双极膜：一种复合膜，一侧是阳膜，另一侧是阴膜。在直流电场下
膜内的水分子发生离解生成H+和OH-离子。
6.1.3 离子交换膜的主要性能
• 物理性能
– 机械强度、表观尺寸
• 化学性能
– IEC（交换容量） – 含水量 – 膜的扩散性能 – 耐酸、碱氧化性能
• 电化学性能
– 膜电阻 – 膜电位 – 迁移数 – 选择透过性 – 水的电渗透
膜中毒：
•多价金属离子与阳离子交换膜的固定离子基团结合牢固而不易交换下来， 使离子膜的交换容量逐渐下降，电阻上升，离子选择性也相应下降。
6. 2 电渗析
6.2.1 原理及功能
浓co缩nc液entrate 淡化液diluate
C
-
a阳n极ode
-
---
+
--
+ -- +
---
electrode
rinse极so水lution
• 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：
Ji
VCi
Di
d ci dx
ZiCi
F Di RT
d
dx
6.1.5 膜中毒与膜污染
膜污染:
•无机盐沉淀于膜的表面上 •有机酸解离成较大的阴离子附着于膜的表面 •胶体粒子、合成洗涤剂附着于膜的表面 •导致膜电阻增加，对膜的选择性有影响但不显著。
6.3.2.3 电解还原
铀酰离子还原示意图
6.3.2.3 电解还原
内电解还原Fe3+示意图
6.3.2.3 电解还原
6. 4 双极膜电渗析
6.4.1 概 述
• 双极膜是由阴膜层与阳膜层构 成的复合膜，在电场作用下： 复合膜层间的水解离出的H＋离 子和OH－离子分别通过阳膜和 阴膜层。双极膜好像一对能提 供H＋离子与OH－离子的电极。
EDR 防止膜面结垢原理
EDR工艺流程
EDR处理苦咸水制备饮用水
特殊电渗析—— EDI
➢电去离子技术（ EDI, Electrodeionization）是近年来发展的技术，又称填充 床电渗析。
➢EDI技术是在普通电渗析的基础上发展起来的，广泛地应用于纯水和超纯 水的制备。
➢EDI装置是一种在电渗析器淡室隔板中装填阴、阳树脂的新型水处理装置。
3600 Nw Nw
电渗析过程的各种指标
• 脱盐率:
f cdi cdo 100 % cdi
• 电流效率:
＝ 26.8（ cdi cdo )
NI
• 能耗:
W直
UI
Q
10 3 (KWh / m3 )
W动
W泵 Q
(KWh
/
m3 )
电渗析的工业应用
传统电渗析的工业应用
工业应用
膜堆和工艺设计
局限性
– 电渗析: 电极反应是形成一个电场，与分离体系关系不大。一对 电极之间是一个膜堆。
• 膜电解的膜：一般均为均相膜
6.3.2 离子膜电解的不同应用方式及其基本原理
➢ 离子膜电解过程应用领域
– 将盐劈裂为酸和碱 – 氧化与还原 – 无试剂加入调pH – 从废液中回收酸碱
6.3.2.1 离子膜电解生产酸与碱
阳离子膜
H2W12O406-
阴极 H2
+
Na+
Na+
-
H+ WO42-
OH-
Na2WO4
H2O
膜电解法制取偏钨酸钠原理
阳极液pH值随电解时间的变化
12Na2WO4 + 16H+ Na6(H2W12O40) + 10Na++ 8H2O
6.3.2.1 离子膜电解生产酸与碱
H2SO4
NH4OH
阳极 O2
同时改变浓、淡水系统流向，使浓、淡水室同时互换。 – 频繁倒极电渗析，简称为EDR。
极限电流的影响因素 •溶液浓度
•溶液浓度高，极限电流大。
•扩散边界层厚度
•扩散边界层厚度小，极限电流大。
•溶液温度
•温度高，极限电流大。
•溶液体系
•溶液中离子组成不同极限电流值不同。
6.2.3 电渗析器
图 2 板框式电渗析膜堆
单台电渗析运行方式
单台电渗析器运行方式
(a) 一次通过式；(b)循环式；(c) 部分循环式；
多台电渗析串联运行方式
电渗析过程的各种指标
• 流速与流量
淡液室的流量为：
qd 10 3 ws
L/s
膜堆总流量为：
Q 3.6Nqd
m3/h
淡液室的液流速度为： 106Q 278Q
cm/s
6.2.2 电渗析过程中的浓差极化
阴膜
Cl（-）
（+） 提高电流 离子枯竭 极限电流 水离解
图 1 离子通过阴膜的传输
极化
• 浓差极化产生的危害
– 产生结垢使电阻增加，膜使用寿命下降。
