[發明專利]一種提高電滲析效率的聚電場膜電滲析方法及裝置

在審

• 申請號: 201610005617.1
• 申請日: 2016-01-05
• 公開（公告）號: CN105642122A
• 公開（公告）日: 2016-06-08
• 發明（設計）人: 皮大能;齊海兵;鄢自華
• 申請（專利權）人: 皮大能;齊海兵;鄢自華
• 主分類號: B01D61/54
• 分類號: B01D61/54;B01D61/46
• 代理公司: 北京國坤專利代理事務所(普通合伙) 11491
• 代理人: 姜彥

技術領域

本發明屬于電滲析技術領域，尤其涉及一種提高電滲析效率的聚電場膜電 滲析方法及裝置。

背景技術

電滲析法(electrodialysis，ED)廣泛應用于化工、輕工、冶金、造紙、海 水淡化、環境保護等領域；近年來更推廣應用于氨基酸、蛋白質、血清等生物 制品的提純和研究。其主要利用外加直流電場使溶液中陰、陽離子移動產生電 流，陽離子交換膜(陽膜)和陰離子交換膜(陰膜)分別選擇性透過正、負離 子，實現溶質與溶液的分離。電滲析過程中，外加電場希望通過提高直流電場 加快離子向對應膜遷移速度，但當電場增加到一定程度時，使大量水分子電離 極化生成H⁺、OH^-離子，水中離解出的OH^-離子透過陰膜，使陰膜濃水室一側的 pH值上升，同時H⁺離子在陽膜濃水室一側的膜面上富集。當水中Ca²⁺和Mg²⁺存在時，在陰膜上產生極化結垢附于膜表面，增加膜電阻，導致產生額外的電 能消耗，甚至減少膜的有效面積，縮短膜的正常使用壽命。因此電滲析過程存 在速度與外加電場的能耗最優選擇問題，一般來說電滲析過程的最優能耗對應 最佳電流密度(單位面積上的電流大小)即極限電流密度。目前，常規降低能 耗的主要措施包括：①將操作電流控制在極限電流以下，避免極化結垢后需要 的定期倒換電極或酸洗。②盡快排出極室的結垢和氣體，研制并采用選擇性好 和電解質擴散值小的離子交換膜改進隔板網材料和結構形式。③在動力消耗合 理的情況下，適當減薄隔板厚度，改善溶液的力學條件。④濃、淡室的壓力應 保持均衡；重視原水溶液的預處理；防止設備漏電等等。另外還有將原水溶液 預熱，因為隨著溫度的升高，水電阻會減小，這樣可以降低操作電壓，大大降 低電能消耗。從原理上看，電滲析器的耗電量由電滲析器的外加電場(本體直 流)耗電量與克服水經過電滲析器時損失的耗電量之和，根據歐姆定律，可將 電滲析器的工作電壓分解為以下幾個部分：U＝E_DJ+E_MO+IR_JC+IR_MO+IR_SH(1)式中E_DJ為電極反應所需的電壓；E_MO為克服膜電位所需的電壓；I為電滲 析器的工作電流；R_JC為接觸電阻；R_MO為膜電阻；R_SH為水電阻。一般工作電 壓U需要近百伏，而E_DJ一般僅為幾伏。由于膜兩側濃度不同產生的膜電位與 外加電壓相反，每對膜電位E_MO約為零點幾伏。克服電阻所需要的電壓消耗， 即IR_JC、IR_MO與IR_SH之和約占總電壓消耗的60～70％。因此上述常規降低能耗方 法的主要原理是希望改善膜的性能，通過降低接觸電阻、膜電阻和水電阻等造 成的電壓從而減小電能消耗。但是當膜的性能提高后，希望通過高電壓直流電 源供電的電滲析裝置提高滲析速度時，電極電壓E_DJ增大，電極反應的電能消耗 就會相應提高。而對于低電壓直流電源供電的電滲析裝置來說，如何加快離子 向對應膜遷移提高滲析速度也是值得重視的問題。

總之，在外加直流電源一定時，如何通過提高滲析速度來提高滲析效率是 所有電滲析裝置都必須要考慮的問題之一。

發明內容

本發明的目的在于提供一種利用聚電場提高電滲析效率的膜電滲析方法及 裝置，旨在提供通過改變電極的形狀和位置從而增大膜處的電場強度，提高滲 析效率的電滲析方法。

本發明是這樣實現的，一種利用聚電場提高電滲析效率的膜電滲析方法， 不改變電極電壓，增大膜處的電場強度從而提高膜的帶電量的，使電場的電力 線截面減小，相應膜的面積可以依次減小，節約了膜用量；加大膜周圍的電力 線的密度，提高了電場強度，提高了膜的選擇性和通透性，從而提高了處理水 的效率(處理標準和速度)；該利用聚電場提高電滲析效率的膜電滲析方法包 括：

首先以中心鐵電極為中心、將圓桶形鐵電極和膜套裝成共軸圓桶，形成非 勻強聚電場；

在確定膜桶的高度和直徑、圓桶外壁距鐵電極內壁之間距離的情況下，根 據圓桶形鐵電極表面積/膜桶表面積≥10；由此得到聚電場膜電滲析裝置的內部幾 何結構。