电渗析实验

电渗析实验（共7篇）

电渗析实验 篇1

膜分离技术是去除水中溶解物质的重要方法之一。膜分离法具有一般温度下可操作﹑没有相的变化﹑设备可工厂化生产﹑容易操作等优点。电渗析是其中的一种。它是在直流电场的作用下, 利用阴﹑阳离子交换膜对溶液中阴﹑阳离子的选择透过性 (阳膜只允许阳离子通过而把阴离子截留下来;阴膜只允许阴离子通过而把阳离子截留下来) , 而使溶液中溶质与水分离的一种物理化学过程。

电渗析主要用于水的淡化﹑除盐。海水和苦咸水 (盐度小于10g/) 的淡化是电渗析最主要的用途。它也可作为离子交换法制取纯水的预处理, 使离子交换柱的生产能力提高, 延长交换周期, 节省再生剂的用量, 操作简便。电渗析也用于废水中离子杂质的分离和回收。

电渗析过程是膜体上活性基团所吸附的离子在直流电场作用下通过相互接触的活性基团或它们之间的溶液不停地定向传递迁移, 直到透过膜体进入浓室为止。因为电极间的电阻一定, 当电极两端所加的电压越大, 通过溶液的电流就越大, 在单位时间内就有更多的阴阳离子通过离子交换膜。淡室的出水中离子含量就越少, 浓室的出水中离子含量就越多。可通过对自来水脱盐处理, 用电导率仪或盐度计测定进水﹑出水 (极室水﹑浓室水﹑淡室水) 离子浓度变化来研究。

1方法与材料

1.1 材料。

自来水。

1.2 仪器。

电渗析器, 盐度计, 电导率仪。本电渗析实验装置由电源整流器﹑进水调节部分和交换膜组件部分构成。电源整流器将220V交流电转换成直流电, 输出电压根据要求在0～50V范围内调整。水量调节器由压力表和流量计构成, 压力表主要指示电渗析器进水压力, 一般不要超过2kg/cm2, 否则将影响电渗析器的正常工作。交换膜组件部分采用钛电极作为正﹑负电极, 用40对交换膜 (一张阳膜和一张阴膜为一对) 分多段串联, 以提高脱盐效率。出水管有三根, 一根为极水管 (始终不变) , 一根为浓水管, 一根为淡水管, 这三根出水管的出水性质随直流电源的极性改变而改变。

1.3 方法。

通电前先取30ml左右自来水测电导率和盐度。打开进水阀门, 进水稳定后, 打开整流开关和A相极性开关, 电源指示灯亮, 调节输出电压为40V。调节进水阀门至压力为2.8kg/cm2, 流量为0.5L/h, 稳定一段时间后, 分别取其淡室出水﹑浓室出水和极室出水各适量测定盐度和电导率。再将输出电压分别调节至30V﹑20V, 稳定一段时间后, 同样分别取其淡室出水﹑浓室出水和极室出水各适量测定盐度和电导率。当以上实验完成后, 将输出电压调至0, 打开B极性开关, 此时直流电源控制器的输出极性与刚才相反, 电渗析反应器中的离子迁移方向也随之相反;原来的淡室出水变为浓室出水, 浓室出水变为淡室出水。调节输出电压分别为20V﹑30V﹑40V, 稳定一段时间后, 分别取其淡室出水﹑浓室出水和极室出水各适量测定盐度和电导率。

2结果与分析

2.1 不同电压对各室出水盐度的影响

实验结果表明 (图1和图2) :在不同的电压下, 极室出水的盐度在A相和B相时都和原水的盐度差不多;浓室出水的盐度在A相和B相几乎都比原水的盐度大很多, 但没有呈现出与电压的正或负相关性。淡室出水的盐度在A相和B相几乎都比原水的盐度小很多, 但也没有呈现出与电压的正或负相关性。

2.2 不同电压对各室出水电导变化率的影响

实验结果表明 (图3和图4) :除了在B相﹑电压为20V时, 极室出水的电导率和原水的电导率相差很多外, 在其它情况下, 在不同的电压下, 极室出水的电导率在A相和B相时都和原水的电导率差不多;在不同的电压下, 浓室出水的电导率在A相和B相时都比原水的电导率大很多, 但没有呈现出与电压的正或负相关性;在不同的电压下, 淡室出水的电导率在A相和B相时都比原水的电导率小很多, 淡室出水的电导变化率在A相时呈现出与电压正相关, 在B相时呈现出与电压负相关。

3结论与讨论

按理电极间的电阻一定, 当电极两端所加的电压越大, 通过溶液的电流就越大, 在单位时间内就有更多的阴阳离子通过离子交换膜;淡室的出水中离子含量就越少, 离子浓度与电压呈负相关;浓室的出水中离子含量就越多, 离子浓度与电压呈正相关。结果只有在B相时的淡水出水的电导变化率符合上述推理。可能是每次电压改变后, 开始取样时间的差异以及取样过程中取样时间的长短导致了有时阴﹑阳离子通过离子交换膜的速率还没有达到该电压下应有的速率。至于在A相时, 电导变化率 (见图3) 出现:40V电压下的浓室出水电导变化率下降, 淡室出水电导变化率上升, 可能是因为电渗析仪刚打开 (起始时电压先调为40V, 然后30V﹑20V) , 稳定时间还不够长。

摘要：因为电极间的电阻一定, 当电极两端所加的电压越大, 通过溶液的电流就越大, 在单位时间内就有更多的阴阳离子通过离子交换膜。淡室的出水中离子含量就越少, 浓室的出水中离子含量就越多。可通过对自来水脱盐处理, 用电导率仪或盐度计测定进水﹑出水 (极室水﹑浓室水﹑淡室水) 离子浓度变化来研究。

关键词：电压,出水离子浓度,电渗析实验

参考文献

[1]蒋展鹏主编.环境工程学[M].北京:高等教育出版社, 2005, 6, 154-158.