– 在阴膜淡水室一侧留下H+，溶液呈酸性也影响膜寿命。
– 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。
– 异相膜 – 半均相膜 – 均相膜
-NH3+、 -RNH2+、 -R2NH+、-R3N+
6.1.2 特殊性能离子交换膜
扩散渗析膜：用于酸与盐及碱与盐的扩散渗析分离。
国产DF201膜
一价离子选择性透过膜：
允许一价离子而不允许二价及高价离子通过膜。
全氟羧酸－磺酸复合膜：用于氯碱电解取代石棉隔膜。
基材：全氟离子交换树脂， 磺酸基团－SO3H和羧酸基团－COOH
成本
膜生物堵塞
膜污染，产品 损失 膜污染
电渗析预脱盐制备锅炉用水
洗涤槽
电渗析-离子交换处理电镀洗水工艺流程
电渗析处理电镀洗水工业装置（浓缩酸）
缓冲槽
电渗析不锈钢酸洗废水工艺流程
电渗析处理不锈钢酸洗废水工业装置
海水浓缩制盐工艺流程
海水浓缩制盐工业装置
特殊电渗析—— EDR
• EDR是Electrodialysis Reversal 的缩写，它是美国Ionics 公司首 先开发的，15-30min自动倒换电极极性并同时自动改变浓、 淡水水流流向的电渗析 。
+ +
c阴at极hode -
electrode
rinse极s水olution
图 1 电渗析原理
➢ 电渗析主要用于脱盐淡化和浓缩
主要过程：
– 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。
伴随过程：
– 浓差扩散 – 同名离子迁移 – 水的迁移：浓差迁移、电渗透、压差迁移
– 在朝阳极的阴膜面上生成的初始沉淀晶体，在没有进一步生长之前， 便被溶解或被液流冲走，不能形成运动障碍；
– 由于电极极性频繁倒转，水中带电胶体或菌胶团的运动方向频繁倒转， 减轻了粘性物质在膜面上的附着和积累；
– 可以避免或减少向浓水流中加酸或防垢剂等化学药品；
– 在运行过程中，阳极室产生的酸可以自身清洗电极，克服阴极面上的 沉淀。
图 2 无回路隔板
图 2 有回路隔板
• 电渗析器安装：
– “级”是指电极对的数目，一对电极称为一级； – “段”是指水流方向，每改变一次水流方向称为一
段。 – 多段电渗析增加脱盐率。 – 多级电渗析产量高。
电渗析器不同流向的组装形式
(a) 一级一段；(b)二级一段并联；(c) 一级二段串联；(d) 二级二段串联
关键问题
苦咸水淡化
层流，弯曲通道膜堆， 反极性
原料液浓度和成本
结垢，成本
锅炉给水生产
层流，弯曲通道膜堆， 倒极
产水品质和成本
成本
工艺废水处理 层流膜堆，单向
膜性能和成本
膜污染
超纯水生产 食品脱盐 食盐生产
层流，弯曲通道膜堆， 倒极
产水品质和成本
层流或弯曲通道膜堆， 单向
膜选择性和成本
层流膜堆， 单向
20
I
II
III
15
current density [mA/cm 2]
10
5
ilim
0
0
0.5
1
1.5
2
voltage drop [V]
图 2 电流密度与电压降的关系
• 极化的防止及结垢消除方法
– 控制操作电流密度要小于极限电流密度。 – 提高溶液湍流程度，减小扩散边界层厚度。 – 定期用稀盐酸或稀醋酸进行洗涤。 – 倒极电渗析，即在运行过程中每隔2～8hr之间倒换一次电极，
离子膜电解食盐制碱原理
6.3.2.1 离子膜电解生产酸与碱
Na2WO4
NaOH
阳极 O2
阳离子膜
阴极 H2
Na+ +
OHWO42-
Na+
-
OH-
Na2WO4 + NaOH
H2O
膜电解法回收钨矿碱浸中的游离碱原理
64.3..22.1方离法子原膜电理解生产酸与碱
Na6H2W12O40
NaOH
阳极 O2
开发状态 工业试验 工业应用或工业试验 工业试验 工业应用 工业应用 理论上可能
电渗析技术在湿法冶金过程中的应用
-以偏钨酸铵制取为例
双极膜电渗析制取偏钨酸铵
• 偏钨酸铵(AMT),一种钨的同多酸铵盐 • 分子式为(NH4)6(H2W12O40)·3H2O • 特点：在水中的溶解度高 • AMT主要用于制备钨系石油加氢催化剂 • 制备方法：
高分子骨架， 固定基团 可交换离子（反离子）
6.1.1 离子膜分类
按电荷分: • 阳离子交换膜：
– 活性基团：