水的其它除盐方法
抖化学 / 2022-11-29
水的其它除盐方法：除去水中溶解盐类的方法可分为物理除盐和化学除盐两大类，上节对化学除盐(即离子交换法除盐)略有所述，本节就主要的物理除盐方法作一简介。
(一)燕馏法
加热水使之汽化,盐类则留在未蒸发的水中，将蒸汽冷凝后可得无盐水，俗称燕馏水。
工业上常常不是直接用燃料燃烧来加热汽化水，而是利用另股族汽(称为一次蒸汽)在一个称做蒸发器的热交换器中将水加热蒸发，得到的蒸汽(称二次蒸汽)在凝结器中冷凝成水。若有工业皮燃可以利用，这是一个制取无盐水较好的办法。
(二)电渗析法
电渗析法是近30年来发展起来的一项新技术。除用于化工过程(如浓缩、提纯、分离、回收等)外，也已用于海水淡化、苦咸水处理、工业废水净化及水的除盐等方面。
电渗析原理如图2-24所示。
盐类在水中以离子状态存在。水中作为杂质的阴、阳离子，在电场作用下，分别向阳、阴两极移动，在阴阳两极之间布置了若干对离子交换膜。阳膜只允许阳离子通过，阴模只允许阴离子通过，因此在两极加上电压后，水中所有的金属离子(阳离子)向阴极移动，所有的酸根离子(阴离子)向阳极移动。金属离子在移动过程中能渗透过阳膜，而不能通过阴膜;酸根离子在移动过程中能渗透过阴膜，而不能通过阳模。这样移动的结果，造成了淡水区及浓水区，把淡水汇总引出，得到除盐水。
这种方法的除盐效果单级可达85~90%，二级可达9%。目!前该法存在的问题是设备费用较大，交换膜产量较少，隔板较难做，耗电量也大，浓水难以利用。但对于含盐量很高的水(如海水)，用此法除盐比离子交换处理较为经济。目前电渗析法用于制取纯水时，主要放在离子交换除盐(通常为混合床)装置之前，作为预处理。它可将原水含盐量降至50mg·L-左右，从而可以提高混合床离子交换器的生产能力，节省再生剂用量，延长费协周期。
1,离子交换膜
具有选怀透过性的离子交换膜，是电渗析器的关键部件，其性能好坏，直接影响到除盐效果和能量消耗。
离子交换膜是由离子交换树脂做成的薄膜，可把它看成是一种高聚电解质。树脂上的可交换活性基团在水中电离成电荷符号不同的两部分一一离子化的活性基团和可交换离子。可交换离子.进入馆液中，离子化的活性基团仍在膜上。对阳膜来说，带正电.荷的川交换离子进入溶液，使阳膜本身带负电荷，产生了静电场，在外加直流电场作用下，溶液中运动着的阳离子将受到阳膜的吸引而透过，阴离子则受到阳膜电场的排斥作用而不能透过。对阴膜来说，则与之相反，阴离子能透过而阳离子不能透过。把离了交换膜的这种性质称为选择透过性。电渗析法除盐就是利用，达个特性。
水处理用的离子交换膜，要求具有较好的离子选择透过性，且在外界条件(电流密度、水流速、盐浓度、温度等)变化时仍能保持这种选择透过性;膜的电阻应小于溶液的电阻(膜的电阻.太大会陈低电渗析效率)多膜对被处理的各种物质以及对电极反应的生成物(C12、O2、H2等)都应有足够的化学稳定性等。
按离子交换膜制造工艺分类，有均相膜和异相膜两种。单纯山离子交换树脂做成的膜称为均相膜---即膜的各部分具有相同的性质。制造这种膜时，是将多孔性的物质(如聚乙烯薄膜、纸等)在高分子聚合物溶液中浸渍，然后再分别嵌接上能离解出阴，阳离子的活性基团。均相膜中交换基团分布均匀，整个膜具有均句一致的化学结构，但制造较复杂，机械强度小。另一种异相膜，是将离子交换树脂磨碎成粉，再与高分子粘合剂(如聚苯乙烯，聚乙烯醇等)调匀后，涂在合成纤维布上经压轧等处理后制成的。其膜的化学结构不均匀，性能比不上均相膜，但制造容易，供应量大，价格较低，机械强度大，用在给水除盐时其化学性能可满足基本要求，所以目前采用得较多。
2.电极反应和电极材料
由电渗析原理可知，在电渗析过程中，必须有电流不断地通.过水溶液。这就会在两极上产生氧化还原反应(即电解反应)。
阴极反应: H++e- →½H2↑
阳极反应: 40H- -4e- →O2↑+ 2H2O
2C1- - 2e- →C12↑