渗析实验装置创新研究 篇2

本人根据该装置进行多次演示实验发现有如下缺点:

1. 用淀粉胶体和氯化钠溶液装入半透膜并制作成半透膜袋,此过程操作复杂。

2. 将半透膜袋悬挂在横跨烧杯(先装入一定量的蒸馏水备用)的玻璃棒上,此操作费时又费力。

总的来说就是操作不简易、费时又费力。

为了避开以上缺点,本人在实验器具上做了改进和创新,设计并制作出了一种简易的渗析分离实验器。

一、 简易渗析分离实验器的整体结构图(图2 见下页)

二、简易渗析分离实验器的说明

1. 实验器结构:在普通烧杯直径所在面上加入一块多孔的面ABCD,且紧靠边AD、边DC和边CB位置处分别有2mm宽的方槽AlDl、DlCl和ClBl,三槽相互连通(简称方槽AlBlClDl,见图3),方槽功能在于用来嵌置半透膜。

2. 制作工艺:实验器(图2)中面ABCD(带有多孔)、方槽AlBlClDl、烧杯四周及底部均采用玻璃材料一体化烧制而成。

3. 实验器的半透膜选择与安装

(1)半透膜材料的选择与剪裁

咱们可以采用的半透膜有动物材料(嗉囊、肠衣、鱼鳔、鸡蛋的卵膜、动物的膀胱等)、植物材料(海带、阔叶植物的叶片、洋葱表皮等)、化工材料(玻璃纸等),现将相关半透膜材料的各种参数做如下对比:

根据上表中材料性能、材料的面积与厚度和膜的制备等参数,选择海带作为本实验的半透膜材料是最合理的。

将已浸泡的海带(厚度稍小于2mm,面积合适)用剪刀剪裁成面积和ABCD的面积相同的备用材料。

(2)安装半透膜:将剪裁好的海带嵌置在方槽里,在这儿特别要说明的是面ABCD(带有多孔)和烧杯四周及底部采用玻璃材料一体化烧制而成的目的是为了保证半透膜嵌置在方槽里绝对牢固。

4. 用途:该实验器用于渗析分离实验

三、简易渗析分离实验器的使用方法

1. 实验步骤

将40m L淀粉胶体和20m L氯化钠溶液的混合溶液加入自制的简易渗析分离实验器(图2)的左侧空间,5 分钟后在实验器右侧空间出现了溶液,取此溶液少量分别置于两支试管内,向两支试管内分别滴加硝酸银溶液和碘水,观察现象。

2. 实验现象及结论

滴加碘水的试管中溶液颜色不变蓝,说明淀粉胶体的胶粒不能通过半透膜;滴加硝酸银溶液的试管中产生白色沉淀,说明氯离子随着水分子通过了半透膜。

四、创新点

在教材上的渗析分离实验中实验器使用过程太复杂,而本人自制的简易渗析分离实验器使用起来很简易、方便。

参考文献

电渗析技术的研究进展 篇3

电渗析器由隔板、离子交换膜、电极、夹紧装置等主要部件组成。离子交换膜对不同电荷的离子具有选择透过性。阳膜只允许通过阳离子, 阻止阴离子通过, 阴膜只允许通过阴离子, 阻止阳离子通过。在外加直流电场的作用下, 水中离子作定向迁移。由于电渗析器是由多层隔室组成, 故淡室中阴阳离子迁移到相邻的浓室中去, 从而使含盐水淡化。在食品及医药工业, 电渗析可用于从有机溶液中去除电解质离子, 在乳清脱盐、糖类脱盐和氨基酸精制中应用得都比较成功[1]。电渗析作为一种新兴的膜法分离技术, 在天然水淡化, 海水浓缩制盐, 废水处理等[2]方面起着重要的作用, 已成为一种较为成熟的水处理方法。

1 电渗透技术在食品行业中的应用

1.1 在菊糖生产中的应用

菊糖是一种具有保健功能的多糖, 系一族由β- (2, 1) 糖苷键连接的果聚糖分子, 在末端还联有一个葡萄糖残基。它的聚合度从2到60, 跨越了经典低聚糖的定义, 所以也有人把处于低聚糖范围的菊糖叫做菊糖低聚果糖 (inulin fructonoligosaccharide, IFOS) 。菊糖广泛地分布于各种植物中间, 其中菊苣、菊芋和大丽花含有的菊糖量最多 (约占干基的20%) , 具有商业生产菊糖的价值。杨炼等采用电渗析在粗菊糖纯化过程中进行了应用研究, 在电渗析的过程中, 菊糖料液的pH值在恒定一段时间会有所下降, 恒定的时间与电渗析操作电压负相关, pH的下降幅度与操作电压正相关。菊糖料液的灰分含量和粗蛋白都能被电渗析除去, 操作电压越大, 带电杂质下降的速度越快, 在电渗析的初始阶段这些带电杂质的去除速度较快。游离氨基酸由于分子较小, 比短肽更容易除去。菊糖在10V的操作电压情况下, 菊糖没有发生明显的水解, 单、双糖含量仅有轻微增加。菊糖料液在电渗析过程中不断被稀释, 但是菊糖分子并不能穿过离子交换膜, 所以电渗析纯化菊糖有较高的回收率。在10V的电压下, 采用10L/h的流量, 电渗析1h后, 粗菊糖中70%的灰分, 47%的粗蛋白被除去, 总糖仅损失了原来4%。

总之, 电渗析可以作为粗菊糖脱盐和脱蛋白的有效且经济的手段, 能与后续操作, 如超滤处理很好衔接, 能极大减轻下游纯化操作的压力, 在技术上具有可行性[3]。

1.2 在竹笋生产中的应用

传统竹笋加工过程伴随着大量废弃物的产生, 以毛竹笋为例, 可食部分30%左右, 而笋壳约占30%, 笋头40%, 此外, 加工竹笋也会产生大量废弃的笋煮水。竹笋原液 (笋煮水) 中含丰富的甾醇、多糖、氨基酸、维生素、黄酮、皂岱等天然活性成分及盐, 这些盐的存在一方面不利于从原液中分级和提纯出氨基酸等成分, 影响竹笋原液的营养价值[4], 另一方面, 若不经处理就直接排放, 会造成土壤板结, 植物烧伤, 污染水源。另外, 竹笋提取液中还含有镉、铅 (<0.5mg/kg) 、砷 (<0.3mg/L) 等重金属离子, 直接加工成食品方面的产物, 会对人体产生不利的影响[5], 通过脱盐能够有效去除重金属离子, 从而达到国家规定的标准要求。因此, 竹笋原液脱盐研究具有社会和经济效益, 能够实现竹笋加工废弃物的深度转化和综合利用, 开发高附加值的产品, 提高企业经济效益和行业经营水平, 实现传统产业的升级换代。

