第七章电渗析

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。 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。

⑶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 差的提咼而增加。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。 图7-1电渗析工作原理示意图

第一节、电渗析基本原理 电渗析过程除我们希望的反离子迁移外，还可能发生如图

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。

(Donnan)平衡理论，离子交换膜的选择透过性不可能达到 7-2

根据唐南

100%, 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。

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移。 图7-2 电渗析工作时发生的各种过程

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 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

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0H —的现象。当中性的 水解离成H+和0H —以后，它们会透过膜发生迁移， (5)

从而扰乱浓、淡 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。 它们都分另U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 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：

J i(c) = C i V< (7-1 ) CU d dx

C U — dx (7-5)

(7-6)

式中 J i(c)

C

Vx——

2.扩散传质 存在着化学位梯度。

的扩散速率为： -离子i在x方向上的对流传质速率， mol/cm .s

溶液中离子i的浓度，mol/cm3;

流体在X方向上的平均流速，

若溶液中某一组分存在着浓度梯度时，必然

在该化学位梯度的作用下离子 cm/s 。

i在x方向上

d i

Ji(d) = - C iU —-

dx

式中J i(d)——离子i在x方向上的扩散速率， mol/cm 2.s (7-2 )

U ----- 溶液中离子i的淌度，mol.cm 2/J.s ;

d .

--- --- 离子i在X方向上的化学位梯度， J/ mol.cm 。 dx

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)。

dCi

Ji(d) = - D i ( ----

dx d ln

fi)

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:

i(d) = - Di如

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： C+、C-――正负离子的浓度， U 、U ――正负离子的化学淌度，

——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 因斯坦方程来描述： 式中

(7-7)

(7-8)

式中

将式(7-7)、 3

mol/cm ；

cm/V.s

D F ——Z RT D F ——Z RT

D+、D-——正负离子的扩散系数,

z、z ――正负离子的价数；

F ――法拉第常数。

(7-8)代入式(7-5) 、(7-6) cm/s ;

，得

J+

J- C斗d

RT

cS

RT dx (7-9)

dx

若以乙表示正负离子的代数价，以上两式可以写成: (7-10)

Ji(e)二-乙 Ci 詈

RT dx (7-11)

4.Nemst-planek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 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 程，即离子 x方向上的传质速率为：

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。 Nemst-planck 方

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

dCi F d

=CiV< - D i（ — + 乙 Ci ---- +

dx RT dx

式中 Ji ——离子i在膜内的传质速率，

Di ――离子i在膜内的扩散系数， dln fi

)

dx

2

mol/cm .s

； Ci (7-13) 厂强酸型: 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

严强碱型: 季胺型、吡啶季胺型

mol/cm 3；

mol/cm 3； 离子交换膜< 阴离子交换膜J中、弱碱酸型：伯胺型、仲胺型、叔胺型

混合型：混合胺型

f i ------ 离子i在膜相中的活度系数，

在离子交换膜微孔中，液体重心的运动速度，

△ ?= 0 Vi

电渗析过程一般不发生化学反应，在稳态条件下, 在离子交换膜中，各种离子满足电中性条件，即 cm/s。 表面涂层膜

双极膜

(7-14) 特殊离子交换膜/两性膜

镶嵌膜

U其它膜

式中 zi ---- 离子i的代数价；

C ---- 离子i在膜内的浓度， mol/cm 3 ；

C ――膜中固定活性基团的浓度， mol/cm

3 ；

f――膜中固定活性基团的电荷数。 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。

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。 「高分子骨架结构部分

固定部分｛离子交换基团（固定荷电基团）

广膜的主体

离子交换膜£ 「反离子（对立离子）

活动部分J唐纳渗透离子（同名离子）

L溶剂（如水） 厂阳离子交换膜V