这时电极材料应为惰性金属或导电的非金属，否则电极将参与反应而被溶解。用作电极材料的有:铅、外层镀铂的钛铁合金，石墨等。铅的电极电势较小，腐蚀较快，但当水中含有较多SO4²-时，则电极反应生成的Pb2和水中的SO4²-会生成PbSO4沉淀附着在电极上形成一层保护膜，保护电极不再进一步被腐蚀(若水中SO4²-含量不足时亦可在阳极室加5%Na2SO4)。石墨加工复杂而且笨重，镀铂的钛铁合金价钱又贵，因此我国目前都使用铅作包极材料。
3.极化和沉淀
电渗析过程中，在阴、阳离子交换膜表面附近会发生一种称为浓差极化的现象，如图2-25所示。 设在阳膜附近，水中的阳离子是A+，阴离子是B-，A+能透过膜自右至左，B-不能透过，这就造成了膜的右侧为淡水区，左侧为浓水区，c2>c1(C1、c2为膜两侧AB日盐的浓度)。δ1、δ2分别为膜右左两侧表面水流边界层厚度(印膜表而滞流层)。在δ1中，A+的迁移速度大于溶液中A+的迁移速度，即在右侧，(淡水区) c1'<c1；而在左侧(浓水区)则国B-不能通过膜，要从δ2层 内迁移出来，但速度较慢，从而使C2'>C2'，因此，随着电渗析过程的进行，在膜的两侧以及标侧的溶液和膜界面之间都产生浓度差。
当谈水室中c1'→0时，这时的工作电流密度称为极限电流密度。当上作电流密度大于极限电流密度时，在δ1中就会产生水在电场作川下的离解。生成的H+和A+将一起透过膜，这就是浓繁极化。此时电流效率将下降(因一部分电能消耗在水的电离及。H+的迁移上)。不难推测，工作电流密度越大于极限电流密度，则电流效冰越低。
另一方面，由于c2 '>C2,所以左侧(浓水区)膜的附近将积果起很高的盐浓度。当某些盐类的离子浓度超过其溶解度时就要发生盐的沉淀，这叫沉淀结垢(在阴膜主要为CaSO4、Mg(OH)2等，在阳膜主要为Fe(OH)2沉淀)。它的存在将减少离子交换膜的有效使用面积，增加膜电阻，加大电能消耗及降低膜的使用寿命。为了消除沉淀的产生，积极的方法是尽量减少极化的产生，工你电流密度应低于极限电流密度，水的分布要均匀，水力学特性哭好，即要处于湍流状态。另外可采取一些措施防止沉淀生成，如:在水中加入六偏磷酸钠、羧甲基纤维素等药物(稳定。剂):定期酸洗溶去已产生的沉淀(用1%左右HC1);定期倒换电极，即运行一定时间后把阳极改为阴极，阴极改为阳极，由于电场方向改变。极化方向随之改变，这可使已生成的沉淀消除;也可对原水进行预处理(软化)，先除去Ca2+、Mg2+等。
常将电渗析与其它水处理技术组合起来，让各个水处理方法:的特色得倒充分发挥，这对提高产水质量，降低运行费用是很有致的。如某些地区水的硬度较大，为了避免电渗析器沉淀结垢，只好在较低的电流密度下运行，但这将影响脱盐效率，此时可在电渗析器前加一磺化煤交换器。由于磺化煤价格便宜，可先用它来除去水中Ca2+，Mg2+以减轻电渗析器的负担。
电渗析法直接用于制取纯水和高纯水还不太经济，其原因是水的纯度提高时，水的导电串降低，若继续增加电压，又会使水电离，消耗过多的能量，而水质却提高得很少。因此常把它串联在混合床离子交换之前。目前有种新方法，叫做填充床式电渗
析法，它是将电渗析法与离子交换法结合起来，见图2-26。它将离子交换树脂填充在电渗析器淡水区，巧妙地集中了电渗析和离子交换两种方法的优点。利用电渗析过程中的极化现象对离子交换树脂进行电化学再生，克服了电渗析过程中极化现象的害处并省去了离子交换树脂的化学再生处理。填充在淡水室内的强酸性和强碱性的混合树脂，在直流电作用下同时会产生三个过程。首先阴阳离子交换树脂分别和溶液中的正、负离子进行交换，例如. A+与B-分别交换到树脂上;其次 是混合树脂上的A+及B-解吸下来分别通过阳膜及阴膜而进入浓水室;再次是极化作用促进水的电离，电离出的H+和OH-分别被阳树脂和阴树脂吸附而使阳、阴树脂分别得到再生。由于膜与树脂紧密接触，A+和B-得以很快地通过膜界面而消失，从而减少浓差极化，使电流效率上升。
用电渗析法制取淡水的技术已较成熟，但目前设备的使用温度限于40℃以下。如能提高些温度，例如在80℃进行则由于温度高后能使溶液的粘度下降，扩散速度和导电性都增加，就可以在较高的电流密度下运行，降低运行费用。高温电渗析是目前有开拓前景的方向之一，关键是改进离子交换膜及渗析设备的各个郭件，以克服高温所产生的一些问题。
