[科普中國]-淡水室

淡水室簡稱淡室。由隔板及兩則交換膜形成的生產(chǎn)淡水的水室。該室內(nèi)水中的陰、陽離子能分別透過陰、陽膜向室外遷出；同時兩相鄰室內(nèi)水中離子卻不能遷入。

簡介我國正在進(jìn)行南水北調(diào)工程，所需資金將達(dá)5000億人民幣。而利用我國北方臨海的優(yōu)勢，用海臣發(fā)明的電極化海水淡化裝置對海水進(jìn)行淡化，不但可以獲得淡水，而且還可以提高北方鹽場的產(chǎn)鹽率，同時能夠調(diào)解火力發(fā)電廠、核電廠的發(fā)電峰谷，并產(chǎn)生大量的氫氣和氧氣及氯氣等產(chǎn)品，其綜合效益會使海水淡化實現(xiàn)零成本，乃至負(fù)成本。為迎接氫能源時代的到來奠定堅實的基礎(chǔ)。
淡水資源緊張是全世界面臨的嚴(yán)重問題之一，海水淡化是解決這一問題的根本途徑。雖然海水淡化的方法很多，但世界上投入商業(yè)運營的海水淡化裝置,根據(jù)其工作原理分類，主要有三大方法，分別是：蒸餾法、反滲透法、電滲析法。但都不是太理想，蒸餾法成本高，工藝設(shè)備復(fù)雜，出水率低；電滲析法、反滲透法需要有離子或介質(zhì)的透過，要求能量大，因而能耗高，并且對水的預(yù)處理要求條件苛刻，離子交換膜或反滲透膜易污染、維護(hù)量大1。

蒸發(fā)法

水的蒸餾法脫鹽又稱蒸發(fā)法，是最早采用的脫鹽技術(shù)，它的原理就是水被加熱沸騰變成水蒸汽，水蒸汽冷凝得到蒸餾水。而根據(jù)蒸餾法原理建造的生產(chǎn)設(shè)備又有多效蒸發(fā)、多次閃蒸、豎管多效、多級閃蒸等多種方式設(shè)備，但不管有幾種方式，它最終都?xì)w為蒸餾法脫鹽。

反滲透除鹽法
滲透是一種物理現(xiàn)象，當(dāng)兩種含有不同濃度鹽類的水，如用一張有滲透性的薄膜分開就會發(fā)現(xiàn)含鹽量少的一邊的水分會透過膜滲到含鹽量高的水中，而所含的鹽分并不滲透，這樣，逐漸把兩邊含鹽濃度融合到均等為止，然而，要完成這一過程需要很長時間，這一過程也稱為自然滲透。但如果在含鹽量高的水側(cè)，試加一個壓力，其結(jié)果也可以使上述滲透停止，這時的壓力稱為滲透壓力。如果壓力再加大，可以使水向相反方向滲透，而鹽分剩下。因此，反滲透除鹽原理，就是在有鹽分的水中（如原水），施以比自然滲透壓力更大的壓力，使?jié)B透向相反方向進(jìn)行，把原水中的水分子壓到膜的另一邊，變成潔凈的水，從而達(dá)到除去水中鹽分的目的，這就是反滲透除鹽原理。

