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电渗析膜污染与清洗技术研究发展分析

发布时间: 2021-03-31 | 浏览数: 223
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电渗析( electrodialysis,简称ED) 是以溶液中的离子选择性地透过离子交流膜为特征的一种新兴的高效膜别离技术。它是由阴、阳离子交流膜、电极和夹紧安装三局部组成。在外加电场作用下,水中离子在溶液中停止定向挪动,借助于离子交流膜的选择透过性(即阳膜具有选择透过阳离子而阻挠阴离子经过,阴膜具有选择透过阴离子而阻挠阳离子经过),完成溶液的浓缩、淡化和提纯。它是20 世纪50 年代开展起来的一种新技术,最初用于海水淡化,如今普遍用于化工、轻工、冶金、造纸、医药工业,尤以制备纯水和在环境维护中最受注重,例如用于酸碱回收、电镀废液处置以及从工业废水中回收有用物质等。

电渗析工程的长期运转中发现,离子交流膜的污染问题成为限制电渗析技术更普遍应用的一个瓶颈。因而,电渗析膜污染的成因和污染的防治,及电渗析膜的清洗办法研讨惹起了注重。

1、电渗析原理

在外加直流电场作用下,应用离子交流膜的透过性,使水中的阴、阳离子作定向迁移,从而到达水中的离子与水别离的一种物理化学过程。

原理是:在阴极与阳极之间,放置着若干交替排列的阳膜与阴膜,让水经过两膜及两膜与两极之间所构成的隔室,在两端电极接通直流电源后,水中阴、阳离子分别向阳极、阴极方向迁移,由于阳膜、阴膜的选择透过性,就构成了交替排列的离子浓度减少的淡室和离子浓度增加的浓室。与此同时,在两电极上也发作着氧化复原反响,即电极反响,其结果是使阴极室因溶液呈碱性而结垢,阳极室因溶液呈酸性而腐蚀。因而,在电渗析过程中,电能的耗费主要用来克制电流经过溶液、膜时所遭到的阻力及电极反响。

2、电渗析膜污染

电渗析安装在运转一段时间之后,就会呈现离子交流膜的外表或内部被梗塞,惹起膜电阻增大,致使隔室水流阻力升高,从而影响交流容量和脱盐率。

这种现象称为膜污染。在脱盐过程中会不可防止地有垢物和污染物产生,按其成因,可分为如下4类。

(1)电极反响产生的垢物。主要堆积于电极上和极室,可能的垢物Ca(OH)2和CaSO4等。

(2)极化招致膜上构成的垢物。极化使膜的浓水侧及内部构成Mg(OH)2、MgCO3和CaSO4沉淀。实践运转中,由于倒极操作,膜的两侧及其内部均可能有上述沉淀构成。

(3)在浓水室因过饱和构成的垢物。在阴、阳膜浓水一侧,由于膜面处离子浓度大大超越溶液中离子浓度,容易形成阴、阳膜浓水侧因过饱和构成沉淀。沉淀品种随处置水质而定,可能的沉淀普通状况为CaCO3、MgCO3和CaSO4。

(4)污染物。污染根本上是一种外表现象。由于大多数自然水中含有腐殖酸盐、木质素、藻朊盐、烷基苯磺酸酯、硅酸盐和微生物等,因而容易在阴膜外表上构成一个污染层。此外,水中的其他游离悬浊物也可在阴、阳膜上构成污染。膜上构成的垢物和污染物惹起膜电阻增大,隔室水流阻力升高,毁坏膜构造,影响交流容量和脱盐率,使电耗增大,到达一定水平时安装不能正常运转。电极反响产生的沉淀积聚到一定水平逐步梗塞水流通道。堆积在膜上到达一定水平之后安装不能正常运转。

2. 1 膜污染的影响要素

2. 1. 1 膜性质

电渗析过程中的膜污染水平及其污染机理与膜的电化学性质及物理性质有关,例如膜的电阻、亲水性、离子交流容量和Z 电位。关于亲疏水性的膜,普通而言,膜的别离体系均为水相体系,亲水性的膜外表与水构成氢键,使之处于有序构造,疏水溶质若要接近膜外表,必需突破这种有序构造,显然不易停止,所以膜外表不易被污染;而疏水膜外表上的水无氢键作用,疏水溶质接近膜外表是个增熵自发过程,所以膜容易被污染。关于荷电性,离子交流膜带有可离解基团,在水中能够离解出带有电荷的反离子,而在基膜上则留下固定基团,它与溶液中带电荷的大分子物质互相作用,膜面容易吸附大分子物质而被污染。此外,膜面润滑则不容易被污染。

