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    電滲析設備(ED)


      近十多年來,電滲析技術發展得很快,現已大規模應用在海水的淡化,并逐漸擴大應用到電子、醫藥、化工、食品和環保等領域。如在食品工業中用于從牛奶中除去無機鹽和從酒和果汁中除去有機酸等,在糖業方面的研究應用也很受重視。

    詳細介紹
    一、ED電滲析工作原理

         將溶液置于直流電場中,它所含的帶電離子就向帶相反電荷的電極移動。如果在溶液中裝設離子交換樹脂膜將溶液隔開成幾部分,這些膜會選擇性地讓某些離子通過,而將另一些離子阻擋住。這樣就使被樹脂膜隔開的某些部分含電解質較多,而另外的部分則相反。這就是電滲析作用,藉此可以分離和除去溶液中的電解質,即將溶液脫鹽。
       
    電滲析所用的離子交換樹脂膜有兩類:一類只能透過陽離子,簡稱為陽膜,它通常含有帶負電的活性基團,能透過陽離子,但它的負電基則將溶液中的負離子排斥在外并阻擋其通過。另一類膜只能透過陰離子,簡稱陰膜,它通常含有帶正電的活性基團,能透過陰離子,但排斥和阻擋陽離子。將陽膜和陰膜交替排列成多個組合,兩側置電極,就成為電滲析器。
       
    在電滲析器的兩端裝陽極和陰極,中間交替地平行放置陽膜和陰膜。在通入直流電后,溶液中的離子受相反電荷的電極吸引而相它移動,陽離子透過陽膜而被陰膜所阻擋,陰離子透過陰膜而被陽膜所阻擋。這樣在陽膜與陰膜之間就積聚較多的電解質,成為濃縮液,該室就是濃縮室;而在陰膜與陽膜之間則較少離子,成為淡化液,該室就是淡化室。
       
    在電滲析器的陽極發生幾種化學反應,Cl-OH-放出電子,形成初生態氯和氧,放出氯氣和氧氣,一些氯溶于水中生成次氯酸使水呈酸性。
       
    在電滲析器的陰極發生另幾種化學反應,H+ Na+吸收電子,形成氫氣和氫氧化鈉,使溶液呈堿性。
    溶液中存在的其他離子亦發生相應的反應,如Ca2+、Mg2+生成Mg(OH)2CaCO3等沉淀物。
       
    電極反應消耗的電能為定值,與電滲析器中串聯多少對樹脂膜的關系不大,為充分發揮電流的脫鹽作用,常在兩電極之間串聯裝置很多對膜,一般為200300對,甚至多達1000(膜對多時要用較高電壓)。
       
    在電滲析器通入直流電后,淡化室中的鹽類濃度逐漸降低(以至趨近于零);濃縮室中的鹽類濃度則逐漸升高。將各個淡化室的液體引出,是含電解質很少的溶液;各濃縮室的液體引出,是集中了鹽類的溶液。兩端電極的液體引出混合,使它們互相中和。

    二、電滲析工程典型工藝流程   
      1、苦咸水淡化、地下水除氟原水→101過濾器精密過濾器電滲析裝置中空纖維超濾器紫外線殺菌器成品水
      2
    、飲用純凈水、太空水生產 原水機械過濾器活性炭過濾器精密過濾器電滲析裝置陽離子交換器陰離子交換器混合離子交換器中空纖維超濾器紫外線殺菌器臭氧滅菌裝置成品水
      3
    、制藥行業針劑制備、大輸液制備用水 原水活性炭過濾器精密過濾器電滲析裝置陽離子交換器陰離子交換器混合離子交換器多效蒸餾水機成品水
      4
    、化肥、機械行業用水 原水機械過濾器精密過濾器電滲析裝置陽離子交換器脫氣塔陰離子交換器成品水

