第十章 膜技术(membrane technologies)
第1节 概述
一、定义
在某种推动力的作用下，利用某种隔膜特定的透过性能，使溶质或溶剂分离的方法称为膜分离。
分离溶质时一般叫渗析；分离溶剂时一般叫渗透。
二、分类与特点
根据推动力的不同，膜分离有下列几种：
浓度差：扩散渗析
电位差：电渗析
压力差：反渗透(RO, reverse osmosis)：MW<100, 0.2-0.3nm, 2 – 3 A0
纳滤(NF, nanofiltration)：MW: 100-1000, 0.5-5 nm
超滤(UF, ultrafiltration)：MW: 1000—百万, 5 nm-0.2mm
微滤(MF, microfiltration)：0.2-1 mm
(1A0=10-8 cm, 1m =10-4cm, 1nm=10-7cm)
膜分离的特点：
可在一般温度下操作，没有相变；
浓缩分离同时进行；
不需投加其他物质，不改变分离物质的性质；
适应性强，运行稳定。
第2节 电渗析
一、 原理
在直流电场作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中的阴、阳离子的选择透过性，分离溶质和水。
阴膜只让阴离子通过；阳膜只让阳离子通过。
阴极：
还原反应：2H＋ ＋2e → H2↑
阴极室溶液呈碱性，结垢
阳极：
氧化反应：4OH－ → O2↑＋2H2O ＋4e
或 2Cl-→Cl2↑+2e
阳极室溶液呈酸性，腐蚀
特点：只能将电解质从溶液中分离出去。不能去除有机物等。
二、离子交换膜
离子交换树脂：树脂与离子之间发生交换反应
离子交换膜：对溶液中的离子具有选择透过的特性
★按其结构分为：异相膜、均相膜。
异相膜：离子交换树脂磨成粉末，加入粘合剂，滚压在纤维网上。
均相膜：离子及交换树脂的母体材料制成连续的膜状物，作为底膜，然后在上面嵌接上活性基团。
★按离子选择性分：
阳离子交换膜（一般为聚苯乙烯磺酸型）：R－SO3H，在水中电离后，呈负电性
阴离子交换膜（聚苯乙烯季胺型）：R－CH2 N（CH3）3OH，电离后，呈正电性
★离子交换膜选择透过性主要是由于：
1）膜的孔隙结构；2）活性交换基团的作用。
离子交换膜是电渗析的关键部分，良好的电渗析应：1）高的离子选择性；2）渗水性差；3）导电性好；4〕化学稳定性和机械强度
三、关键设备
如图
电渗析可分为三部分：极区、膜堆和紧固部分
极区：常用的电极有不锈钢、石墨等
膜对：一对阴、阳膜和一对浓、淡水隔板交替排列，组成的最基本脱盐单元
膜堆：若干膜对的集合体
一级：一对正、负极之间的膜堆
一段：具有同一水流方向的并联膜堆
增加段数：加长水的流程长度，增加脱盐效率。
增加膜对数：提高水处理量
增加级数：降低两个电极之间的电压
四、电流效率与极限电流密度
1．电流效率
η＝实际去除的盐量m1/理论去除量m2 ´100%
m1＝q(C1-C2) t MB /1000
q：一个淡室的出水量, L/s
C1，C2：进出水含盐量, mmol/L
t：通电时间, s
MB：物质的摩尔质量
依据法拉第定律：m2=I t MB/F
F：法拉第常数 I：电流强度，A
2．极限电流密度
如果电流密度过大――发生浓差极化现象
电流传导靠Na＋ 和Cl－
电流总量＝Cl－电量＋Na+电量
Cl－电迁移数（总电量中所占比例）＝0.5
Na+电迁移数（总电量中所占比例）＝0.5
但在阴膜中，由于钠离子不能通过，氯离子的迁移数为1，为此补充此差需要动用边界层中的氯离子，致使边界层与主流层之间存在浓度差。
当电流密度i过大时，C’趋于0，水分子开始电离，参加迁移，此时发生浓差极化现象
―――――极限电流密度
极限电流密度的确定：电压-电流法
极化与结垢：
极化现象主要发生在阳膜的淡室一侧，沉淀主要发生在阴膜浓室一侧。
防止措施：1）极限电流法，在极限电流的70－90％下运行；
2）倒换电极；3）定期酸洗
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