第七章 电膜过程精选文档.ppt
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1、第七章 电膜过程本讲稿第一页,共五十三页内容简介v离子交换膜的定义及分类v离子交换膜的制备简介v电渗析原理v特殊电渗析(EDR、EDI)v离子膜电解v双极膜及其水解离本讲稿第二页,共五十三页离子交换膜定义n 离子交换膜是膜状的离子交换树脂。它包括三个基本组成部分:高分子骨架高分子骨架,固定基团固定基团及基团上的可移动离子。可移动离子。带固定基团的聚合物主体反离子,这里为阳离子同离子,这里为阴离子电解质溶液阳离子交换膜本讲稿第三页,共五十三页离子膜分类按电荷分n阳离子交换膜:活性基团:磺酸基(-SO3H)磷酸基(-PO3H2)羧酸基(-COOH)砷酸基(AsO32-)等;n阴离子交换膜:活性基团
2、:伯、仲、叔、季胺基和芳胺基-NH3+、-RNH2+、-R2NH+、-R3N+、n双极膜 按膜结构划分 n均相膜n半均相膜n异相膜本讲稿第四页,共五十三页非均相离子交换膜的制备树脂树脂干燥干燥磨粉磨粉混炼混炼拉片拉片加加 网网 热热压压配料配料过筛过筛本讲稿第五页,共五十三页半均相离子交换膜的制备n半均相离子交换膜主要用含浸膜。有两条路线,一是用粒状粘结剂浸吸单体进行聚合,制成含粘结剂的热塑性离子交换树脂,再按异相膜那样制备相应的膜(不需要磨粉);二是用粉状粘结剂浸吸单体、增塑剂等,然后涂在网布上进行热压聚合再功能基化(糊状法)。本讲稿第六页,共五十三页均相离子交换膜的制备 n(1)单体的聚合
3、或缩聚,其中至少有一个单体必须含有可引入阴离子或阳离子交换基团的结构;n(2)在预先制备的基膜中引入功能基团n(3)聚合物先功能基化,然后溶解流涎(浇铸)成膜 本讲稿第七页,共五十三页单体的聚合 本讲稿第八页,共五十三页单体的缩聚 本讲稿第九页,共五十三页n溶液浇铸法制备离子交换膜 本讲稿第十页,共五十三页离子交换膜的主要性能表征离子交换膜的主要性能表征 n物理性能物理性能n化学性能:化学性能:IEC(交换容量)(交换容量)每克干膜(氢型)或湿膜(氢型)与外界溶液中相每克干膜(氢型)或湿膜(氢型)与外界溶液中相应离子进行等量交换的毫摩尔数值应离子进行等量交换的毫摩尔数值mmol/g 含水量含水
4、量 指干态膜在水中溶胀后增加的重量,以百分数表指干态膜在水中溶胀后增加的重量,以百分数表示。示。本讲稿第十一页,共五十三页n电化学性能电化学性能 膜电阻膜电阻 可以用面电阻表示(可以用面电阻表示()。它的高低对能耗影)。它的高低对能耗影响很大响很大 膜电位膜电位由由于于离离子子的的选选择择性性迁迁移移而而形形成成一一浓浓差差电电位位,膜膜电电位位不不是是平平衡衡电电位位,而而是是由由于于通通过过膜膜的的离离子子的的流流动动而而产产生生的的电电位。位。-+0.2mol/lKCl-+0.1mol/lKCl0.2mol/lKCl0.1mol/lKClK+Cl-阳膜阴膜本讲稿第十二页,共五十三页膜内迁