    三、a)離子交換膜的種類和特點
        離子交換膜是電滲析器的關鍵部件。它的化學結構與一般的離子交換樹脂相同,分為基膜和活性基團兩大部分;な蔷哂辛Ⅲw網狀結構的高分子化合物,活性基團是由具有交換作用的陽(或陰)離子和與基膜相連的固定陰(或陽)離子所組成。
        陽膜的材質通常是磺酸型樹脂,活性基團為強酸性的磺酸基-SO3H,它容易離解出H+。陽膜表面有大量的負電基SO3-,故排斥溶液中的陰離子。
       陰膜的材質通常是季胺型樹脂,活性基團為強堿性的季胺基-N(CH3)3OH,它容易離解出OH-。陰膜表面有大量的正電基-N(CH3)3+ ,故排斥溶液中的陽離子。
        基膜的立體網狀結構的高分子骨架中存在許許多多網孔,這些網孔相互溝通形成微細的、迂回曲折的通道,通道的長度遠大于膜的厚度。在電場作用下,溶液中的陽離子可通過陽膜的微細孔道進入膜的另一側(向陰極方向),陰離子則通過陰膜進入相反的另一側(向陽極方向)。電滲析器中有許多陽膜和陰膜交錯排列,配對成許多個組合。在每一對陽膜和陰膜之間,離子從它的兩側進入,就形成離子集中的濃縮室,而在它的外側就形成淡化室。
        上述兩類膜統稱為通用膜,是用得最多的。它的缺點是不耐氧化和高溫。在兩端的電極室,溫度較高且有氧化反應,要用特殊材料的離子交換膜、惰性多孔膜或纖維布。
        此外還有兩性膜,它是將磺酸基團和季胺基團按適當比例混合制得。兩性膜具有較好的抗極化性能(而普通陰膜易因極化作用使電阻和電壓升高,效率下降)。
        通常使用的陰膜為苯乙烯季胺型樹脂,較易被水中的有機物污染,使電滲析效率下降。大孔陰膜(膜孔徑為0.050.15μm)具有一定的抗污染能力。
        離子交換膜按膜體結構分為異相膜、均相膜和半均相膜三大類。異相膜亦稱非均相膜,是直接用磨細的離子交換樹脂(250),加入粘合劑制成。其中含有離子交換活性基團的部分與形成膜狀結構的部分有不同的化學組成,活性基團分布不均勻。這種膜工藝成熟,價格較低,但粘合劑有將活性基團包住的傾向,膜電阻較大,選擇透過性較低。膜的厚度較大,約0.40.8mm。
        均相膜不含粘合劑,通常是在高分子基膜上直接接上活性基團,或用含活性基團的高分子樹脂的溶液直接制得。這種膜中的活性基團分布均勻,膜的整體結構均一。它的厚度小,約0.150.3mm,電化學性能好,但價格較高。
    半均相膜是將離子交換樹脂和粘合劑同溶于溶劑中再形成膜。外觀、結構和性能都介于上述兩種膜之間。
        國外生產的離子交換膜的品種很多,國內生產的品種亦迅速發展。
    b)
    離子交換膜性能
       離子交換膜的各項性能是影響電滲析器工作質量的關鍵因素,對它有嚴格要求。
        首先,樹脂膜應平整、均一、光滑,無針孔,厚度要適當,有良好的強度和韌性,能承受一定的壓力和拉力。
        樹脂膜要能承受一定的溫度不變形,較多的膜只能用在40℃以下,也有部分膜能耐70℃。
        樹脂膜要能耐受一定的酸、堿,適應用稀酸清洗除垢的需要。電極室的隔膜用特殊膜,陽極室膜應能抵抗新生態氯和氧的侵蝕,陰極室膜應能耐堿。
        樹脂膜應有較高的離子交換容量,這點很重要。
        樹脂膜要有良好的導電性。膜的電阻低,電滲析器所需電壓也較低,相反則要較高。電滲析用面電阻來表示,單位為Ω .cm2(Ω為電阻單位歐姆),整個膜的電阻為面電阻除以膜的總面積。它是在標準濃度的KCl溶液中測出的。
        樹脂膜要有良好的選擇透過性,即它對同名的離子(陽膜對陽離子及陰膜對陰離子)有很高的透過性,讓它們暢順通過;但膜對另一類離子的透過性應盡量少,將它們有效地阻擋隔離。通常,交換容量高和微孔孔徑小的膜的選擇透過性較好。膜的選擇透過度是在一定條件下,離子在膜內遷移數的增加值與理想膜的遷移數的增加值的比例。一般要求實用膜的透過度高于85%。在溶液濃度高時,膜的選擇性下降,在此條件工作的膜的選擇性要更高。此外,膜對水的透過性也要小,以免降低電滲析的效果。