黄伟等在实验的基础上探讨用离子交换膜电渗析法进行竹笋原液脱盐的可行性及工艺优化。经90min脱盐后, 竹笋原液灰分下降49.10%, 主要元素含量变化:钾下降53.76%, 钠下降75.27%, 钙下降69.80%, 镁下降57.86%, 铁下降66.67%, 铜下降76.98%, 镉下降42.51%, 而一些重金属离子含量普遍较低, 均在国家标准范围内, 如汞和砷均未检出, 故电渗析技术对竹笋原液脱盐效果较好。

竹笋原液脱盐前后的氨基酸含量基本持平:脱盐前氨基酸含量为8.22% (以干基计) , 脱盐后的氨基酸含量为8.37% (以干基计) , 且据氨基酸检测报告知:脱盐前后竹笋原液中氨基酸种类及各种类比例近似相同, 因此电渗析技术对竹笋原液脱盐对其中功能成分—氨基酸的影响较小[6]。

1.3 在酱油生产中的应用

酱油是人们日常生活中应用最为普遍的调味品之一, 一般酱油中食盐含量在16%~18%, 这是由于酱油曲是在开放状态下制成的, 为避免微生物的污染, 需在高食盐浓度下进行, 而且酱油特有的香味只有在此食盐浓度下才能酿成。现代医学已表明, 高钠膳食易导致高血压、肾脏病等疾病发生, 由于普通酱油的含盐量偏高, 为满足人们对低钠膳食的需求, 可以将普通酱油中的盐分脱除成为低盐酱油[7]。

据国外文献报道, 利用电渗析技术对酱油进行脱盐处理, 可以制得低盐酱油并基本保持酱油原有风味, 但要损失一部分作为酱油指标的氨基酸态氮和有机酸等有效成分, 从而将酱油的含盐量降低。但国内尚无这方面的报导, 刘贤杰等采用电渗析技术进行了酱油脱盐的研究。研究结果显示:原酱油食盐含量19.4%, 经电渗析处理后, 酱油含量降至约9%, 食盐以外的有效成分也有一些被除去, 比较明显的是作为酱油品质指标的氨基酸态氮, 有约8%的损失。酱油风味大致不变, 证明了电渗析对酱油的脱盐是切实可行的分离方法[8]。

2 电渗透技术在生化行业中的应用

2.1 在丙二醇生产中的应用

1, 3一丙二醇 (1, 3一propanediol, 简称PDO) 是一种重要的化工原料, 可用于油墨、印染、涂料、物、润滑剂、抗冻剂, 还可用作聚醋和聚氨醋的体, 替代1, 4一丁二醇和新戊二醇等中间体用于产多醇聚酷以及作为碳链延伸剂[9]。

唐宇在小试的基础上对1, 3一丙二醇进行了电渗析脱盐的中试研究, 着重考察了浓淡室流速、浓室初始浓度和膜对电压对电渗析实验的影响, 通过比较脱盐时间、电流效率、能耗等指标, 确定了中试条件下脱盐工艺的最佳操作条件[10]。

2.2 在氨基酸生产中的应用

在氨基酸的生物合成中不可避免地会遇到分离纯化的问题, 溶液脱盐就是其中一个典型的分离过程。在脱盐的诸种技术中, 电渗析因其操作条件温和、无相变、容易放大等优点而具有较强的竞争力。氨基酸是两性物质, 其荷电性与溶液的pH有关。为提高分离效率, 一般均在氨基酸的等电点下进行脱盐[11,12]。赵婧等测定了不同浓度和流速下的盐水和氨基酸盐溶液的极限电流密度, 分析了浓度、流速、氨基酸含量等因素对电渗析极限电流密度的影响, 提出了描述电渗析特性的数学模型。初步研究了应用电渗析对氨基酸盆溶液进行处理时, 流速和电压对脱盆率和氨基酸回收率的影响, 用较低的流速在接近极限电流密度的条件下操作能达到最好的分离效果。赵婧等通过进一步的实验表明, 尽管较高的流量能得到较高的极限电流密度, 但由于溶液的停留时间太短, 仍难以达到好的脱盐效果, 同时原料液也会被严重稀释。通过实验证实, 用较低的流量, 在接近极限电流密度的条件下进行电渗析, 是较理想的操作参数[12]。

赵婧等还进行了电渗析脱盐分离发酵液中氨基酸的研究, 研究着眼于γ—氨基丁酸的脱盐分离这一目标, 依据实际发酵液的组成, 配制了一定浓度的蛋氨酸盐溶液, 考察了溶液流量、浓度对脱盐率及氨基酸回收率的影响, 得出了相应的经验方程。证明了在较高的流量及较低的溶液浓度时, 分离效果最佳。实验表明, 乳酸和葡萄糖的加入均不会给溶液的脱盐率及氨基酸的回收率带来很大的变化。运用电渗析的方法对模拟发酵液进行脱盐处理, 在选定的操作条件下, 模拟发酵液的脱盐率及氨基酸的回收率均>85%, 同时也会去除绝大部分的乳酸和少量的葡萄糖, 从而达到了很好的分离效果[13]。

2.3 在半胱氨酸生产中的应用

N—乙酰—L—半胱氨酸 (以下简称NAC) 的衍生物在生产抗爱滋病、抗癌类药、化妆品等方面的应用极为活跃, 它也是制备许多硫酯、硫醚类药物的重要原料。目前, NAC的合成工艺过程普遍采用沉淀法脱盐, 从而造成脱盐率不高, 产物收率普遍较低, 同时盐的存在也影响了产品的质量。用电渗析方法分离和精制氨基酸, 是20世纪60年代初由三边武郎等首先开始的。周静等采用高性能离子交换膜HF—1和HF—2, 应用电渗析脱盐法, 分离提纯N—乙酰—L—半胱氨酸, 取得了较为满意的效果。脱盐率>15%, 损失率<15%, 为工业化应用提供了依据[14]。