5、移数膜内迁移数 某种离子在膜内独立迁移电量与全部离子在膜内迁移总电某种离子在膜内独立迁移电量与全部离子在膜内迁移总电量的比值量的比值 测膜电位的方法可求迁移数。假设电解质是测膜电位的方法可求迁移数。假设电解质是11型,因型,因 本讲稿第十三页,共五十三页膜电阻测定DDS-11A电导仪数字万用表Ag-AgCl电极Ag-AgCl电极膜样品本讲稿第十四页,共五十三页膜电位、迁移数测定膜样品V本讲稿第十五页,共五十三页离子交换膜的选择透过性n膜中孔隙:具有“筛分作用”n基膜上带固定电荷的活性基团:产生道南排斥作用,只让反离子通过,不让同离子通过。n选择透过性(P):本讲稿第十六页,共五十三页扩散系数测
6、定扩散系数测定扩散系数扩散系数:在没有电场作用时,在浓差作用下,盐可以透过膜的能力.本讲稿第十七页,共五十三页 实用离子交换膜的主要性能要求 nu 膜对离子的选择性高;nu膜的导电性能好,电阻低,nu适宜的交换容量,nu较小的盐扩散系数和水的渗透通量;nu 具有良好的物化稳定性。nu 膜的外观平整,厚度均匀,没有针孔 本讲稿第十八页,共五十三页离子交换膜的传质理论n道南平衡理论n基本传质方程:由对流传质、扩散传质、电迁移传质三部份组成,总传质速率为:本讲稿第十九页,共五十三页电驱动膜过程电渗析n电渗析过程能耗低,无污染,水回收率高,装置寿命长.n主要用于脱盐淡化和浓缩本讲稿第二十页,共五十三页
7、 电渗析原理123456料液浓缩液脱盐液本讲稿第二十一页,共五十三页主要过程主要过程:在电埸力作用下,料液中阳离子透过阳膜进在电埸力作用下,料液中阳离子透过阳膜进入浓室,阴离子透过阴膜进入浓室。其结果入浓室,阴离子透过阴膜进入浓室。其结果是浓室水盐浓度升高是浓室水盐浓度升高,淡室水中盐浓度降低淡室水中盐浓度降低伴随过程:伴随过程:n同名离子迁移同名离子迁移n浓差扩散浓差扩散n水的迁移:浓差迁移、电渗透、压差迁水的迁移:浓差迁移、电渗透、压差迁 移移本讲稿第二十二页,共五十三页电渗析过程中的浓差极化n离子枯竭n极化n极限电流()(+)阴膜Cl-本讲稿第二十三页,共五十三页极化产生的危害n产生结垢
8、使电阻增加,膜使用寿命下降。n在阴膜淡水室一侧留下H+,溶液呈酸性也影响膜寿命。n总的结果是离子迁移减少,脱盐率下降,水质下降,电流效率下降。本讲稿第二十四页,共五十三页极化的防止及结垢消除方法极化的防止及结垢消除方法n控制操作电流密度要小于极限电流密度。n提高溶液湍流程度,减小扩散边界层厚度。n定期用稀盐酸或稀醋酸进行洗涤。n倒极电渗析,即在运行过程中每隔28hr之间倒换一次电极,同时改变浓、淡水系统流向,使浓、淡水室同时互换。n频繁倒极电渗析,简称为EDR。本讲稿第二十五页,共五十三页极限电流的测定极限电流的测定 n伏安曲线法。将两片铂片插在膜堆内约20对膜的左右边,铂片上的铂丝导线伸出膜
9、堆外,并连接在电压电流表组成的测量回路中。测定时保持溶液温度、浓度及浓、淡水流速恒定。改变输入电流,测出膜堆电压,用膜对数除之则得出膜对电压。n以膜对电压为纵坐标,电流密度为横坐标作图,得I-V曲线。开始时电压与相应的电流值成线性关系,当超过某一电压值后则出现拐点,即直线的斜率发生了变化。这个拐点所对应的电流密度即为极限电流密度。本讲稿第二十六页,共五十三页电渗析器的结构1、4.离子交换膜;2、5.隔板;3.隔板网本讲稿第二十七页,共五十三页本讲稿第二十八页,共五十三页本讲稿第二十九页,共五十三页电渗析操作模式 n电渗析器的组合方式有串联、并联及串并联相结合几种方式,常用术语“级”和“段”来表
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