衡美水處理之全膜法水處理技術（一）

如何進行水處理？

衡美水處理為您介紹一種先進、實用的水處理技術——全膜法水處理技術。

膜分離法是利用選擇性透過膜為分離介質、當膜兩側存在某種推動力（如壓力差、濃度差、電位差）時，使溶劑（通常是水）與溶質或微粒分離的方法。一般包括電滲析、反滲透、超濾、擴散滲析等，其中的反滲透、超濾相當於過濾技術。

用選擇性透過膜進行分離時，使溶質通過膜的方法稱為滲析；而使溶劑通過膜的方法則稱為滲透。

電滲析法是以電位差為推動力的膜分離法，用於從水溶液中脫除離子，主要用於苦鹹水脫鹽或海水淡化。其膜是導電膜，即陽離子交換膜和陰離子交換膜。

以壓力差為推動力的膜分離法，根據溶質粒子的大小及膜的結構性質（超濾膜、納濾膜、反滲透膜等），又可分為超濾、納濾、反滲透等。反滲透法可用於溶劑的純化和溶液濃縮。反滲透法大部分應用於水的純化。主要是苦鹹水脫鹽或海水淡化。反滲透法的另一個重要應用為製備高純水。

膜是分離技術的核心。膜材料的化學性能、結構對膜分離法起著決定性的作用；一般是高分子材料製成的膜，有纖維素膜、芳香聚酰胺類膜、雜環類膜、聚碸類膜、聚烯烴類膜和含氟高分子膜等。 

膜分離法的特點：

1、不發生相變、常溫進行、適用範圍廣（有機物、無機物等）、裝置簡單、易操作和易控製等。

2、膜法水處理具有適應性強、效率高、占地麵積小、運行經濟的特點。所以，國內外已把電滲析法、反滲透法或膜分離法與離子交換相結合的方法應用於鍋爐水處理。

      第一章 電滲析

電滲析是膜分離技術的一種，它是在直流電場作用下，以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質從溶液中分離出來，從而實現溶液的淡化、濃縮、精製或純化的目的。

電滲析的進展：對電滲析基本概念的研究始於20世紀初，采用動物皮、膀胱膜或人造纖維、羊皮紙等進行實驗室研究，但無工業應用價值；隨著合成樹脂的發展，1950年，朱達試製出具有高選擇性的陰、陽離子交換膜後，才奠定了電滲析技術的實用基礎；1954年美、英等國將電滲析首先用於生產實踐中，淡化苦鹹水、製備工業用水和飲用水。此後，電滲析技術逐步引入中東和北非。1959年起，前蘇聯也開始研究和推廣應用。日本主要利用電滲析法濃縮製鹽，1969年日本國內食鹽有30％是用離於交換膜電滲析法生產的，1970年才將電滲析技術用於苦鹹水淡化。

一、電滲析基本原理及過程

1、滲析過程

（1）滲析的原理

滲析是最早被發現和研究的一種膜分離過程，它是一種自然發生的物理現象。當兩種不同濃度的鹽水用一張滲析膜（半透膜或離子交換膜）隔開時，濃鹽水中的電解質離子就會穿過膜擴散到稀鹽水中去，這種過程稱為滲析過程，亦稱擴散滲析。滲析過程的推動力是濃度梯度，因此又稱濃差滲析。

滲析過程是緩慢進行的，隨著鹽分濃度梯度的降低、鹽的擴散也逐漸減少，直到膜兩邊濃度相同，建立了平衡，鹽分的遷移也就完全停止。

（2）滲析的應用

A、血液透析

B、從酸堿廢液中回收酸堿。

濃差滲析回收酸見圖4-2。料液中由於H2SO4 和FeSO4 的濃度高，其中Fe2+、H+、SO42-均有向滲析液H2O中擴散的趨勢，由於使用陰離子交換膜作滲析膜，因此理論上陰膜隻允許SO42-透過膜進入滲析液，而H+ 離子由於水合離子半徑小，遷移速度快，故也能透過膜遷移到滲析液中。 H+和1/2SO42-等摩爾透過膜，以保持溶液的電中性。但是Fe2+ 離子則不透過陰膜。經過一段時間的滲析後，料液中的 H2SO4 即進入滲析液中，實現了 FeSO4和 H2SO4的分離，即可實現回收廢硫酸的目的。

2、電滲析過程

電滲析過程是電解和滲析擴散過程的組合。電滲析製取淡水的基本過程：利用離子交換膜的選擇透過性，即陽膜理論上隻允許陽離子通過，陰膜理論上隻允許陰離子通過，在外加直流電場作用下，陰、陽離子分別往陽極和陰極移動，它們最終會於離子交換膜，如果膜的固定電荷與離子的電荷相反，則離子可以通過，如果它們的電荷是相同的、則離子被排斥，從而可以製得淡水。電滲析運行時可能發生的過程見圖1。