3 电渗透技术在废水处理中的应用

水是人类赖以生存不可或缺的资源, 也是自然生态环境保持良好的重要条件。21世纪对于水资源的需求管理, 不能仅考虑满足人类的用水, 也必须考虑生态环境的永续[15]。

3.1 电渗透技术处理苹果酸废水的研究

随着我国苹果栽种面积的不断扩大和苹果产量的快速增长, 我国的苹果加工业得到了蓬勃发展。脱色脱酸果汁是近年来兴起的苹果汁加工新品种, 它是将经前处理、澄清、超滤后的清汁经脱色树脂吸附、脱酸树脂深度脱色、脱酸处理, 浓缩后得到的无色透明、质地纯净的纯天然果糖产品, 在欧美、国内等市场成为消费的热点, 具有良好的市场前景。在目前的生产工艺中, 脱色脱酸树脂的NaOH再生废液与前处理树脂的酸洗废液中和后直接排放, 这样不仅对环境造成了严重的污染, 制约了我国苹果汁加工行业进入良性的可持续发展轨道, 而且浪费了NaOH再生废液中大量天然的L-苹果酸。同时, 由于原料等条件的限制, 我国现有的苹果浓缩汁多为低酸果汁, 而国际市场上浓缩苹果汁的价格与酸度成正比, 酸度每升高1°, 每吨浓缩苹果汁的价格即可提高100~150美元。如果能将NaOH再生废液中的天然L-苹果酸脱盐回收, 达到苹果浓缩汁的质量标准, 就可以将其直接回兑到苹果浓缩汁中, 提高产品的酸度, 带来巨大的经济效益。叶微微等采用国产离子交换膜研究了采用电渗析法脱盐回收废液中的苹果酸, 及其对苹果酸废液脱盐的工艺条件。将废液pH调至4.0, 工作电流11A下循环脱盐2h, 脱盐率达99%以上, 含Na+11821mg/L的废液脱盐至含Na+42.88mg/L, 其中L-苹果酸损失18.94%, 基本达到分离要求, 表明了电渗析对苹果酸废液的脱盐是切实可行的[16]。

3.2 电渗透技术处理硝酸铵冷凝废水的研究

硝酸铵是基本的化学化工原料和农用氮肥, 广泛应用于农业、国防、化工、医药、纺织、轻工等领域。由于历史的原因, 我国传统的硝酸铵生产装置大多技术装备陈旧, 工艺落后, 环保水平偏低, 在生产过程中产生大量的含氮工业废水。特别是由于硝酸铵生产工艺决定由稀硝酸带入的水分在中和、蒸发及结晶过程中以二次蒸汽的形式排出, 形成的工艺冷凝液中含有硝酸铵和氨, 成为硝酸铵生产的主要污水源。这些冷凝液若直接排放, 会使排放水中氨氮含量严重超标, 造成地表水体的富营养化, 破坏水环境的生态平衡。如直接送回硝酸吸收塔回用又不利于生产安全, 并且还不能全部回收利用。由于缺乏有效的治理措施, 一些厂家采用兑水稀释的办法以实现达标排放, 耗费大量的水资源。目前, 新修订的地方和行业污水排放标准都相继提高了氨、氮标准, 并对污染物的排放限值、水污染物基准排水量和排放浓度都做了相应规定, 硝酸铵冷凝液的治理及回收利用成为硝酸铵生产企业面临的亟待解决的难题。川化股份有限公司采用24台具有特殊专用膜的电渗析单元所组成电渗析装置, 冷凝废水的最大处理量为36t/h, 硝酸铵冷凝废水经电渗析装置循环浓缩、淡化处理后, 浓水中硝酸铵体积百分比含量为20%, 回收率达96%以上, 合格淡水排放水中氨氮质量分数含量≤40mg/L。冷凝废水中氨、硝酸、硝酸铵每年削减或回收的排放量分别为113.54t、362.23t、88.34t, 氨氮排放总量从每年的71.208t减少到10.162t, 减少量为61.046t, 削减85.173%, 不仅达到了减少硝酸铵废水排放量、消除污染的目的, 而且还提高了资源综合利用率, 降低了生产成本, 取得了显著的环保效益和经济效益[17]。

3.3 电渗透技术处理氨氮废水的研究

随着我国社会经济的高速发展, 各种污染物的排放量急剧增加, 对环境尤其是水体造成了严重污染, 资料表明, 氨氮、磷等是地表水的主要污染物。氨氮废水的超标排放是水体富营养化的主要原因之一。目前在工业上应用的脱氨方法主要有生物脱氮法、吹脱法、折点加氯法、离子交换法等[18]。生物脱氮法适用于处理含有机物的低氨氮浓度废水, 该法技术可靠, 处理效果好, 主要应用于含氨化工废水和生活污水的处理。折点加氯法和离子交换法适用于不含有机物的低浓度氨氮的废水处理。对于高浓度无机氨氮废水, 如氮肥厂废水等, 目前工业应用较多采用吹脱法, 但脱氨率仅为70%, 无法达到国家排放标准, 且投资大, 二次污染严重[19]。

唐艳等采用电渗析法处理氨氮废水, 对工艺条件进行了优化研究, 在实验室条件下得到工艺参数。电渗析电压为55V, 进水流量为24L/h, 氨氮废水进水电导率为2920μs/cm, 氨氮浓度为534.59mg/L。出水室浓水和淡水各占19%和81%, 浓水和淡水的电导率分别为14000μs/cm和11.8μs/cm, 氨氮含量分别为2700mg/L和13mg/L。该电渗析装置处理后的氨氮废水达到排放标准, 可以满足回用要求[20]。

4 展望

随着科学发展观的不断深入, 我国经济发展的可持续性需求, 节能减排, 清洁工业的发展等等因素, 膜分离技术正在渗透到所有工业和研究领域, 应用的领域和规模发展也不断加快。尤其是在食品行业、, 生物制品、医药、化工分离等领域中, 也取得了巨大的进展。

