[发明专利]一种提高电渗析效率的聚电场膜电渗析方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于电渗析技术领域，尤其涉及一种提高电渗析效率的聚电场膜电 渗析方法及装置。

背景技术

电渗析法(electrodialysis，ED)广泛应用于化工、轻工、冶金、造纸、海 水淡化、环境保护等领域；近年来更推广应用于氨基酸、蛋白质、血清等生物 制品的提纯和研究。其主要利用外加直流电场使溶液中阴、阳离子移动产生电 流，阳离子交换膜(阳膜)和阴离子交换膜(阴膜)分别选择性透过正、负离 子，实现溶质与溶液的分离。电渗析过程中，外加电场希望通过提高直流电场 加快离子向对应膜迁移速度，但当电场增加到一定程度时，使大量水分子电离 极化生成H⁺、OH^-离子，水中离解出的OH^-离子透过阴膜，使阴膜浓水室一侧的 pH值上升，同时H⁺离子在阳膜浓水室一侧的膜面上富集。当水中Ca²⁺和Mg²⁺存在时，在阴膜上产生极化结垢附于膜表面，增加膜电阻，导致产生额外的电 能消耗，甚至减少膜的有效面积，缩短膜的正常使用寿命。因此电渗析过程存 在速度与外加电场的能耗最优选择问题，一般来说电渗析过程的最优能耗对应 最佳电流密度(单位面积上的电流大小)即极限电流密度。目前，常规降低能 耗的主要措施包括：①将操作电流控制在极限电流以下，避免极化结垢后需要 的定期倒换电极或酸洗。②尽快排出极室的结垢和气体，研制并采用选择性好 和电解质扩散值小的离子交换膜改进隔板网材料和结构形式。③在动力消耗合 理的情况下，适当减薄隔板厚度，改善溶液的力学条件。④浓、淡室的压力应 保持均衡；重视原水溶液的预处理；防止设备漏电等等。另外还有将原水溶液 预热，因为随着温度的升高，水电阻会减小，这样可以降低操作电压，大大降 低电能消耗。从原理上看，电渗析器的耗电量由电渗析器的外加电场(本体直 流)耗电量与克服水经过电渗析器时损失的耗电量之和，根据欧姆定律，可将 电渗析器的工作电压分解为以下几个部分：U＝E_DJ+E_MO+IR_JC+IR_MO+IR_SH(1)式中E_DJ为电极反应所需的电压；E_MO为克服膜电位所需的电压；I为电渗 析器的工作电流；R_JC为接触电阻；R_MO为膜电阻；R_SH为水电阻。一般工作电 压U需要近百伏，而E_DJ一般仅为几伏。由于膜两侧浓度不同产生的膜电位与 外加电压相反，每对膜电位E_MO约为零点几伏。克服电阻所需要的电压消耗， 即IR_JC、IR_MO与IR_SH之和约占总电压消耗的60～70％。因此上述常规降低能耗方 法的主要原理是希望改善膜的性能，通过降低接触电阻、膜电阻和水电阻等造 成的电压从而减小电能消耗。但是当膜的性能提高后，希望通过高电压直流电 源供电的电渗析装置提高渗析速度时，电极电压E_DJ增大，电极反应的电能消耗 就会相应提高。而对于低电压直流电源供电的电渗析装置来说，如何加快离子 向对应膜迁移提高渗析速度也是值得重视的问题。

总之，在外加直流电源一定时，如何通过提高渗析速度来提高渗析效率是 所有电渗析装置都必须要考虑的问题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用聚电场提高电渗析效率的膜电渗析方法及 装置，旨在提供通过改变电极的形状和位置从而增大膜处的电场强度，提高渗 析效率的电渗析方法。

本发明是这样实现的，一种利用聚电场提高电渗析效率的膜电渗析方法， 不改变电极电压，增大膜处的电场强度从而提高膜的带电量的，使电场的电力 线截面减小，相应膜的面积可以依次减小，节约了膜用量；加大膜周围的电力 线的密度，提高了电场强度，提高了膜的选择性和通透性，从而提高了处理水 的效率(处理标准和速度)；该利用聚电场提高电渗析效率的膜电渗析方法包 括：

首先以中心铁电极为中心、将圆桶形铁电极和膜套装成共轴圆桶，形成非 匀强聚电场；

在确定膜桶的高度和直径、圆桶外壁距铁电极内壁之间距离的情况下，根 据圆桶形铁电极表面积/膜桶表面积≥10；由此得到聚电场膜电渗析装置的内部几 何结构。