JRHB2711-10型膜组器


该实验型均相膜电渗析置换设备,用于实验验证可行性,为中试或生产收集实验数据,根据数据统计、核算产能,能耗的指标,评价其经济性。
本机均相膜膜堆规格:350mm*15mm ,电极板:210mm*80mm隔板尺寸:100mm*300mm 膜片JRJAM-07\JRJCM-07 低电阻耐酸碱,膜堆配各10组膜,可根据实验需要自行更换膜做实验。
双极膜电渗析说明书
 
一、工作原理
双极膜是一种一面是阳离子交换层而另一面是阴离子交换层的层状膜,阳离子交换层和阴离子交换层的接界处为水层,在外加直流电场的作用下,水层的H2O裂解成H+和OH-,并分别通过阳离子交换层和阴离子交换层。双极膜是双极膜电渗析器的关键部件。双极膜电渗析器就是利用双极膜分解水以及阴、阳离子交换膜的选择透过性将盐转变为酸和碱的电渗析装置。原理如图1

在直流电场作用下,溶液中的离子发生定向迁移,盐室中的阳离子透过阳膜,被双极膜的阴层所阻挡而留在3室,同时双极膜解离水产生的OH透过双极膜的阴层后被阳膜所阻挡而留在3室,这样3室中就产生了碱;盐室中的阴离子透过阴膜,被双极膜的阳层所阻挡而留在1室,同时双极膜解离水产生的H+透过双极膜的阳层后被阴膜所阻挡而留在1室,这样1室中就产生了酸;由于盐室中的离子都是像外迁移的,随着时间而达到淡化效果。
二、应用范围
·从有机酸盐和无机酸盐直接生产酸和碱
如:从维生素C钠盐直接生产维生素C
从发酵液中直接分离氨基酸
从甲磺酸钠溶液制备甲磺酸和氢氧化钠
从醋酸钠溶液制备醋酸和氢氧化钠
从酒石酸钠溶液制备酒石酸和氢氧化钠
从乳酸钠溶液制备乳酸和氢氧化钠
从葡萄糖酸钠溶液制备葡萄糖和氢氧化钠
从氯化钠溶液制备盐酸和氢氧化钠等
·含盐废水的处理与回收利用
·碱法草浆黑液的无污排放处理,并回收碱
·脱除有机物中的无机盐以纯化有机物,改造旧的化工生产工艺以消除环境污染
·废酸和废碱的回收
·生产电厂锅炉用的高纯水和半导体工业用的超纯水
·工业废水的处理和回收应用
三、构造及组装方式
1.  构造:电渗析器由膜堆、极区和压紧装置三部分构成。
(1)膜堆:是由相当数量的膜对组装而成的。
膜对:是由一张阳离子交换膜,一张隔板甲(或乙,隔板乙为隔板甲翻转180度);一张双极膜,一张隔板乙(或甲);一张阴离子交换膜,一张隔板丙组成。(图见附件)
膜:是电渗析器的关键部件,采用本公司自主研发生产的均相阳离子交换膜(阳膜),均相阴离子交换膜(阴膜)和均相双极膜,电渗析器中的膜在组装前需要裁剪,膜孔的位置与极室隔板的孔的位置相同。
隔板:本装置采用的是弹性隔板,分酸碱室隔板(甲或乙),盐室隔板(丙)和极室隔板,交替放在阴、阳膜和双极膜之间,使膜与膜之间保持一定的间隔,沿着隔板平面通过水流,垂直隔板平面通过电流。极室隔板只放在极框与膜之间。隔板厚度0.85毫米。三种隔板的示意图见附件。
(2)极区包括电极、极框。
电极:为连接电源所用,本设备电极阳极采用钛涂钌电极(黑色),阴极采用不锈钢电极(灰色)。
极框:放置在电极和膜之间,以防膜贴到电极上去,起支撑作用。电极板已放置在极框里面。(图见附件)
(3)压紧装置:是用来压紧电渗析器,使膜堆、电极等部件形成一个整体,不致漏水。
(1)阳极导流板;(2)弹性隔板;(3)膜;(4)阴极导流板;(5)碱进水口;(6)酸出水口;(7)阴极液进水口;(8)阴极液出水口;(9)阳极液进水口;(10)阳极液出水口;(11)紧固螺栓;(12)阴极接线柱;(13)阳极接线柱;(14)不锈钢阴极;(15)钛涂钌阳极;(16)盐进水口;(17)酸进水口;(18)盐出水口;(19)碱出水口
图2双极膜组器示意图
 
