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实验用电渗析设备

简介

  电渗析

  一种以电位差为推动力,利用离子交换膜的选择透过性,从溶液中脱除或富集电解质的膜分离操作。电渗析是电解质离子在两股液流间的传递,其中一股液流失去电解质,成为淡化液;另一股液流接受电解质,成为浓缩液。海水经过电渗析,所得到的淡化液是脱盐水,浓缩液是卤水。 电渗析的功能主要取决于离子交换膜。后者以高分子材料为基体,接上可电离的活性基团。阴离子交换膜简称阴膜,它的活性基团是铵基,电离后的固定离子基团带正电荷。阳离子交换膜简称阳膜,它的活性基团通常是磺酸基,电离后的固定离子基团带负电荷。离子交换膜具有选择透过性是由于膜上的固定离子基团吸引膜外溶液中异种电荷离子,使它能在电位差或同时在浓度差的推动下透过膜体,同时排斥同种电荷的离子,拦阻它进入膜内。阳离子易于透过阳膜,阴离子易于透过阴膜。用于电渗析的离子交换膜要求膜的电阻低、选择性高、机械强度和化学稳定性好。离子交换膜也可在水溶液电解时用作电极隔膜,如电解食盐时使用阳离子交换膜(见离子膜电解法),可直接制得高浓度的氢氧化钠溶液。

  电渗析器进行电渗析操作的设备,由离子交换膜、隔板和电极组成。片状的阴膜和阳膜交替排列,隔板放置其间,构成一系列相间的淡化室和浓缩室。隔板的厚度仅1~2mm,内有隔网,起保持膜间距和扰动液流的作用。膜组的两端设电极室,室中置电极,并有电极水在电极旁流过。制造电极的材料有不锈钢、石墨、涂钌的钛等。

  分离原理以氯化钠水溶液为例(见图):在直流电场内,钠离子向阴极迁移,淡化室中的钠离子透过阳膜进入浓缩室。但浓缩室中的钠离子受阻于阴膜而留下。同时,氯离子向阳极迁移,淡化室中的氯离子透过阴膜进入浓缩室,但浓缩室中的氯离子受阻于阳膜而留下。因此,可从淡化室和浓缩室分别得到脱盐水和卤水。

  电渗析具有脱除和浓集离子物质的双重功能:前者用于海水、苦咸水淡化(见卤水),天然水纯化,工业废水的净化处理以及有机物水溶液的脱盐等;后者用于从海水制卤水,从电镀废水回收电解液等。

 实际应用

  自动控制频繁倒极电渗析(EDR),运行管理更加方便。原水利用率可达80%,一般原水回收率在45-70%之间。电渗析主要用于水的初级脱盐,脱盐率在45-90%之间。它广泛被用于海水与苦咸水淡化;制备纯水时的初级脱盐以及锅炉、动力设备给水的脱盐软化等。

  实质上,电渗析可以说是一种除盐技术,因为各种不同的水(包括天然水、自来水、工业废水)中都有一定量的盐分,而组成这些盐的阴、阳离子在直流电场的作用下会分别向相反方向的电极移动。如果在一个电渗析器中插入阴、阳离子交换膜各一个,由于离子交换膜具有选择透过性,即阳离子交换膜只允许阳离子自由通过,阴离子交换膜只允许阴离子以通过,这样在两个膜的中间隔室中,盐的浓度就会因为离子的定向迁移而降低,而靠近电极的两个隔室则分别为阴、阳离子的浓缩室,最后在中间的淡化室内达到脱盐的目的。

  实际应用中,一台电渗析器并非由一对阴、阳离子交换膜所组成(因为这样做效率很低),而是采用一百对,甚至几百对交换膜,因而大大提高效率。

 应用范围

  目前电渗析器应用范围广泛,它在水的淡化除盐、海水浓缩制盐精制乳制品,果汁脱酸精和提纯,制取化工产品等方面,还可以用于食品,轻工等行业制取纯水、电子、医药等工业制取高纯水的前处理。锅炉给水的初级软化脱盐,将苦咸水淡化为饮用水。

  电渗析器适用于电子、医药、化工、火力发电、食品、啤酒、饮料、印染及涂装等行业的给水处理。也可用于物料的浓缩、提纯、分离等物理化学过程。

  电渗析还可以用于废水、废液的处理与贵重金属的回收,如从电镀废液中回收镍。

  基本性能

  (1)操作压力0.5─3.0kg/cm2左右

  (2)操作电压、电流100─250V,1─3A

  (3)本体耗电量每吨淡水约0.2─2.0度

电渗析法的特点

  ①可以同时对电解质水溶液起淡化、浓缩、分离、提纯作用;

  ②可以用于蔗糖等非电解质的提纯,以除去其中的电解质;

  ③在原理上,电渗析器是一个带有隔膜的电解池,可以利用电极上的氧化还原效率高。

  四、在电渗析过程中,也进行以下次要过程

  ①同名离子的迁移,离子交换膜的选择透过性往往不可能是百分之百的,因此总会有少量的相反离子透过交换膜;

  ②离子的浓差扩散,由于浓缩室和淡化室中的溶液中存在着浓度差,总会有少量的离子由浓缩室向淡化室扩散迁移,从而降低了渗析效率;

  ③水的渗透,尽管交换膜是不允许溶剂分子透过的,但是由于淡化室与浓缩室之间存在浓度差,就会使部分溶剂分子(水)向浓缩室渗透;

  ④水的电渗析,由于离子的水合作用和形成双电层,在直流电场作用下,水分子也可从淡化室向浓缩室迁移;

  ⑤水的极化电离,有时由于工作条件不良,会强迫水电离为氢离子和氢氧根离子,它们可透过交换膜进入浓缩室;

  ⑥水的压渗,由于浓缩室和淡化室之间存在流体压力的差别,迫使水分子由压力大的一侧向压力小的一侧渗透。显然,这些次要过程对电渗析是不利因素,但是它们都可以通过改变操作条件予以避免或控制。

 
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