随着科学技术的不断发展, 制膜技术的不断改进、制膜成本的不断降低, 新型电渗析设备的制造水平会大大提高, 设备的制造成本会大大地降低, 同时会满足现代化工业越来越高的分离要求, 电渗析技术将会得到快速发展。

总之, 电渗析技术作为工业分离以及废水处理技术, 将会加快工业现代化的进程, 应用前景是十分可观的。

摘要：电渗析技术属于膜分离技术, 广泛应用于食品、化工、废水处理等行业的分离纯化的生产过程中, 有效率高、清洁卫生及经济节能等优点。重点论述了电渗析技术的原理, 介绍了电渗析技术在食品行业生物行业以及在废水处理中的应用研究, 并对其发展前景进行了展望。

电渗析海水淡化有新“膜”法 篇4

傅荣强表示, 海水淡化是解决水资源短缺问题的重要手段, 目前采用最多的是反渗透法。不过, 其核心技术产品反渗透膜由美国、日本等国家生产, 他们对我国实行技术封锁。电渗析法海水淡化早在20世纪60年代就有研究, 但因电耗过高 (生产1吨淡水, 电耗在15~20千瓦时) , 目前国内外仅有少量企业在用。左右电渗析法海水淡化电耗的关键在离子交换膜和隔板。为此, 山东省海洋化工科学研究院研发出了均相离子交换膜, 其电阻仅为此前所用膜的1/10~1/5, 并将隔板厚度从原来的1.5毫米减少到0.5毫米, 膜和隔板的电阻大幅下降, 进而降低了电耗。

傅荣强指出, 将该院开发的成果用于电渗析法海水淡化, 并对工艺进行优化后, 较反渗透法具有明显优势。反渗透法生产1吨水需要4千瓦时电, 均相膜电渗析法仅需2.5千瓦时电, 用膜成本可大幅降低;反渗透法需70个大气压以上的操作压力, 电渗析法仅需要2个大气压的压力;反渗透法的设备及管路需要承受高压、海水腐蚀, 对材质要求高, 出现故障后设备维修困难, 成本较高, 普通的高分子材料即可达到电渗析法使用要求, 而且维修简单易行。

在膜材料的研发方面, 该院走在了全国前列。该项目针对海水淡化应用, 合成了多种单体, 并经一系列聚合反应和功能化反应制备了阴阳离子交换膜。离子交换膜电阻低、选择性高, 并耐有机污染和化学清洗, 各项性能均达到国际同类产品的先进水平, 已被列入国家《新材料产业“十二五”发展规划》和《新材料产业“十二五”重点产品目录》, 并获得国家“863”计划、国家重点新产品、国家火炬计划等项目支持, 是科技部确定的6个重点专项之一。

傅荣强表示, 该院正在与相关企业进行中试实验, 将均相离子交换膜的电渗析海水淡化应用瞄向海岛、舰艇、酒店的淡水需求。该项技术同样可以进行苦咸水淡化, 且电耗优势将更明显。今后, 随着膜及设备生产自动化水平的提高, 其生产成本还有较大的下降空间。

电渗析实验 篇5

1 双极膜电渗析法的概述

1.1 双极膜功能分析

双极膜, 简称BPM, 其主要是有阳膜层与阴膜层复合组成。在部分的双极膜中的两个荷电层之间, 还存在着催化层。当在电场中采取施加电压作业时, 双极膜中间层中的电解质离子向主体溶液中转移, 并当所有的电解质离子转移完毕之后, 电流就需要通过H+与OH-进行负载并完成。同时, 电流在通过双极膜中间过渡区中的水解离获得补充, 消耗的水灰向双极膜中间层扩散而获得补充。因此, 双极膜的过渡区不仅仅可以产生水解离, 并能够利用在醇类中解离, 例如甲醇与乙醇等。

1.2 双极膜电渗析法的特点分析

双极膜电渗析法利用双极膜以及单极膜之间的不同组合方式组成电渗析, 其主要有以下几种特点:第一, 双极膜水解离不会产生气体以及其他的副产品。因此, 此举会降低电压, 并能够使能量得到最大程度上的利用;第二, 在双极膜电渗析法的应用中, 仅需采用一对电极, 较低的占地面积, 降低了投资成本;第三, 在同一双极膜电渗析的膜堆上, 无机盐与有机盐都会通过不同的形式转化成对应的酸以及碱, 因而能够获得较好的经济效益。

2 双极膜电渗析法在处理化工废水中的应用

2.1 无机酸以及碱的生产

采用两隔室膜堆结构简单, 具有较低的电阻, 其产生的氢离子与氢氧根离子之间的结合, 电流效应会受到影响并逐渐降低, 而三隔室膜堆就不会发生类似问题, 其产酸产碱量可以达到6-7mol/L。在化工生产的过程中, 需要利用中和反应, 由此产生的大量含烟废水将会对自然环境造成严重的威胁[1]。双极膜电渗析法在工业废水中的应用, 用于再生回收料液中包含各种杂志, 不是纯度较高的盐分。同时, 再生的目的需要尽可能的利用酸与碱。采用双极膜电渗析膜堆构型就可以对不锈钢废液中的KF以及KNO3进行回收, 可以对人造丝中洗涤流出液中的Na2SO4以及核易燃物后处理过程中所产生的NH4NO3进行回收。同时, 针对于在处理以及生产氟化铀时, 在产生的气体以及液态放射性废物的过程中, 所形成的KF回收也具有较更好的处理效果。

2.2 有机酸的生产

相当一部分的有机酸是利用发酵方式产生, 传统方式主要是沉淀以及酸化, 为能够有效为微生物提供更好的生存环境, 需要采用Ca (OH) 2将p H值保持在中性作用。此种工艺存在很大的缺陷性, 其不仅仅产酸量较低, 摒弃具有较高的经济成本。并且, 此种工艺缺乏环保性, 产生的大量Ca SO4导致严重的资源浪费以及环境污染。采用双极膜电渗析法方式, 水解离能够有效提供H+以及OH-, 分离与浓缩能够同时完成, 对有机钠盐能够有效去除, 并能够提升产量。同时, Na+与OH-之间的结合所形成的Na OH可以对发酵液中的p H值进行有效调节, 并使有机酸根离子与H+结合形成有机酸, 这样也就具有了足够的环保型, 避免了资源的浪费。

