过性。 膜内离子迁移数即某一种离子在膜内的迁移量与全部离子在膜内迁移量的比值。可以用离子迁移所携带电量之比来表示。例如，在阴膜-NaCI溶液体系中膜内离子的迁移数为： 同名离子迁移数 Na+ = Q Na+ / Q Na+ +QCI-

7-18

反离子迁移数 CI- = QCI- / Q Na+ +QCI- 7-19

式中 Q Na+ ——Na+离子所负载的电量

Q- ——CI—

CI离子所负载的电量

某种离子在膜中的迁移数可由膜电位计算：

g = (Em十Em0) /2 Em0 7-20

式中 Em0——在一定条件(一般是25℃，膜两侧溶液分别为0.1mol

／L KCI和0.2mol／L KCl)下，理想膜的膜电位， 可由奈恩斯特公式计算；

Em ——在以上条件下的实测膜电位。

膜的选择透过度为反离子在膜内迁移数实际增值与理想增值之比。

p

gtgtg0

gt

g

g

1tg

7-21

式中 g——反离子在膜中迁移数；

tg——反离子在溶液中的迁移数，可从有关手册查

到；

g

——反离子在理想膜中的迁移数，即100％。

用以上方法计算所得到的反离子迁移数和选择透过度，在一定程度上能客观地反映离子交换膜选择透过性的好坏。 一般要求离子交换膜选择透过度大于85％，反离子迁移数大于0.9，并希望膜在高浓度电解质中仍有良好的选择透过性。 另外对离子交换膜的机械强度、化学稳定性等也应有一定的指标要求，以满足正常使用。

第五节 电渗析器

一、 电渗析器的主要结构

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电渗析器的主要由膜堆、级区及夹紧装置组成，见图7-6。

图7- 6 电渗析器的基本结构及组装形式

1-压紧板；2-垫板；3-电极；4-垫圈；5-导水、极水板；6-阳膜；7-淡水隔板框；

8-阴膜；9-浓水隔板框—极水；—浓水；„„淡水

在电渗析器中“膜对”是最小电渗析工作单元，它由阴膜、淡水隔板、阳膜和浓水隔板组成。由若干个膜对组成的总体称为“膜堆”。置于电渗析器夹紧装置内侧的电极称为“端电极”。在电渗析器膜堆内，前后两极共同的电极称为“共电极”。

电渗析器的组装方式有串联、并联及串-并联相结合的几种形式。常用“级”和“段”来表示。“级”是指电极对的数目。“段” 是指水流方向，水流通过一个膜堆后，改变方向进入后一个膜堆，即 增加一段。电渗析器的组装方式有一级一段、一级多段、多级多段等。图7-7是电渗析器的组装方式示意图。

一级一段电渗析器即一台电渗析器仅含一段膜堆，由于只有一对端电极，通过每个膜对的电流强度相等。水流通过膜堆时，是平行地向同一方向通过各膜对，实际上这样的膜堆是以并联的形式组成一段。这种电渗析器的产水量大，整台脱盐率就是1张隔板流程长度的脱盐率，多用于大、中型制水场地。国内一级一段电渗析器一般含有200~360个膜对。

一级多段电渗析器通常含有2~3段，使用一对电极，膜堆中通过每个膜对的电流强度相等。这类电渗析器段与段之间的水流方向

图7-7 电渗析器的“级”和“段”示意图

相反，内部必须装有用来改变水流方向的导向隔板，使水流从一段出来改变方向流入另一段，这种方式实际是串联组装。在级内分段是为了增加脱盐流程长度，以提高脱盐率。这种形式的电渗析器单台产水量较小，压降较大，脱盐率较高，适用于中、小型制水场地。

多级多段电渗析器使用共电极使膜堆分级。一台电渗析器含有2~3级、4~6段。将一台电渗析器分成多级多段进行组装，是为了获得更高的脱盐率，多用于小型海水淡化器和小型纯水装置。 二、电渗析器的性能指标

