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正文內(nèi)容

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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