2.3 有机碱的生产

国外著名学者Huang C H等利用双极膜电渗析法对烟道气脱硫剂呱嗪采用BP-C-A构型, 当硫酸哌嗪的浓度为0.08-0.13mol/L、Na2S04的浓度为0.3-0.4mol/L时, 可以在获得较高的电流效率的同时, 降低资源利用效率[2]。同时, 当运用较高的电流密度时, 电流效率以及能耗都比较高, 对呱嗪的运行成本可以估算为0.96$/kg。因此, 采用双极膜电渗析法不仅仅具有更高的创新性, 而且能够获得较高的经济效益以及环境效益。另外, 采用双极膜电渗析法能够对链烷醇胺进行有效回收, 根据有关数据显示, 乙醇胺的回收成本为0.48$/kg, 对二甲基乙醇胺的回收成本在0.30$/kg左右, 对二乙醇胺的回收在0.32$/kg左右。

3 结语

通过多种研究资料显示, 采用双极膜电渗析法相对于电解析, 在产碱量、电流效率上均占有较大优势。双极膜电渗析法不仅仅能够在化工废水中进行应用, 其在食品工业以及生物技术中也具有广泛的应用。同时, 随着双极膜成本的不断降低, 双极膜电渗析法会在更多的领域中得到应用。另外, 针对双极膜电渗析法的应用还需要进一步加强研究, 政府部门、科研院所、企业等需要协调配合, 对国产双极膜技术进行攻关, 降低膜成本, 提升膜寿命以及膜堆的使用效率。双极膜电渗析法是一种具有较高绿色环保性质的新型技术, 用于巨大的发展前景, 需要进一步加强研究, 为化工废水的处理提供更多途径。

参考文献

[1]李鑫, 宋玉栋, 周岳溪等.双极膜电渗析法回收丙烯酸丁酯废水中的有机酸[J].化工环保, 2011, 31 (3) :197-201.

电渗析实验 篇6

内蒙古包头市某稀土厂对稀土矿物进行萃取分离产生的稀土钠皂化废水进行综合利用, 处理后的回收液呈酸性, 氯化钠浓度较高, 但硬度小, 氨氮和油的浓度较低, 能达到BMED装置的进水要求。

本工作采用BMED技术处理稀土钠皂化废水回收液, 使回收液中的氯化钠转化为氢氧化钠溶液 (简称碱) 和盐酸 (简称酸) 而回用。研究了不同电流和初始酸碱浓度对膜对电压、电流效率、能耗及回收物浓度的影响。

1 实验部分

1.1 材料和试剂

稀土钠皂化废水回收液:取自内蒙古包头市某稀土厂, 氯化钠质量浓度为118 g/L;阴膜、阳膜和双极膜:杭州蓝然环境技术有限公司, 膜尺寸为200 mm×400 mm;BMED装置:自制, 阳极为钛涂钌电极, 阴极为不锈钢电极。

氢氧化钠、盐酸、氯化钠、硝酸银、铬酸钾:分析纯。

1.2 BMED装置的工作原理

BMED装置的工作原理示意见图1。稀土钠皂化废水回收液从阴膜和阳膜组成的盐室通过, 在直流电场力的作用下, Na+穿过阳膜进入到阳膜与双极膜阴离子交换层构成的碱室, 与来自双极膜界面亲水层由水解离出的OH-结合, 生成氢氧化钠;而Cl-穿过阴膜进入到阴膜与双极膜阳离子交换层构成的酸室, 与来自双极膜界面亲水层由水解离出的H+结合, 生成氯化氢。

1.3 实验方法

BMED工艺流程示意见图2。向废水槽中加入30 L稀土钠皂化废水回收液, 向酸液槽中加入24 L一定初始浓度的盐酸, 向碱液槽中加入24 L一定初始浓度的氢氧化钠溶液, 将极水贮槽中质量分数为1%的氯化钠溶液 (极液) 泵入极水槽中。调节各隔室的进水流量, 盐室进水流量为260 L/h, 酸室和碱室进水流量均为220 L/h, 极室进水流量为120 L/h。待进水流量稳定后打开电源, 缓慢调节电流至恒定。经BMED装置分离后, 氢氧化钠溶液、盐酸和处理后废水分别流入碱液贮槽、酸液贮槽和极水贮槽中。在实验过程中, 每隔30 min记录一次膜对电压, 同时测定氢氧化钠溶液及盐酸的体积和浓度。

1碱液槽;2废水槽;3酸液槽;4极水槽;5流量计;6 BMED装置;7碱液贮槽;8稀液贮槽;9酸液贮槽;10极水贮槽;11极水泵

1.4 分析方法

采用酸碱滴定法测定氢氧化钠溶液和盐酸的浓度[6];采用硝酸银滴定法测定氯化钠溶液的浓度[6];电流和电压通过BMED装置中的电流表和电压表测得。

电流效率 (η, %) 由式 (1) 计算。

式中:c0和ct分别为初始时刻和t时刻氢氧化钠溶液的浓度, mol/L;V为t时刻氢氧化钠溶液的体积, L;n为膜对数量;F为法拉第常数, 96 500 C/mol;I为电流, A;t为反应时间, h。

能耗 (E, W·h/g) 由式 (2) 计算。

式中:U为膜对电压, V;M为氢氧化钠的摩尔质量, 40 g/mol。

2 结果与讨论

2.1 电流和初始酸碱浓度对膜对电压的影响

膜对电压是一个重要参数, 它与产生酸碱的能耗正相关[7,8]。电流和初始酸碱浓度对膜对电压的影响见图3。由图3可见, 在初始酸碱浓度均为0.3 mol/L的条件下, 随电流的增大, 膜对电压升高, 导致E增大, 这是因为膜对可以被看成是一个恒定不变的电阻器, 电流与膜对电压成正比, 故从节能考虑, 电流为16 A更适宜。由图3还可见, 在电流为25 A的条件下, 随初始酸碱浓度的增大, 膜对电压下降, 这是因为当初始酸碱浓度增大时, 酸室溶液和碱室溶液中可导电离子的浓度也增加, 进而整个体系的电导率增加, 使膜对电压下降, 故从节能考虑, 初始酸碱浓度为0.4 mol/L更适宜。

