分離科學(xué)與進(jìn)展中科大lecture(1)(編輯修改稿)
2025-02-15 09:49 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 有同樣的相態(tài)和組分，僅在組成濃度上存在并別。被膜分隔的兩相之間不存在平衡關(guān)系，依靠不同組分透過膜的速率差別來實現(xiàn)組分的分離，所以常稱之為速率分離過程； ? 膜分離過程的優(yōu)點(diǎn)是能耗低，操作方便，不產(chǎn)生二次污染，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 膜分離： 分離用膜的分類 ? 根據(jù)膜的材質(zhì)，從相態(tài)上可分為固體膜和液體膜 ? 根據(jù)來源上可分為天然膜和合成膜 ? 根據(jù)膜體結(jié)構(gòu)，固體膜可分為致密膜和多孔膜 ? 根據(jù)膜的斷面形態(tài)，固體膜可分了對稱膜、不對稱膜和復(fù)合膜 ? 根據(jù)膜的功能可分為離子交換膜、滲析膜、超過濾膜、反滲透膜、滲透氣化膜和氣體滲透膜等。根據(jù)膜對水的親和性可分為親水膜和疏水膜；根據(jù)是否帶電荷可分為荷電膜和非荷電膜 ? 根據(jù)固體膜的形狀，可分為平板膜、管式膜、中空纖維膜、核孔膜（核徑跡蝕刻膜） 根據(jù)膜的材質(zhì)分類 固態(tài)膜 液態(tài)膜 致密膜 多孔膜 微孔膜 大孔膜 從來源上分類 人工合成膜 天然膜 無機(jī)材料膜 有機(jī)高分子膜 按膜的功能分類 離子交換膜 滲析膜 超過濾膜 反滲透膜 滲透汽化膜 …… .. 按膜的形狀分類 平板膜 管式膜 中空纖維膜 核孔膜 …… 膜分離： 電滲析 ? 滲析是指用膜把一個容器分成兩部分，膜的一側(cè)是水溶液，另一側(cè)是純水，小分子溶質(zhì)通過膜向純水側(cè)移動，同時，純水也可能通過膜向溶液側(cè)移動的過程。滲析有時也稱為透析。（膜的兩側(cè)是濃度不同的溶液時，溶質(zhì)從高濃度的一側(cè)透過膜向低濃度一側(cè)擴(kuò)散的過程。 ? 如果僅僅有水透過膜，而溶質(zhì)不透過，則稱為滲透）。 ? 電滲析是在直流電場的作用下，溶液中的帶電離子選擇性地透過離子交換膜的過程。電滲析的典型應(yīng)用是在水的純化上。 壓緊板 墊板 電極 墊圈 導(dǎo)水極水板 陽膜 淡水隔板框 陰膜 濃水隔板框 電滲析裝置 電滲析作用示意圖 離子交換膜的選擇性透過機(jī)理 ? 雙電層理論：以陽膜為例，膜中的活性基團(tuán)電離之后，帶有負(fù)電荷，與電解質(zhì)溶液中相反電荷的離子形成雙電層，此時固定基團(tuán)構(gòu)成足夠強(qiáng)烈的負(fù)電場，使膜外溶液中的帶正電荷的離子容易被吸引入膜的孔隙中透過陽膜，而帶負(fù)電荷的離子受到排斥不能透過陽膜。如果膜中的活性基團(tuán)很少或膜外溶液濃度很大，則擴(kuò)散雙電層的厚度變薄，從而會降低膜的選擇性。 ? Donnan膜平衡理論： 離子交換膜的選擇性透過機(jī)理 電滲析過程是以電位差作推動力的。不論在陽離子交換膜（簡稱陽膜）、陰離子交換膜 (簡稱陰膜 )或溶液中，電流密度是一致的。在膜內(nèi)和在電解質(zhì)溶液中同樣依 靠陰陽離子的遷移來導(dǎo)電。但由于離子交換膜對離子具有選擇透過性 ,陽離子在陽膜中具有最大的遷移數(shù) (在溶液導(dǎo)電過程中，該種離子所分擔(dān)的份額），在溶液中 次之，在陰膜中最?。