圖1   電滲析運行時可能發生的過程

（1） 反離子遷移

離子交換膜具有選擇透過性。反離子遷移是電滲析運行時發生的主要過程，也就是電滲析的除鹽過程，反離子遷移效應大於0、9。

（2） 同名離子遷移

與膜上固定基團所帶電荷相同的離子穿過膜的現象。即濃水中陽離子穿過陰膜，陰離子穿過陽膜，進入淡室的過程，就是同名離子遷移。

這是由於離子交換膜的選擇透過性不可能達到100％。當膜的選擇性固定後，隨著濃室鹽濃度增加，這種同名離子遷移影響加大。

（3） 電解質濃差擴散

由於膜兩側溶液濃度不同，在濃度差作用下，電解質由濃室向淡室擴散，擴散速度隨濃度差的增高而增大。

（4） 水的滲透

在電滲析過程中，由於淡室水濃度低，基於滲透壓的作用，會使淡室的水向濃室滲透。

濃度差愈大，水的滲透量也愈大，這一過程會使淡水產量降低。

（5） 水的電滲透

反離子和同名離子，實際上都是以水合離子形式存在，在遷移過程中攜帶一定數量的水分子遷移，這就是水的電滲透。隨著溶液濃度的降低，水的電滲透量急驟增加。

（6） 水的壓滲

當濃室和淡室存在著壓力差時，溶液由壓力大的一例向壓力小的一側滲漏，稱為水的壓滲，因此操作時應保持兩側壓力基本平衡。

（7） 水的電離

電滲析運行時，由於電流密度相液體流速不匹配，電解質離子未能及時地補充到膜的表麵，而造成淡室水的電離生成H+和0H-離子，它們可以穿過陽膜和陰膜。

3、對電滲析各過程的分析

電滲析器在運行時，同時發生著多種複雜過程：

反離子遷移是電滲析除鹽的主要過程,其它都是次要過程。

這些次要過程會影響和幹擾電滲析的主要過程：

同名離於遷移和電解質濃差擴散與主過程相反，會影響除鹽效果；

水的滲透、電滲透和壓滲會影響淡室產水量，也會影響濃縮效果；

水的電離會使耗電量增加，導致濃室極化結垢，從而影響電滲析的正常遠行。

因此必須選擇優質離子交換膜和最佳的電滲析操作條件，以便消除或改善這些次要過程的影響。

4、電滲析法脫鹽的基本原理

把陽離子交換膜和陰離子交換膜交替排列於正負兩個電極之間，並用特製的隔板將其隔開，組成脫鹽（淡化）和濃縮兩個係統。

當向隔室通入鹽水後，在直流電場作用下，陽離子向陰極遷移，陰離子向陽極遷移，但由於離子交換膜的選擇透過性，而使淡室中的鹽水淡化，濃室中鹽水被濃縮，實現脫鹽目的。

電滲析法原理示意圖

電滲析上兩極的反應——以NaCl溶液為例

   在陽極上：2Cl- - 2e → Cl2↑

             H2O → H+ + OH-

             4OH-  - 4e → O2 + 2H2O

   產生的氯氣又有一部分溶於水中：

            Cl2 + H2O → HCl + HClO   

               HClO →HCl + [O] 

    陽極反應有氧氣和氯氣產生，氯氣溶於水又產生HCl及初生態氧[O]，陽極呈酸性反應，應當注意陽極的氧化和腐蝕問題。

   在陰極上：  H2O --→ H+ + OH-

           H+ + 2e --→ 2H2↑

         Na+  + OH- --→ NaOH

   在陰極室由於H+離子的減少，放出氫氣，極水呈堿性反應，當極水中含有Ca2+、Mg2+和CO32-等離子時，會生成CaCO3和Mg（OH）2等沉澱物，在陰極上形成結垢。

在極室中應注意及時排除電極反應產物，以保證電滲析過程的安全運行，考慮到陰膜容易損壞，並為了防止Cl-離子透過陰膜進入陽極室，所以在陽極附近一般不用陰膜，而改用陽膜或惰性多孔保護膜。

5、電滲析技術的特點

（1） 能量消耗低。

電滲析除鹽過程中，隻是用電能來遷移水中的鹽分，而大量的水不發生相的變化，其耗電量大致與水中的含鹽量成正比，尤其是對含鹽量為數千mg/L的苦鹹水，其耗電量更低。

（2） 藥劑耗量少、環境汙染小

常規的離子交換處理水時，樹脂失效後需用酸、堿進行再生，再生後生成大量酸、堿再生廢液，水洗時還要排放大量酸、堿性廢水。

電滲析法處理水時，僅酸洗時需要少量的酸。因此電滲析法是耗用藥劑少，環境汙染小的一種除鹽手段。

（3）對原水含鹽量變化適應性強

電滲析除鹽可按需要進行調節。產水量可按需要從每日幾m3至上萬m3變化。可根據設計一台電滲析器中的段數、級數或多台電滲析器的串聯、並聯或不同除鹽方式（直流式、循環式或部分循環式）來適應。

（4）操作簡單，易於實現機械化、自動化

電滲析器一般是控製在恒定直流電壓下運行，不需要通過頻繁地調節流速、電流及電壓來適應水質、溫度的變化。因此，容易做到機械化、自動化操作。

（5）設備緊湊耐用、預處理簡單

電滲析器是用塑料隔板、離子交換膜及電極組裝而成，其抗化學汙染和抗腐蝕性能均良好，隔板相膜多層更加在一起，運行時通電即可製得淡水，因此設備緊湊耐用。

由於電滲析中水流是在膜麵平行流過，而不需透過膜，因此進水水質不像反滲透控製的那樣嚴格，一般經砂濾即可，相對而言預處理比較簡單。

（6）水的利用率較高

電滲析器運行時，濃水和極水可以循環使用，與反滲透相比，水的利用率較高，可達到70％～80％，國外可高達90％。廢棄的水量少，再利用和後處理都比較簡單。

6、電滲析的缺點

電滲析隻能除去水中的鹽分、而對水中有機物不能去除，某些高價離子和有機物還會汙染膜。電滲析運行過程中易發生濃差極化而產生結垢（用頻繁倒極電滲析可以避免），這些都是電滲析技術較難掌握而又必須重視的問題。

與反滲透相比，由於它的脫鹽率較低，裝置比較龐大且組裝要求高，因此它的發展不如反滲透快。

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