(三)反渗透法
反渗透是20世纪60年代迅速发展起来的一^种水处理工艺。目前它已川在海水淡化、城市供水、汽轮机冷却水、工业废水处理等方面。反渗透是自然现象渗透的逆过程。
此去在一个容器中用一层半透膜(溶剂分子能通过，而溶质分子不能通过的膜称为半透膜)把容器分隔成两部分。一边注水，一边注盐常液，并使两边液位相等(图2-27) 。过去会儿，发现盐溶液的液位比水的液位高△h。这说明有水分子通过半透膜进入盐常液中, .这叫渗透现象。渗透达到平衡时半透膜两方的液压差称为该盐溶液的渗透压力。反过来，在盐溶液的一侧加一大于协透压的压力，就能使盐溶液中的水分子迁移到水一侧去。因为塘与酒透方向相反，故称为反渗透。利用这一原理制备纯水的方法称为反渗透法。
反渗透法能否得到实际应用的关键是半透膜的质量。目前可实用的渗透膜(半透膜)有非对称性的醋酸纤维素膜(C A膜)和芳香族聚酰胺纤维膜两种。
醋酸纤维素是没有强烈氢键的无定形链状高分子化合物。已成型的膜外观为乳白色，半透明，有一定的韧性，具有不对称的结构(见图2-28)。表层(与空气接触层)结构致密，孔隙很小，通称为表皮层或致密层，厚约1~10μm, 孔隙直径0.8~2nm。下层结构疏松，孔隙较大，通称为多孔层或支撑层，其厚度约占膜厚度的99%，孔隙直径约在0.1~0.4um。表皮层与多孔层并无截然分开的界限，其间还存在着孔隙直径为20nm的过渡层。
关于反渗透膜的透过机理，曾进行过不少研究，特别对醋配纤维素膜的研究更多。迄今已有-些理论解释，但还不够完善。其中有一种“氢键机理”认为:水透过膜是因水分子和膜的活化点(极性基团如羟基和酰基)形成氢键和断开氢键所致。即在一
定压力作用下，盐水中的水分子和膜表皮层的活化点缔合，原活化点上的结合水解离出来，解离出来的水分子继续和下一个活化点缔合，又解离出下一个结合水。这样，水分子通过一连串的结合-解离过程(即氢键形成-断开过程)，依次从一个活化点转移到下一个活化点，直至离开表面层，进入膜的多孔层。由于膜的多孔层含大量的毛细管水，水分子便能畅通无阻地通过。整个膜是被水充分溶胀了的(不用时也保持在水中)，但在表皮层水分较少。表皮层所含的水称为一级结合水(依靠氢键保持很紧的
水)，一级结合水没有溶剂化作用:故盐分不能溶解，从而也不能能过膜。
另一种为“选择性吸附土毛细管流”机理，它认为膜是由含有适当的京水化学活性基团的多孔材料组成，在盐溶液中其表面有选择性的吸附能力一吸附水分 子而排斥盐分子。这样，在膜溶液界面上:将形成-一个纯水层，当外界施加压力时，此水层中的
纯水就不断通过毛细管而渗出。
在运行过程中，由于水(溶剂)不断地透过膜，而水中所含的悬浮物、微生物、细菌及某些难溶性盐等杂质易在膜表面结一层薄期，这将影响膜的透水性能及增加操作压力，也会影响膜的使用寿命，因而有必要对进水进行--些预处理如过滤、石灰沉淀处理或在水中加入一些化学药品(如柠檬酸、酒石酸)来防止铁盐、根酸款体结垢。用HC1调节水的pH值(4~6.5)或加入如六偏磷酸盐等稳定剂(或络合剂)也可防止碳酸盐析出。水中的微生物自射膜造成污染，可在水中加氯来防止，但要考虑膜的耐氯性能，如另香族聚酰胺膜其耐氯性能较差。水中含氯也会影响膜的保度，透水性及溶质的透过性等。预处理的深度与膜的组成、结构以及设备等均有关系，要根据具体情况而定。
在运行过程中，膜的污染是难免的，因而必须定期清洗。常用的物理方法有冲洗法(淡水)，气-水喷射法、海棉球擦洗法(适用手管状设备)多常用的化学方法是用化学药剂配制成- -定精度的馆液来冲洗，如用柠檬酸(1~2%)或柠檬酸铵溶液(1.5w,6goL.-1)
并用HC1将水的pH值调至4~5, (溶液在系统内循环冲院的5h。对于由油脂和蛋白质等有机物所生成的污染物，可用香有酶的洗涤剂在30~35°C下进行冲洗。