        離子交換膜使用前應保存在濕潤的環境或用清水浸泡,以防干燥變形。若保存時間長,需加入少量防腐劑如甲醛于水中,防止細菌滋生。
    c)離子交換膜的隔板
        離子交換膜是很薄的薄膜,在兩件薄膜之間要裝隔板將薄膜隔開和支持,此隔板亦是液體流通的通道。隔板有甲、乙兩種,陽膜與陰膜之間為隔板甲,陰膜與陽膜之間為隔板乙。滲析器中陽膜與陰膜交錯排列,隔板則是甲、乙板交錯排列。隔板的厚度只為12mm,故可以在不很長的滲析器內裝設很多的膜與板的組合,電阻和所需電壓都不大。隔板用聚氯乙烯或聚丙烯制成。兩種隔板分別構成淡化室和濃縮室。全部薄膜與隔板都有多個貫通的孔,作為液體進入和淡液與濃液流出的通道。
       
    每塊隔板內都有多折平行反復的通道,液體沿通道流動。甲乙兩種隔板的差異是連接配水孔和通道的具體位置不同,以分別連接外部的淡液管和濃液管。通道處有隔網,隔網有魚鱗狀網、方格編織網、波狀多孔網等形式,使流動的液體成湍流狀態。
    四、電滲析器構成
        電滲析器的整體分為膜堆、電極室和緊固裝置三大部分。膜堆由許多對膜和隔板按一定的順序整齊地排列組成。兩端為電極室,裝設電極及有關部件。滲析器最外端為牢固的上、下壓板,通過多個貫通螺栓將上述全部部件均勻地壓緊成一個整體,確保滲析器在正常壓力下工作不泄漏。膜和隔板近邊沿處的通孔互相連接形成液體進出的通道。這種構造有點類似板框式壓濾機。
       
    電極室中裝電極、極框、電極托板和橡膠墊板。電極的材料通常是石墨、不銹鋼或鈦(有些在表面鍍鉑以抗腐蝕)。極框放置在電極與極室膜之間,防止膜與電極相貼,并作為電極室進出水的通道,及時將電極反應產物排出。
       
    電滲析器通常用單程的工作方式,液體只經過一組膜板;有時用兩程,液體串聯通過兩組膜板(電滲析器稱為一段和兩段)。亦可在滲析器的中間再裝一個共電極,縮短電流通過的長度,這些都按照實際需要來設計。
       
    電滲析器可用臥式或立式,即將滲析膜水平或垂直裝置。前者的安裝較方便,后者是在水平安裝和壓緊后豎立起來,這便于運行時排出水流中的氣體,這在工作溫度高時更需要。

    、適用范圍

       電滲析裝置已被廣泛應用于電力、化工、電子、環保、醫藥、紡織、食品等行業,獲得令人滿意的經濟效益,具體用途主要有:
        1
    、 海水、苦咸水淡化制取生活飲用水。
        2、制取啤酒、汽水、純凈水等飲料用水。
        3、制取低壓鍋爐用水。
        4
    、電滲析和離子交換法聯合使用,制取蒸餾水、高純水、超純水,這種制水方法可節約酸堿80~90%,避免樹脂的頻繁再生,并大大降低制水成本。
        5、聯合其他不同的處理單元,可制成滿足電子、醫藥、食品、化工等更高檔次的行業用水。
        6、電鍍、電子等工業廢水(液)中Au、Ag、Cu等貴重金屬的回收及廢水回用。
        7、除氟化物、廢水處理。
     

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