2.  组装方式:膜堆的组装根据膜的配组而定,主要分为三隔室和二隔室。膜的配组有:阴膜、阳膜、双极性膜(适用于强酸强碱盐等);阴膜、双极性膜(适用于强酸弱碱盐等);阳膜、双极性膜(适用于弱酸强碱盐等)。下面是二隔室和三隔室组装示意图。
图3 二隔室双极膜制备有机酸的反应式与原理示意图


图4 三隔室双极膜电渗析制备酸碱示意图
3.     膜堆的组装
膜堆组装时,底下放阳极板(按照附件中图片),是为阳极,上面再放极室隔板,再放一张阳膜……
三隔室的总的次序为:阳极板,极室隔板,阳膜,隔板甲,阴膜,隔板丙,阳膜,隔板乙,双极膜;隔板甲,阴膜,隔板丙,阳膜,隔板乙,双极膜;隔板甲,阴膜,隔板丙,阳膜,隔板乙,双极膜;隔板甲,阴膜,隔板丙,阳膜,隔板乙,双极膜;隔板甲,阴膜,隔板丙,阳膜,隔板乙,双极膜;隔板甲,阴膜,隔板丙,阳膜,隔板乙,双极膜;隔板甲,阴膜,隔板丙,阳膜,隔板乙,阴膜,极室隔板,阴极板。一共为7组,有7个盐室,7个酸室,7个碱室,隔板甲所处的隔室为酸室,隔板乙为碱室,隔板丙为盐室。
二隔室(阳膜/双极膜构型)的总次序为:阳极板,极室隔板,阳膜,隔板甲,阳膜,隔板乙,双极膜;隔板甲,阳膜,隔板乙,双极膜;隔板甲,阳膜,隔板乙,双极膜;隔板甲,阳膜,隔板乙,双极膜;隔板甲,阳膜,隔板乙,双极膜;隔板甲,阳膜,隔板乙,双极膜;隔板甲,阳膜,隔板乙,阴膜,极室隔板,阴极板。一共为7组,有7个盐室和酸室,7个碱室,隔板甲所处的隔室为盐室和酸室,隔板乙为碱室,阴极板和阳极板中间的孔不需要使用,工作时盐转变为酸时是在一起的。
二隔室(阴膜/双极膜构型)的总次序为:阳极板,极室隔板,阳膜,隔板甲,阴膜,隔板乙,双极膜;隔板甲,阴膜,隔板乙,双极膜;隔板甲,阴膜,隔板乙,双极膜;隔板甲,阴膜,隔板乙,双极膜;隔板甲,阴膜,隔板乙,双极膜;隔板甲,阴膜,隔板乙,双极膜;隔板甲,阴膜,隔板乙,双极膜,极室隔板,阴极板。一共为7组,有7个盐室和碱室,7个酸室,隔板甲所处的隔室为酸室,隔板乙为盐室和碱室,阴极板和阳极板中间的孔不需要使用,工作时盐转变为碱时是在一起的。
注意双极膜放置时,阴面(淡黄色或浅色的一面)朝下(朝阳极),阳面(棕色的一面)朝上(朝阴极)。阳极板,膜,隔板放置的顺序及位置不能颠倒,全部按照附件中图的样子摆放,阴极板按图中垂直翻转180度倒扣在最上面,这样,酸进水口与出水口是对角对称,碱进水口与出水口也是对角对称的。组装完后将整个膜堆用螺杆紧固,紧固时注意不要让膜堆或膜发生平移,以不漏水为原则,不要用力太大。紧固后将膜堆垂直放置(进水口统一在下,出水口在上)在设备后面的平台上,按照要求连接管路即可。
四、       规格性能
JRPB3010-Ⅰ型双极膜电渗析设备主要供实验研究用,电渗析器为整个双极膜电渗析设备的本体设备,膜堆是其核心。
膜堆中含有5对膜,包括5张双极膜,5张阴膜,5张阳膜,20张隔板,规格均为300×100mm,单张膜有效面积为150cm2(208×72mm)。
阳膜为苯乙烯系磺酸型均相阳离子交换膜(JCM-Ⅱ)(图5A下);阴膜为苯乙烯季铵型均相阴离子交换膜(JAM-Ⅱ) (图5A上);双极膜为苯乙烯系阳面为磺酸型,阴面为季铵型均相双极性膜(BPM-Ⅰ)(图5B)。双极膜电渗析器中的这三种膜均为我公司自主研发生产。在外加直流电场力的作用下,阴膜只让阴离子通过而阻挡阳离子,阳膜只让阳离子通过而阻挡阴离子,双极膜的阴,阳膜界面层的水分子解离产生OH-和H+并分别通过阴、阳层给相邻隔室提供OH和H+;它们具有耐强酸、强碱,柔韧度强,机械强度高,使用寿命长等特点。各膜性能指标如下:
  