关于反渗透装置的形式，已实现工业化的有四种:板框式、管式，螺旋卷式和中空纤维式。它们各有优缺点。板框式是较早应用的一种装置,它由一定数量的多孔隔板组成，在板的里外两面粘贴着反渗透膜。被处理水在大于该水渗透压的外压作用下沿
着膜间的间隙流过(见图2-29)，透过膜的淡水在隔板内汇集并引出。对于含固体颗粒量高的水，如食品工业、制药工业中常用管式装置。把膜镶在管的内壁，欲处理的水在管内流动，透过膜的水通过管壁上的水孔流出后汇集称内压管式。如把膜装在管的外壁，透过水通过管壁水孔在管内汇流称外压管式。此种装置采用高速流动，故进水流动状态好、易安装，清洗及拆换方便。
在海水淡化方面，目前以中空纤维式及螺旋卷式为主。卷式装置示意图，如图2-30所示。将多层不同作用的材料依次迭合，卷成筒状，再用固定带扎紧。使用时将它装在耐腐蚀、耐压的钢管内。中空纤维式是把许多中空纤维(如三乙酰胺系纤维膜或芳
香族聚酰胺系纤维膜)捆在一起，外罩聚酯制成的保护网，装于耐腐蚀、耐压管内。当处理水进入管内后，透过水经中空纤维外璧向内壁渗透。再从用粘合剂密封的纤维束开口端汇流引出，浓缩液则由管内另一出口外流出来。此两类装置结构紧凑，单位面积内膜的装载密度大，但易堵塞，清洗困难。表2-5为各种型式凤协透器的性能比较。
反渗透法的应用范围相当广泛，因它能在常温及无相变化的情况下分离水和溶质，所以除了用来制备纯水外，在其它方面应用也较多，如在食品工业中用于天然果汁提取、茶中提取物分离，制糖工业、制药工业(特别是对维生素、抗生素的分离与浓缩)以及废污水的处理等方面，反渗透法的研究与应用工作在近几年中进展甚快。国外把研究反渗透法作为生活污水的一-种深度处理法(经生物处理法后再进一步处理)，共目的是将污水处理后再作为工业用水使用，因而可以更加有效地利用水资源，对缺水
地区显得特别重要。
反渗透法的总除盐效率可达93% , SiO2也能除去80%，国外报导这种方法制纯水很合算，我国也已在研究和应用，并正在迅速发展中。
在工业废水处理中应用反渗透法的主要目的是从废水中回收有价值的成分和使废水再用。如造纸废水经处理后可使出水无色无臭而能重复用于生产;从电镀工业废水中回收各种有价值的重金属盐。这既能节约资源又能防止污染环境。这方面国外的研究报道很多，国内也有不少的研究成果如北京、上海、广州等地用反渗透法回收电镀废水中的镍、铭、镉等，并使处理后的出水达到排放标准。
(四)超滤
超滤、电渗析和反渗透都是近20年来发展起来的分高技术，统称为膜分离法，超滤与反渗透法一样是以压力差为推动力。将欲处理水在-一定压力(1×10°Pa~1×10°Pa) 作用下经过一个可让水和低分子量溶质透过而高分子物质，胶体物质不能透过的
高分子膜，而达到分离的目的。
超滤与反渗透法相比，在操作压力及膜的孔径大小上有所区别而使分离对象有所不同，可见下表。
超滤处理所用的膜材料及装置与反渗透法相似。超滤膜为多孔性膜，因而其分离机理主要是筛分效应，常以截留分子量(指截留率达90%的分子量)来表示膜的孔径特征。膜的孔径大小根据具体要求来制备，其截留分子量可由1000到1×10。
与反渗透法~样，在操作过程中要定期对膜进行清洗。由于设备装置相似故清洗方法也相同。
超滤法没有脱盐能力，但其操作压力低，设备简单，近年来作为纯水制备的终端处理以及在其它如医药工业、食品工业及工业腹污水处理等方面均已加以应用。如用醋酸纤维素超滤膜来浓缩、提取生物酶，使酶的活性提高，效能比用真空浓缩法提高
98.0%。使用超滤透过液来发酵、酿酒可使酒的质量相应提高。目前低葡萄酒生产工艺中因使用此技术后，已明显表现出超滤法的优点，使经济效益提高，故已在同行业中推广应用。
我国在70年代初才开始反渗透和超滤技术的研究，但发展速度快，成就显著，推出了各种新的膜材料以适应各方面应用的需要。从应用范围来看也已很广泛，设备装置也从简单的板式过渡回复杂的卷式及中空纤维式。为了推动海水淡化及水的再生再
用，在1982年底还成立了中日海水淡化与再利用学会来指导这方面的研究工作。
.jpg "渗透与反渗透现象示意图")
闽ICP备15011996号-4
|
闽公网安备35040002000218号
|