魂庪x子則相反。以陽離子透過陽膜為例，由電場引起的離子遷移通量在膜內(nèi)比在溶液中大。因此在膜前借濃差擴(kuò)散來補(bǔ)足送往膜面的離子通 量，這樣便出現(xiàn)了離子的低濃區(qū)。在膜后借濃差擴(kuò)散來分擔(dān)送往液體主流的離子通量 ,因而出現(xiàn)了離子的高濃區(qū) ,總的情況是淡化室兩測的膜面出現(xiàn)溶質(zhì)的低濃區(qū)， 在濃縮室兩側(cè)膜面出現(xiàn)溶質(zhì)的高濃區(qū)）。低濃區(qū)導(dǎo)致膜面電阻的增大，嚴(yán)重時發(fā)生水的電離，不僅降低了電流效率，而且酸度變化還會引起其他不良影響；高濃區(qū)則導(dǎo)致沉淀析出，堵塞膜內(nèi)通道。 降低濃差極化以減少其不良影響的對策是：①合理的設(shè)計和操作 ,強(qiáng)化液體的湍動 ,以減小邊界層厚度；②限制操作壓力或電流，以免出現(xiàn)嚴(yán)重的極化現(xiàn)象。 電滲析過程中的極化和結(jié)垢 電滲析過程中的極化和結(jié)垢 電滲析時，當(dāng)操作電流密度達(dá)到某一值時，除鹽室 (淡室 )膜液界面層附近的離子會迅速通過膜 (因離子在膜內(nèi)的遷移數(shù)大 )到濃室去，而溶液中的相應(yīng)離子來不及擴(kuò)散補(bǔ)充到界面 (因離子在溶液中的遷移數(shù)小 )，這樣造成了除鹽室膜液界面層離子的枯竭，離子的濃度達(dá)到了零，即到了所謂的臨界狀態(tài) .我們稱達(dá)到了臨界狀態(tài)時的電流密度為極限電流密度 .當(dāng)操作電流密度超過了極限電流密度時，水分子將劈裂 (即解離 )成兩半，即 H+和 OH離子而參與電流的傳送，這現(xiàn)象稱為極化 .電滲析過程的這種極化現(xiàn)象與電化學(xué)的電極濃差擴(kuò)散極化相類似，因此可稱為電滲析時離子交換膜的濃差極化 . 電滲析過程中的極化和結(jié)垢 電滲析過程中的極化和結(jié)垢 ? 陰膜發(fā)生極化后的三個癥狀 ：（ 1）設(shè)備電阻大大增加，電流降低，水道堵塞，出水水質(zhì)下降；（ 2）濃水室水的 pH增加（呈堿性），淡水室一側(cè)水的 pH減?。ǔ仕嵝裕?；（ 3）部分電能消耗在與脫鹽無關(guān)的 OH的遷移上，電流效率下降 電滲析過程中的極化和結(jié)垢 ? 防止及消除沉淀及結(jié)垢的方法主要有 ：（ 1）加強(qiáng)原預(yù)處理，除去原水中的懸浮固體、某些膠體物質(zhì)、有機(jī)雜質(zhì)，降低硬度；（ 2）工作電流要在極限電流以下運(yùn)行；（ 3）定時倒換電極，使?jié)?、淡水室相?yīng)地倒換，從而使沉淀溶解脫落；（ 4）定期酸洗；（ 5）向濃水和極水中加酸；（ 6）原水中加鈣、鎂離子的掩蔽劑；（ 7）采用脈沖電流可以減少沉淀；（ 8）采用新型膜或新型隔板結(jié)構(gòu)等 電滲析的應(yīng)用 （ 1）水的純化； （ 2）用海水、鹽泉鹵水制鹽； （ 3）醫(yī)藥、食品工業(yè)中的應(yīng)用（除鹽、除酸、鹽變酸）； （ 4）廢水處理； （ 5）離子膜電解（如電解食鹽制氫氧化鈉） 電滲析的應(yīng)用 電滲析的應(yīng)用
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