2. 1. 2 处置液的成分

膜污染主要是由于处置液中的污染物堆积于膜外表惹起的,从而恶化了膜性能,惹起离子迁移量降落和电阻的增加。其影响成分主要包括处置液中的有机物如腐殖酸、外表活性剂、蛋白质等;处置液中的微生物污染;处置液中存在的一些钙镁离子、碳酸盐等污染。这些物质的累积招致膜电阻增加,脱盐率和电流效率降落,电耗增加。

2. 1. 3 操作条件的控制

在电渗析过程中,很容易发作的极化现象会使膜外表产生沉淀,膜电阻明显增大,电流效率、脱盐率也随之降落,产水量降低,并且缩短电渗析器的运用寿命。因而,要严厉控制操作电流密度,使整个电渗析过程控制在低于极限电流密度下运转。此外,处置液的流量、温度对极限电流密度也有影响,因而在操作电渗析过程中,要综合思索选择适合的操作条件。

2. 2 电渗析膜污染的防治

2. 2. 1 垢物和污染物的避免

避免垢物和污染物的构成目前有以下几种办法。

1)避免阴极沉淀生成的办法:

(1)在电渗析器运转期间向极水中加酸,使极水的pH控制在2~3;

(2)在电渗析器运转期间定期倒换电极极性;

(3)在电极和膜堆之间加维护框,以减缓阴极沉淀对膜堆的侵袭。

2)避免极化及浓水室过饱和沉淀的办法:

(1)严厉控制操作电流密度,使整个电渗析过程控制在低于极限电流密度下运转;

(2)采取有效易行的办法强化传质过程,进步安装的极限电流密度;

(3)浓水系统中加酸,使pH为3. 4~3. 5,但应思索各部件耐酸问题;

(4)在浓水系统中加荫蔽剂,将Ca²+、Mg²+ 荫蔽起来,避免其沉淀;

(5)选择并采用特殊的离子交流膜,除去原水中Ca²+ ,防止硫酸钙沉淀。

2. 2. 2 避免污染的办法

工业消费中,膜的稳定状态是维持电渗析安装正常消费的一个必要条件。为了缓解污染,延长膜的运用寿命,能够经过控制膜污染速率的办法来控制。

避免电渗析中膜污染的办法主要有:

(1)采用电凝聚、精细过滤、活性炭过滤等办法,控制进入电渗析器的原水中胶体和有机物的含量;

(2)恰当加厚电渗析器隔板厚度,并向隔室内导入空气泡,借助空气泡的搅拌和清洗作用,将污染物质冲出隔室,避免其在膜面上堆积;

(3)预软化进入电渗析器的处置液;

(4)用zui优化脉冲电替代直流电;

(5)在待处置溶液中参加水溶性聚合物,使其与污染物(腐殖酸盐) 分离到电中性,进而到达缓解离子交流膜污染的效果。

此外,增强对电渗析处置液的预处置,经过预过滤、离心别离、调理溶液pH,参加絮凝剂或是对处置液停止紫外映照降低膜的污染水平;优化电渗析安装操作过程中的工艺参数,如降低电流密度、进步膜面流速等;经过膜面修饰进步膜的抗污染才能,对避免电渗析中膜污染都有协助。

3、电渗析膜清洗技术

电渗析的膜污染防治措施只能在一定水平缓解污染的加深,但随着安装的长期运转,沉淀就会越积越多,以至变成水垢。水垢和污染物到达一定水平时,会严重影响电渗析安装的正常运转。此时,需对垢物和污染物停止清洗。清洗办法主要有下列两种。

3. 1 拆槽清洗

普通要将电渗析安装拆开,从中取出膜、隔板、电极等停止机械洗刷和酸洗。拆槽清洗十分费事,既费时间又有可能形成膜的机械损伤,所以普通主张不拆槽化学清洗。但是,关于某些垢物,特别是硫酸钙和污染物含量较高时,清洗效果较差,不得不采取拆槽清洗。

3. 2 不拆槽化学清洗

不拆槽化学清洗通常用质量分数为1% ~ 2%盐酸循环清洗,洗至酸度不再降落为止,普通要洗(0. 5~1)h。盐酸能够溶解酸溶性物质,而且可以除去局部有机物和使水垢变得疏松,便于冲去硫酸钙和污染物。

由于污染物多种多样,所以膜的清洗是一个复杂的操作过程,需依据污染膜上堆积物的特性,选择zui经济和zui有效的清洗剂和清洗计划。清洗剂的选择还和膜资料的性质有关。选择清洗计划应思索以下要素:清洗设备的请求、膜的类型和清洗剂的相容性、系统的构造资料、污染物的审定、对运用过的清洗液的排放条件及由此形成的影响。

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