2.2 电流和初始酸碱浓度对回收物浓度的影响

电流和初始酸碱浓度对回收物浓度的影响分别见图4和图5。由图4和图5可见:在初始酸碱浓度均为0.3 mol/L的条件下, 随电流的增大, 回收的酸和碱的浓度也明显增加;当电流为16 A时, 反应150 min, 回收酸的浓度为0.88 mol/L, 回收碱的浓度为1.02 mol/L;当电流为25 A时, 反应150 min, 回收酸的浓度为1.24 mol/L, 回收碱的浓度为1.55mol/L。这是因为, 电流增大时离子的迁移动力加大, 一方面盐室中离子的迁移速率加快, 缩短了离子迁移的时间, 从而降低了浓差扩散引起的酸和碱的损失;另一方面双极膜界面层将有更多的水分子发生解离, 使酸和碱的浓度增大。从回收的酸和碱的浓度考虑, 电流为25 A更适宜。由图4和图5还可看出, 初始酸碱浓度的增加降低了回收的酸和碱的浓度的增加速率, 且回收的碱的浓度高于回收的酸的浓度。这是因为初始酸碱浓度升高时, 由Na+和Cl-浓度差造成的离子推动力变小, 使从盐室迁移到碱室和酸室的Na+和Cl-的数量减少, 且同时渗透压升高使水难以进入双极膜内, 抑制了双极膜界面水的解离, 导致产生的H+和OH-的数量减少。从回收的酸和碱的浓度考虑, 初始酸碱浓度为0.2 mol/L更适宜。

2.3 电流和初始酸碱浓度对电流效率的影响

电流效率表征电渗析过程中电能的利用率, 是电渗析装置的主要技术指标[9]。电流和初始酸碱浓度对电流效率的影响见图6。由图6可见:在初始酸碱浓度均为0.3 mol/L的条件下, 随电流的增大, 电流效率提高;这是因为, 电流增大, 加大了离子的迁移动力, 缩短了离子迁移的时间, 在一定程度上抑制了浓差扩散和水渗透效果[10], 提高了电流效率;但电流的增大使酸室中的酸浓度提高, H+透过阴膜的量增加, 导致电流效率降低。由于前者的作用强于后者, 故电流效率随电流的增大而增大。从电流效率方面考虑, 电流为25 A更适宜。由图6还可见, 在电流为25 A的条件下, 随初始酸碱浓度增大, 电流效率稍有降低, 故初始酸碱浓度均为0.2 mol/L更适宜。

2.4 电流和初始酸碱浓度对能耗的影响

能耗是电渗析装置的一个重要经济指标, 不仅影响处理成本, 还在一定程度上反映了技术操作水平[9]。电流和初始酸碱浓度对能耗的影响见图7。由图7可见, 在初始酸碱浓度均为0.3 mol/L的条件下, 随电流的增大, 能耗提高, 这是因为膜对的电阻恒定不变, 当电流增大时, 体系的温度升高, 更多的能量被电阻消耗用于产热, 故从节能考虑, 电流为16 A更适宜。由图7还可见, 在电流为25 A的条件下, 随初始酸碱浓度的增加, 能耗逐渐降低, 因为初始酸碱浓度增加会使溶液的电导率增加, 从而降低体系的电阻, 膜对电压也降低, 导致能耗降低, 故从节能考虑, 初始酸碱浓度均为0.4mol/L更适宜。

2.5 小结

综合考虑各方面因素并侧重考虑回收的酸和碱的浓度, 本实验适宜的工艺条件为:电流25 A、初始酸碱浓度0.3 mol/L。

3 结论

a) 采用BMED技术处理稀土钠皂化废水回收液, 可将回收液中的氯化钠转化为氢氧化钠溶液和盐酸回用。

b) 随B M E D装置的电流增大, 膜对电压升高, 回收的酸和碱的浓度也明显增加, 电流效率和能耗均提高。当电流为16 A、初始酸碱浓度均为0.3mol/L时反应150 min, 回收酸的浓度为0.88 mol/L, 回收碱的浓度为1.02 mol/L;当电流为25 A、初始酸碱浓度均为0.3 mol/L时, 反应150 min, 回收酸的浓度为1.24 mol/L, 回收碱的浓度为1.55 mol/L。

c) 随初始酸碱浓度的增加, 膜对电压、电流效率和能耗均下降, 回收的酸和碱的浓度逐渐增加。

d) 综合考虑各方面因素并侧重考虑回收的酸和碱的浓度, 本实验适宜的工艺条件为:电流25A、初始酸碱浓度0.3 mol/L。在此条件下反应150min, 回收酸的浓度为1.24 mol/L, 回收碱的浓度为1.55 mol/L。

参考文献

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电渗析实验 篇7

关键词：电渗析,电去离子,离子交换膜,应用

1 电渗析技术的简介

电渗析是在外加直流电场的作用下, 利用离子交换膜的选择透过性, 使离子从一部分水中迁移到另一部分水中的物理化学过程。ED作为一种工业技术, 其真正发展时期是从1950年美国人W·Juda发明了对阴、阳离子分别具有选择透过性能的阴、阳离子交换膜后才开始的。我国的ED技术起步于1958年, 中科院化学研究所研制出了纸质均相阴、阳离子交换膜, 此膜曾用于从自来水ED脱盐制取初级脱盐水。

2 电渗析原理

ED是在直流电场作用下溶液中带电离子通过半透膜的迁移过程, 是一种物质分离方法, 其中离子交换膜和直流电场是ED分离方法不可缺少的两个条件。电渗析主要用于水溶液脱盐或浓缩。ED脱盐原理如图1所示。