1． 淡水产量

Qd = 0.0036 nvdb 7-22

式中 Qd——单台电渗析器在单位时间内的淡水产量，m3/h；

n ——并联的膜对数；

v ——除盐室中的流速，cm/s； d ——隔板厚度，cm；

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b ——隔板流水道宽度，cm； 2． 脱盐率：

f = (Cj-Cd) / Cj×100% 7-23

式中 f ——脱盐率，%；

Cj ——进水含盐量，mmol/L； Cd——出水含盐量，mmol/L； 3． 电流效率

电流效率 = 理论耗电量 / 实际耗电量×100%

= 26.8×Qd (Cj-Cd) /（In）×100% 7-24

式中 I ——电流，A； 其它符号同前。

4． 电能消耗

电能消耗 = 动力电耗 + 电渗析本体电耗 = 0.00272 H d m / η

动

+ UI×103 (Qdη电) 7-25

式中 U ——操作电压，V；

I ——电流，A； H ——水泵总扬程，m； d ——原水比重，t/m3； η动 ——水泵总效率；

η

电

——整流器的效率，一般为0.95；

m ——水泵供给的总水量Q与淡水产量Qd的比值。

第六节 电渗析的脱盐过程

常用的电渗析脱盐流程主要有连续式和循环式两大类。 一、连续式脱盐过程 1． 一级多段一次脱盐

使用单台电渗析器就能达到制水产量和质量要求。系统可以连续供水，辅助设备少，动力消耗低。膜堆采用一级多段。这种流程

对产水量和脱盐率的调节能力小，多在产水量小而脱盐率要求较高的情况下使用。

对于一级一段的电渗析器，可以由给定的产水量计算所需膜对数N。

N = 1000Q / t w v 7-26 式中 Q ——淡水流量，L/s；

t ——隔室水流道厚度，cm； w——隔室水流道宽度，cm； v ——除盐室中的流速，cm/s； 2．多级多段一次脱盐

原水经过多台电渗析器后，一次达到脱盐要求，直接得到成品水，如图7-8所示。具有连续出水、管道简单等优点，但操作弹性小，原水含盐量变化时适应性差。适应于中、大型脱盐场地。

图7-8 一次连续式脱盐流程示意图

（ ED 为电渗析器 ）

当串联的一级一段电渗析器的膜对数相等，隔室流速相同，则在极限电流下每级的脱盐率基本不变，系统的总脱盐率f为：

f1(1fnp) 7-27

式中 fp ——单级电渗析器脱盐率，%；

n ——电渗析器的串联级数。 二、 循环式脱盐过程

1． 循环式间歇脱盐

浓水和淡水分别通过体外循环槽进行循环，当循环脱盐达到成

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品水质指标后，输送至成品水槽，如图7-9所示。该流程适应性强，适用于脱盐深度大，特别是给水水质经常变化，并要求成品水质稳定的的场合，如流动式野外淡水车、船用脱盐装置和小批量工业产品料液的浓缩、提纯、分离和精制。但该流程需要较多的辅助设备，动力消耗大，且只能间歇供水。

图7-9 循环式间歇脱盐流程示意图

1- 淡水槽；2-浓水槽

在循环式脱盐过程中，系统的工艺参数将随淡水循环槽浓度的变化而变化。

2． 循环式连续脱盐

这种过程也称为部分循环式脱盐，如图7-10所示。在电渗析系 统出口的成品水中，有一部分要返回到系统的淡水进水槽，使淡水浓度降低，以减少电渗析器的串联级数或段数。

图7-10 部分循环式连续脱盐流程示意图

部分循环式脱盐过程的淡水流量不等于产水量，一部分淡水要

参加回流。操作过程比较灵活，但配管复杂、动力消耗较大。

根据物料平衡可以得到以下几个关系式： 电渗析器进水浓度 Cdi =

CRQCdoGQG

7-28

回流量 GQffpf 7-29

p(1f)

产水量 Q

Cdi/Cdo1

C(GQ) 7-30

R/Cdo1

式中 Cdi——电渗析器进水浓度，mol / L；

CR ——原水浓度，mol / L； Cdo——淡水出口浓度，mol / L；

Q ——产水量，L / s； G ——回流量，L / s。

第七节 新型电渗析过程

一、填充混合离子交换树脂电渗析过程制高纯水

1983年Kedem．提出了填充混合离子交换树脂的电渗析过程制

图7-11 填充离子交换树脂的电渗析过程

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去离子水。1987年推出产品。这是一种将电渗析和离子交换优点巧