表1 阴、阳离子交换膜性能
类型 型号 外观 厚度 交换容量 含水量 面电阻 迁移数 爆破强度
mm mmol/g干膜 % Ω-cm2 % 105Pa
阳膜 JCM-Ⅱ-05 黑色或灰色 0.16-0.23 2.0-2.9 35-43 1-3 95-99 >2.5
JCM-Ⅱ-07 黑色或灰色 0.16-0.23 1.8-2.2 33-40 2-5 95-99 >2.5
JCM-Ⅱ-10 黑色或灰色 0.16-0.23 1.8-2.0 33-38 3-6 95-99 >2.5
JCM-Ⅱ-15 黑色或灰色 0.16-0.23 1.8-2.0 33-38 4-7 95-99 >2.5
阴膜 JAM-Ⅱ-05 淡黄色 0.16-0.23 1.8-2.2 24-30 4-8 90-95 >2.5
JAM-Ⅱ-07 淡黄色 0.16-0.23 1.8-2.0 24-28 5-9 90-95 >2.5
JAM-Ⅱ-10 淡黄色 0.16-0.23 1.6-1.8 22-24 6-10 90-95 >2.5
JAM-Ⅱ-15 淡黄色 0.16-0.23 1.6-1.8 22-24 6-10 90-95 >2.5
 
 
2  BPM-双极膜性能
型号 外观 厚度 交换容量 含水量 跨膜电压*
(V)
爆破强度
(mm) (mmol/克干膜) (﹪) (MPa)
BPM-Ⅰ 阳面棕黄色 0.16-0.23 阳面1.4-1.8 35-40 0.9-1.6 >0.25
阴面浅灰色 阴面0.7-1.1
 
*:在0.5 M Na2SO4溶液中, 在25℃,10—100mA/cm 电流密度下测定
五、辅助设备
双极膜电渗析设备除本体以外尚须配备整流器,磁力泵、过滤器等辅助设备,现将与电渗析配套的辅助设备及部件(序号7~20)列表如下:
3 JRHB2711-电渗析设备配备
序号 设备/部件名称 型号 规格 材质 数量 备注
1 均相阴离子交换膜 JAM-Ⅱ 270×110mm   10张  
2 均相阳离子交换膜 JCM-Ⅱ 270×110mm   10张  
3 双极膜 BPM-Ⅰ 270×110mm   10张  
4 弹性隔板   270×110×0.75mm PP 30片  
5 极框     PVC 2块  
6 端电极板   208×72mm 钛涂钌/不锈钢 2块 阳极为钛涂钌,阴极为不锈钢
7 物料泵 MP-30RM     3台  
8 极水泵 MP-20RZ     1台  
9 直流稳压可调电源 30V20A 45mm*25mm*15mm   1台  
 
六、       使用方法
1.  实验准备:按照实验需求组装膜堆,正确连接管路。检查电源开关,磁力泵开关,各管路阀门,取样阀门是否处于关闭状态
2.  清洗管道:各个罐中加入去离子水,打开相应的磁力泵开关,磁力泵运转,调节流量阀门,水在管路中流动,清洗3~5分钟,并检查膜堆是否漏水。关闭磁力泵开关,排出管路和罐中的水。
3.  实验:向阳极水罐中加入H2SO4溶液(0.5M左右),阴极水罐中加入NaOH溶液(0.6M左右),盐水罐中加入待分离的料液,其它罐中加入去离子水或一定浓度的酸碱,先开磁力泵开关,磁力泵运转,开流量阀调节流量,水循环5分钟。红色导线接整流器正极,另一端与膜堆阳极相连,黑色导线接整流器负极,另一端与膜堆阴极相连,开整流器开关,调节恒压或恒流至期望值,开始试验。试验结束后,将整流器电流电压调至最小,关整流器开关,断开导线与膜堆连接,再关磁力泵开关停水。
4.  实验后处理:排出酸,碱,盐罐中的溶液,加入去离子水循环,清洗膜3~5分钟。排出清洗液,再加去离子水循环,使膜完全浸入在水中,关闭电源。
 