图1是由阳、阴膜交替排列在一对阴、阳电极之间构成的电渗析槽, 有10个隔室。将Na Cl溶液分别通入这10个隔室中, 加直流电压。在电场力作用下, 带正电荷的Na+离子和带负电荷的Cl-离子将分别向阴、阳两极移动。因为离子交换膜对离子具有选择透过性, 水中所有的Na+离子向阴极移动时和所有的Cl-离子向阳极移动时, 2, 4, 6, 8, 10室中的Na+离子和Cl-离子分别通过阳膜和阴膜到各自邻室, 从而达到脱盐的目的。因此, 2, 4, 6, 8, 10室称为淡化室或脱盐室, 从淡化室汇总出来的水称为淡水或脱盐水;1, 3, 5, 7, 9室中的Na+和Cl-离子在迁移过程中被阴阳膜阻挡而留在本室中。这样, 它们与来自两边邻室的Na+离子和Cl-离子一道而构成浓缩水, 因此, 1, 3, 5, 7, 9室称为浓缩室, 从浓缩室汇总出来的水称为浓水或浓缩水。

3 电渗析技术的应用

(1) 微咸水和咸水脱盐

ED作为发明最早的脱盐技术, 除了针对膜污染进行研究, 还研制出了倒极电渗析技术。尽管倒极电渗析技术在世界微微咸咸水水和咸水脱盐中还发挥作用 (如大钦岛岛苦苦咸咸水淡化和沧州农村苦咸水淡化) , 但是其所占份额相对较少。另外, ED制备的出水水质较差, 能耗较高, 所以竞争力逐渐减弱;而反渗透虽然能耗低, 出水水质好, 但是其回收率较低, 且浓水易造成二次污染。反渗透-电渗析耦合脱盐突破了回收率的限制, 因为使用ED可以有效的缓解浓差极化、降低反渗透膜-水界面的渗透压以及降低能耗。同时这种耦和技术能耗低, 可有效避免浓水导致的二次污染。Korngold等发现ED可以将0.2%-2%的浓盐水浓缩到12%-20%, 能耗约为1.5-7.1k Wh/m3, 与蒸发浓缩能耗 (25k Wh/m3) 相比低的多。

(2) 回收金属表面处理工艺废水中的重金属

ED可用于回收金属表面处理工艺废水中的重金属镍, 该工艺是由旭硝子公司开发的 (Itoi等, 1986) 。镀镍工艺包括若干步淋洗步骤。在该工艺中, 从第一淋洗段流出的溶液浓度高, 这样, 通常将流出液返回电镀浴并将最后工段的流出液排放掉。为了提高Ni的回收率和降低来自最后淋洗段的废水中Ni含量, 将ED段流程设计为在第一淋洗段中收集Ni离子并将其返回到电镀浴中。

(3) 化工分离

随着市场对产物纯度要求的日益严格, 分离投资和操作费用逐渐增加, 废液处理量和处理费用也随之增加。针对适宜的物系ED技术则可以降低分离投入、提高产率以及减少环境污染。ED在化工操作中可以灵活的集成, 既可以在反应后进行分离, 也可以在反应过程中进行分离。

4 电去离子技术

4.1 电去离子技术简介

电去离子技术也叫填充床电渗析, 英文缩写EDI, 就是在电渗析器的淡水室中装填阴、阳离子交换剂 (包括树脂、纤维或其它形状的离子交换材料) 的一种电渗析技术。

4.2 电去离子技术原理

EDI技术利用离子交换树脂和离子交换膜的特点, 在直流电场作用下实现连续去除离子以及树脂再生。它具有以下优良特性: (1) 保留了ED可以连续脱盐和离子交换树脂可以深度脱盐的优点; (2) 改善浓差极化造成的不良影响; (3) 避免了由于使用酸碱再生离子交换树脂而产生的环境污染。

EDI工作原理如图2所示。

填充材料的选择是EDI的关键技术, 离子交换树脂和离子交换纤维是EDI膜堆主要的填充材料, 具有离子吸附、交换的作用。填充材料应满足交换容量高、交换速度快、水流阻力小、导电能力强、强度高、无溶出物等性能。

离子交换树脂的填充方式主要包括:均匀混合式填充、两层式填充、交错多层式填充和分置式填充。均匀混合式填充是把阴、阳离子交换树脂按一定比例 (通常为体积比) 混合均匀后填充到淡室中。两层式填充是按水流动的方向把阴、阳树脂分上、下两层填充在淡室中。分层式填充是把阴、阳离子交换树脂分别按照一定厚度交错排列成许多层填充在淡室中。分置式填充方式是在阳淡水室 (阳极板和阳膜直构成的隔室) 填充阳离子交换树脂;在阴淡水室 (阴极板和阴膜构成的隔室) 填充阴离子交换树脂, 阳膜阴膜之间构成了浓水室, 原溶液水流首先经过阳室再进入阴室, 产水从阴室流出, 浓室进水通过浓室后直接外排, 此种填充方式先天的缺陷较多, 整体技术不成熟。混合填充、分成填充和分置式填充形式分别如图3、图4和图5所示。

4.3 电去离子技术的应用

(1) 纯水和超纯水的制备

传统的纯水制备方法主要有蒸馏和离子交换, 蒸馏方法能耗高, 效率低;离子交换方法需要消耗大量的酸碱溶液和清洗水, 劳动强度大。EDI过程不仅可以使离子交换树脂进行连续电再生, 同时可减少环境污染, 而且设备结构简单、操作方便、高效节能、劳动强度低、出水纯度高。

(2) 化工产品的纯化与浓缩

Myriam等采用填充纤维织物的EDI装置纯化含P2O5浓度11%的工业磷酸溶液, 处理5h后, 浓缩工业磷酸中P2O5浓度高达58%, 而且除Fe金属离子外, Mg2+、Cr3+、Cd2+、Zn2+等离子的去除率均达到30%, 为更高浓度的工业磷酸分离纯化奠定了坚实的基础。

综上所述, 随着新型离子交换膜及离子交换树脂的开发和利用, 必将促进EDI技术将在更多领域得到广泛应用。如电渗析系统有可能代替氯气, 成为水处理一种新型实用灭菌方法。同时, 该技术在皮肤给药、电渗析排毒仪、海藻中提取碘、络合酮脱盐、电泳涂漆和甲基丙烯聚合等方面也具备了一定的研究基础和应用条件。因此, 电渗析技术的应用前景十分广阔。

参考文献

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