妙结合的脱盐方法，如图7-11所示。在该过程中，离子交换树脂颗

粒填充在电渗析器的淡化室内，被离子交换树脂吸附的离子在电场力作用下不断迁移入浓水室，这样离子交换树脂不需要再生，而原料液中的离子几乎可完全被除去。这种过程与传统的电渗析-离子交换系统相比，阴、阳离子交换树脂所吸附的溶液中的阴、阳离子，

由电渗析极化过程的OH—

、H+ 连续再生，可以连续地脱除离子,不

间断地生产纯水、超纯水。为了降低膜堆电阻，可以填充离子导电

网。

二、含离子交换膜的唐南渗析

一张阳离子交换膜将CuSO4与H2SO4的混合液分成两相，相I

的pH＝1，而相Ⅱ的pH=7。由于浓差扩散，H+ 将由相I扩散到相

Ⅱ，而SO4= 将受到阳膜的

阻挡不能随H+ 由相I扩散到相Ⅱ，这就造成了相I与相Ⅱ之间的电势差。在该电场力的作用下，Cu

++

将由相

Ⅱ逆浓度差迁移到相I。可见只要两相中H+ 浓度差保持在一个常数，Cu++ 将以恒速从相Ⅱ迁移到相I，直至两者浓度差相当。这就是唐

南（Donnan）渗析的原理，见图7-12。同理，阴离子也

可通过阴膜进行类似的过程。应用实例——为柠檬汁加甜。利用Donnan渗析使碱性溶液中的OH—

取代了果汁中的柠檬酸根离子，增加了果汁的甜度。

第六节 电渗析的应用 一、水的纯化 电渗析法是海水、苦咸水、自来水制备初级纯水和高级纯水的重要方法之一。由于能耗与脱盐量成正比，电渗析法更适合含盐低的苦咸水淡化。但当原水中盐浓度过低时，溶液电阻大，不够经济，因此一般采用电渗析与离子交换树脂组合工艺。电渗析在流程中起

前级脱盐作用，离子交换树脂起保证水质作用。组合工艺与只采用离子交换树脂相比，不仅可以减少离子交换树脂的频繁再生，而且

对原水浓度波动适应性强，出水水质稳定，同时投资少、占地面积

小。但是要注意电渗析法不能除去非电解质杂质。

下面是制备初级纯水的几种典型流程：

下面是制备高级纯水的几种典型流程：

二、海水、盐泉卤水制盐

电渗析浓缩海水-蒸发结晶制取食盐，在电渗析应用中占第二位。与常规盐田法比较，该工艺占地面积少，基建投资省，节省劳动力，不受地理气候限制，易于实现自动化操作和工业化生产，且产品纯度高。日本第一个采用此法制盐，当前，年产量为1.5×106t，其他国家为4.0×

105t。随着技术的不断进步，卤水浓度已可达200g/L,

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吨盐耗电量降至150kW·h。

下面是制备高级纯水的典型流程:

三、废水处理

电渗析用于废水处理，兼有开发水源、防止环境污染、回收有用成分等多种意义。在电渗析应用中占第三位。电渗析用于废水处理，是以处理电镀废水为代表的无机系废水为开端，逐步向城市污水、造纸废水等无机系废水发展。如从电镀废水中回收铜、锌、镍、铬，从金属酸洗废水中回收酸与金属，从碱性溶液中回收NaOH等。四、脱除有机物中的盐分

电渗析在医药、食品工业领域脱除有机物中的盐分方面也有较多应用。如医药工业中，葡萄糖、甘露醇、氨基酸、维生素C等溶液的脱盐；食品工业中，牛乳、乳清的脱盐，酒类产品中脱除酒石酸钾等。

另外，电渗析还可以脱除或中和有机物中酸；可以从蛋白质水解液和发酵液中分离氨基酸等。

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