第四章 膜法水处理
膜分离法是利用选择性透过膜为分离介质.当膜两侧存在某种推动力(如压力差,浓度差,电位差)时,使溶剂(通常是水)与溶质或微粒分离的方法.一般包括电渗析,反渗透,超滤,扩散渗析等,其中的反渗透,超滤相当于过滤技术.
用选择性透过膜进行分离时,使溶质通过膜的方法称为渗析;而使溶剂通过膜的方法则称为渗透.
电渗析法是以电位差为推动力的膜分离法,用于从水溶液中脱除离子,主要用于苦咸水脱盐或海水淡化.其膜是导电膜,即阳离子交换膜和阴离子交换膜.
以压力差为推动力的膜分离法,根据溶质粒子的大小及膜的结构性质(超滤膜,纳滤膜,反渗透膜等),又可分为超滤,纳滤,反渗透等.反渗透法可用于溶剂的纯化和溶液浓缩.反渗透法大部分应用于水的纯化.主要是苦咸水脱盐或海水淡化.反渗透法的另一个重要应用为制备高纯水.
膜是分离技术的核心.膜材料的化学性能,结构对膜分离法起着决定性的作用;一般是高分子材料制成的膜,有纤维素膜,芳香聚酰胺类膜,杂环类膜,聚砜类膜,聚烯烃类膜和含氟高分子膜等.
膜分离法的特点:① 不发生相变,常温进行,适用范围广(有机物,无机物等),装置简单,易操作和易控制等.②膜法水处理具有适应性强,效率高,占地面积小,运行经济的特点.所以,国内外已把电渗析法,反渗透法或膜分离法与离子交换相结合的方法应用于锅炉水处理.
第一节 电渗析
电渗析是膜分离技术的一种,它是在直流电场作用下,以电位差为推动力,利用离子交换膜的选择透过性,把电解质从溶液中分离出来,从而实现溶液的淡化,浓缩,精制或纯化的目的.
电渗析的进展:对电渗析基本概念的研究始于20世纪初,采用动物皮,膀胱膜或人造纤维,羊皮纸等进行实验室研究,但无工业应用价值;随着合成树脂的发展,1950年,朱达试制出具有高选择性的阴,阳离子交换膜后,才奠定了电渗析技术的实用基础;1954年美,英等国将电渗析首先用于生产实践中,淡化苦咸水,制备工业用水和饮用水.此后,电渗析技术逐步引入中东和北非.1959年起,前苏联也开始研究和推广应用.日本主要利用电渗析法浓缩制盐,1969年日本国内食盐有30%是用离于交换膜电渗析法生产的,1970年才将电渗析技术用于苦咸水淡化.
一,电渗析基本原理及过程
1. 渗析过程
(1)渗析的原理
渗析是最早被发现和研究的一种膜分离过程,它是一种自然发生的物理现象.当两种不同浓度的盐水用一张渗析膜(半透膜或离子交换膜)隔开时,浓盐水中的电解质离子就会穿过膜扩散到稀盐水中去,这种过程称为渗析过程,亦称扩散渗析.渗析过程的推动力是浓度梯度,因此又称浓差渗析.

图4-1渗析过程示意图 图4-2 浓差渗析回收酸
渗析过程是缓慢进行的,随着盐分浓度梯度的降低.盐的扩散也逐渐减少,直到膜两边浓度相同,建立了平衡,盐分的迁移也就完全停止.
(2)渗析的应用
① 血液透析
② 从酸碱废液中回收酸碱.
浓差渗析回收酸见图4-2.料液中由于H2SO4 和FeSO4 的浓度高,其中Fe2+,H+,SO42-均有向渗析液H2O中扩散的趋势,由于使用阴离子交换膜作渗析膜,因此理论上阴膜只允许SO42- 透过膜进入渗析液,而H+ 离子由于水合离子半径小,迁移速度快,故也能透过膜迁移到渗析液中. H+和1/2SO42-等摩尔透过膜,以保持溶液的电中性.但是Fe2+ 离子则不透过阴膜.经过一段时间的渗析后,料液中的 H2SO4 即进入渗析液中,实现了 FeSO4和 H2SO4的分离,即可实现回收废硫酸的目的.
2. 电渗析过程
电渗析过程是电解和渗析扩散过程的组合.电渗析制取淡水的基本过程:利用离子交换膜的选择透过性,即阳膜理论上只允许阳离子通过,阴膜理论上只允许阴离子通过,在外加直流电场作用下,阴,阳离子分别往阳极和阴极移动,它们最终会于离子交换膜,如果膜的固定电荷与离子的电荷相反,则离子可以通过,如果它们的电荷是相同的.则离子被排斥,从而可以制得淡水.电渗析运行时可能发生的过程见图4-3.
图4-3 电渗析运行时可能发生的过程
(1) 反离子迁移
离子交换膜具有选择透过性.反离子迁移是电渗析运行时发生的主要过程,也就是电渗析的除盐过程,反离子迁移效应大于0.9.
(2) 同名离子迁移
与膜上固定基团所带电荷相同的离子穿过膜的现象.即浓水中阳离子穿过阴膜,阴离子穿过阳膜,进入淡室的过程,就是同名离子迁移.
这是由于离子交换膜的选择透过性不可能达到100%.当膜的选择性固定后,随着浓室盐浓度增加,这种同名离子迁移影响加大.

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