七、       保养维护
1.  膜堆装置中的膜无论是否拆卸下来,都需要保持湿润状态(室温在0℃以下时,膜需要拆卸下来保存),拆卸下来的膜最好保存在去离子水中或稀电解质(稀盐酸)溶液中,注意常换水,防止膜表面细菌滋生;
2.  切忌置膜于强光照射,太阳暴晒、高热烘烤、风吹雨淋、严寒冰冻之中;
3.  不与油污接触,不用合成洗涤剂洗涤,不用硬刷子洗刷,以免使膜受污染和表面损伤;
4.  不要让膜与尖锐物体接触,防止膜表面划伤或破裂;
5.  不要用力拉扯、揉捏或折叠膜,防止膜撕裂,阳膜较双极膜和阴膜强度稍低,尤为注意;
6.  阴膜及双极膜的阴面不耐氧化,不可与强氧化性化学物质接触;
7.  膜污染后,可将膜拆卸下来,对于有机物污染(有机酸等),可用0.2M左右 NaOH溶液浸泡清洗;对于无机物污染(高价阳离子的氢氧化物沉淀等)可用0.2M左右HCl溶液浸泡清洗,对于细菌和微生物污染,可以采用络合剂和表面活性剂的碱性水溶液处理。同时也可以采用上述药剂在线清洗,必要时可通过较小电流;
8.  运行时,不宜长时间采用大于60mA/cm2的电流密度,以免降低阳极电极的使用寿命;
9.  运行时,水温不宜超过50℃,以免使膜变形;
10. 暂停运行时,应使膜堆各隔室充满液体,防止膜干燥变形,收缩破裂;
11. 装置使用时都在酸碱的条件***意辅助设备等金属部件的腐蚀,经常擦拭;
12. 膜堆上禁止放金属物件,以防产生短路。
13. 其他一些相关操作或问题见附件2
 
八、       注意事项
1.   水的预处理是保证双极膜电渗析设备正常运行的因素之一,因此水进入电渗析器前必须预处理,保证进入双极膜电渗析设备的原水水质符合以下指标:
A:浊度:≯3mg/L;B:含铁总量:<0.3 mg/L;C:含锰总量:<0.1 mg/L;D:含钙镁总量<0.2mg/L;E:耗氧量:<3mg/L(KMnO4);F:水温:5-50℃;G:污染指数:<7;
2.   膜四周边的裁剪尺寸,应比隔板四周边略小(0.5—1.0mm),孔的裁剪可比隔板对应的孔直径略大(如大1.0mm)。这样可以防止膜堆外部因素接触造成的漏电,也可保证配水管道组装的整齐;
3.   极水中电解质的选用可依照自己的试验情况而定,但要注意电极反应以及极水中各离子的迁移动向和浓度变化情况;
4.   阳极为钛涂钌电极板,活性层是通过在钛板上多次涂上活性材料,再经高温烧结而成,禁止在用手在黑色活性层上来回抚摸或用刷子刷洗,以免使活性层脱落;
5.   注意起动时,必须先通水,后通电,停止时先断电,严禁停水不停电;
6.   调节流量时,先开极水流量阀,后开酸碱盐室流量阀;防止试验初期酸室,碱室中水向高浓度的盐室中渗透,需要保持一定程度的压力差;
7.   膜堆组装时,双极膜始终是阴面朝阳极,阳面朝阴极,不能反装;
8.   电渗析器的阳、阴极与整流器的正、负极对应,不能反接;
9.   恒电流操作时,酸室和碱室不能以去离子水开始,以防电压超过整流器量程;
10.  运行时,整流器显示的电压为总电压(膜堆电压与电极电压之和),膜堆电压测定需要在膜堆组装时膜堆两侧贴膜放置两个薄铜片(铜片不可插入流道中与极水接触),再用电压表测定两个铜片间的电位差即为膜堆电压;
11.  双极膜电渗析器在运行阶段电极产生氢气和氧气,装置放置的房间注意通风;
12.  磁力泵禁止在无水条件下空转;
13.  整流器的使用请参照其使用说明书
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