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1.9膜分离$lesson$
大纲要求：熟悉膜分离的技术和方法，了解膜及膜组件的分类和性能
1.9.1膜分离法的原理及分类
⑴膜：能够把流体相分隔为互不相通的两部分，这两部分之间能存在“传质”的薄的物质。
⑵膜的特征：一是无论厚度多少都必须有两个界面，两个界面分别与两侧流体相接触，二是要具有选择透过性，可允许一侧流体中一种或几种物质通过，而不允许其他物质通过。
⑶膜分离：利用膜的选择透过性能将离子或分子或某些微粒从水中分离出来的过程。用膜分离溶液时，使溶质通过膜的方法称为渗析，使溶剂通过膜的方法称为渗透。
⑷膜分离的特点：
⑸根据溶质或溶剂透过膜的推动力和膜种类不同，水处理中膜分离法通常可以分为：电渗析、反渗透、超滤、微滤。
1.9.2电渗析
⑴原理：
在外加直流电场作用下，利用离子交换膜的透过性(即阳膜只允许阳离子透过，阴膜只允许阴离子透过)，使水中的阴、阳离子作定向迁移，从而达到水中的离子与水分离的一种物理化学过程。
原理是：在阴极与阳极之间，放置着若干交替排列的阳膜与阴膜，让水通过两膜及两膜与两极之间所形成的隔室，在两端电极接通直通电源后，水中阴、阳离子分别向阳极、阴极方向迁移，由于阳膜、阴膜的选择透过性，就形成了交替排列的离子浓度减少的淡室和离子浓度增加的浓室。与此同时，在两电极上也发生着氧化还原反应，即电极反应，其结果是使阴极室因溶液呈碱性而结垢，阳极室因溶液呈酸性而腐蚀。因此，在电渗析过程中，电能的消耗主要用来克服电流通过溶液、膜时所受到的阻力及电极反应。
例如，用电渗析方法处理含镍废水，在直流电场作用下，废水中的硫酸根离子向正极迁移，由于离子交换膜具有选择透过性，淡水室的硫酸根离子透过阴膜进入浓水室，但浓水室内的硫酸根离子不能透过阳膜而留在浓水室内;镍离子向负极迁移，并通过阳膜进入浓水室，浓水室内的镍离子不能透过阴膜而留在浓水室中。这样浓水室因硫酸根离子、镍离子不断进入而使这两种离子的浓度不断增高;淡水室由于这两种离子不断向外迁移，浓度降低。离子迁移的结果是把电渗析器的两个电极之间隔室变成了溶液浓度不同的浓室和淡室。浓水系统是一个溶液浓缩系统，而淡水系统是一个净化系统。用电渗析法回收镍时，以硫酸钠溶液作为电极液，硫酸钠可减轻铅电极的腐蚀，浓水回用于镀槽，淡水用于清洗镀件。
⑵离子交换膜和电渗析装置
①离子交换膜
(是电渗析的关键部件，其性能影响电渗析器的离子迁移效率、能耗、抗污染能力和使用期限等。)
②电渗析离子交换膜的分类：
按膜结构分为：异相膜、均相膜和半均相膜。
按膜上活性基团不同分为：阳膜、阴膜和特种膜。
按膜材料不同分为：有机膜和无机膜。
③电渗析装置
电渗析器的构造包括压板、电极托板、电极、极框、阴膜、浓水隔板、淡水隔板等部件。将这些部件按一定顺序组装并压紧，组成一定形式的电渗析器。电渗析器的辅助设备还包括水泵、整流器等，组成了电渗析装置。
⑶电渗析器运行的工艺参数
①电流效率
电渗析析器运行时实际除盐量与理论除盐量之比称为电渗析器的电流效率。
②电流密度与极化现象
电渗析器工作时，单位膜面积上通过的电流称为电流密度。运行时，当电流密度达到一定值时，界面层离子的迁移速度远低于膜内离子迁移速度，迫使膜界面处水分子发生电离，依靠氢离子和氢氧根离子来传递电流，这种膜界面现象称为浓差极化，此时的电流密度称为极限电流密度。
极化包括浓差极化和电极极化。极化发生后在阳膜淡室的一侧富集着过量的氢氧根离子，阳膜浓室的一侧富集着过量的氢离子;而在阴膜淡室的一侧富集着过量的氢离子，阴膜浓室的一侧富集着过量的氢氧根离子。由于浓室中离子浓度高，则在浓室阴膜的一侧发生碳酸钙等沉淀，从而增加膜电阻，加大电能消耗，减小膜的有效面积，降低出水水质，影响正常运行。
⑷处理废水的电渗析器的特点
目前电渗析在海水或苦咸水淡化和某些工业用水的精制等应用中都已有大型装置投入生产性运行，而在废水处理中的应用还相对较少，应注意以下三点：
①在给水处理中应用的电渗析器，只回收淡水和只关注淡水水质，水的回收率一般为50%～70%;而应用电渗析处理废水时，有时淡水和浓水均可回收利用，水的回收率高，有时浓水的利用价值高于淡水。
②在给水处理中应用的电渗析器只含有阳膜和阴膜，并以膜对的形式存在，而在废水处理中，电渗透析器用膜的种类较多，有阳膜、阳膜、中性膜和复合膜等，根据处理对象组成和处理目的的不同而有不同的膜组合形式。
③在给水处理中，关注电渗析电极反应多半是为了防止电极反应的负面影响，而在废水处理中，有时是利用电极反应来达到处理废水和回收有用物质的目的。
⑸电渗析在废水处理中的应用
电镀废水中含有铜、锌、镍等重金属和氰化物，未经处理而直接排放，会污染环境，目前已经许多电镀车间应用电渗析处理电镀废水取得了较好的效果，既回收了重金属，又使水的重复利用率有较大的提高。
⑹电渗析器工艺设计
目前，电渗析器有系列产品规格，可根据淡水产量与处理要求确定合理的设计参数，选用所需电渗析器的台数以及并联或串联的组装方式。
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