電滲析法

滲析是屬于一種自然發(fā)生的物理現(xiàn)象。如將兩種不同含鹽量的水，用一張滲透膜隔開，就會發(fā)生含鹽量大的水的電介質(zhì)離子穿過膜向含鹽量小的水中擴(kuò)散，這個現(xiàn)象就是滲析。這種滲析是由于含鹽量濃度不同而引起的，稱為濃差滲析。滲析過程與濃度差的大小有關(guān)，濃差越大，滲析的過程越快，否則就越慢。因為是以濃差作為推動力的。因此，擴(kuò)散速度始終是比較慢的。如果要加快這個速度，就可以在膜的兩邊施加一直流電場。電解質(zhì)離子在電場的作用下，會迅速地通過膜，進(jìn)行遷移過程，這就稱為電滲析。滲析膜是用高分子材料制成的一種薄膜，上面有離子交換活性基團(tuán)。膜內(nèi)含有酸性活性基團(tuán)的稱為陽膜；如有堿性活性基團(tuán)的稱陰膜。從膜的結(jié)構(gòu)上分，又可分為異相膜、均相膜、半均相膜三種。
電滲析的除鹽原理：在用電滲析進(jìn)行除鹽處理時，先將電滲析器兩端的電極接上直流電，水溶液就發(fā)生導(dǎo)電現(xiàn)象，水中的鹽類離子在電場的作用下，各自向一定方向移動。陽離子向負(fù)極，陰離子向正極運動。在電滲析器內(nèi)設(shè)置多組交替排列的陰、陽離子交換膜，此膜在電場作用下顯示電性，陽膜顯示負(fù)電場，排斥水中陰離子而吸附陽離子，在外電場的作用下，陽離子穿過陽膜向負(fù)極方向運動；陰膜顯示正電性，排斥水中的陽離子，而吸附了陰離子，在外電場的作用下，陰離子穿過陰膜而向正極方向運動。這樣，就形成了去除水中離子的淡水室和離子濃縮的濃水室，將濃水排放，淡水即為除鹽水。這一過程為電滲析除鹽原理。
當(dāng)連接有直流電源并串接電流表的正負(fù)電極插到電解質(zhì)溶液中，通入直流電，電流表顯示，電流迅速衰減，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是由于在正負(fù)電極的周圍產(chǎn)生了極化現(xiàn)象，使地陽極周圍產(chǎn)生顯酸性；在陰極周圍產(chǎn)生顯堿性。陽極周圍在聚集氫離子的同時，也聚集了大量的金屬離子，使地在陽極周圍的離子濃度提高，隨電壓的高低而濃度表現(xiàn)出來大小，同理在陰極的周圍聚積有大量顯堿性的氫氧根陰離子，也聚集了大量的酸根陰離子，它表現(xiàn)出來是陰極顯堿性的溶液特性。之所以產(chǎn)生這種現(xiàn)象，是因為兩電極的離子濃度梯度大于兩電極之間的離子濃度梯度，也就是說兩電極的周圍聚集了比兩電極之間更多的離子，因此，在兩電極表現(xiàn)出酸、堿特性。而在兩電極之間的溶液基本上顯中性。極化現(xiàn)象使得串接于兩電極之間的電流表電流顯示變小。這便是離子極化現(xiàn)象所引發(fā)的溶液濃度梯度的變化。當(dāng)直流電壓高于一定值時，便在電極的周圍發(fā)生電解反應(yīng)，當(dāng)發(fā)生電解反應(yīng)時，電流又將增加，因為電極反應(yīng)的產(chǎn)生是由于電極周圍產(chǎn)生陽化還原反應(yīng)所引發(fā)的，陽化還原反應(yīng)的激烈程度決定于兩電極之間所加的電壓和溶液通過的電流。
這一原理被廣泛應(yīng)用于電解、電鍍、陰極保護(hù)，以及分析儀表方面。但還沒有將這一原理應(yīng)用于水的脫鹽，我將這一原理應(yīng)用于脫鹽技術(shù)無疑是創(chuàng)新的，具有革命特性的一項裝置，他所應(yīng)用的原理就是水溶液通直流電后，在兩電極上產(chǎn)生的極化現(xiàn)象，極化現(xiàn)象帶來的效應(yīng)便是溶液濃度梯度的變化。陽極富有陽離子，陰極富有陰離子。這一原理的應(yīng)用便產(chǎn)生了一種新的海水淡化方法：離子極化海水淡化法。
基于這一原理的海水淡化裝置便是一項具有創(chuàng)新意義的新設(shè)備，它有完善的理論基礎(chǔ)和相應(yīng)的理論數(shù)據(jù)。它的核心原理便是離子極化和串聯(lián)電路電壓疊加原理，即沿電場方向電場強度依次遞減，陽離子向陰極運動，陰離子向陽極運動。
電滲析的處理過程是：
（1）反離子遷移過程
陽膜上的固定基團(tuán)帶負(fù)電荷，陰膜上的固定基團(tuán)帶正電荷。與固定基團(tuán)所帶電荷相反的離子穿過膜的現(xiàn)象稱為反離子遷移。如在電滲析器中，淡室中的陽離子穿過陰膜進(jìn)入濃室就是反離子遷移過程，這也是電滲析的除鹽過程。
（2）同性離子遷移過程
與膜上固定基團(tuán)帶相同電荷的離子，穿過膜的現(xiàn)象稱為同性離子遷移。由于交換膜的選擇透過性不可能達(dá)到100%。因此，也存在著濃水室中的有離子會少量穿過陽膜，或陽離子穿過陰膜而進(jìn)入淡水室，數(shù)量雖少，但降低了除鹽效率。
（3）電解質(zhì)的濃差擴(kuò)散過程
這是由于濃水室與淡水室的濃度差而此起的。其結(jié)果是由濃水室的離子向淡水室擴(kuò)散。從而使淡水室的含鹽量增加，降低了除鹽效率。
（4）在壓差滲透過程
由于濃、淡水室壓力不同，由壓力高的向壓力低側(cè)進(jìn)行離子滲透，因此，如果濃室的壓力過高，也會降低除鹽效率。
（5）水的滲透過程
由于淡水室中水的壓力比濃水室要大，因此，會向濃水室滲水，使產(chǎn)水量降低。
（6）水的電滲透過程
由于水中離子是以水合離子的形式存在，因此伴隨著離子的遷移，故有水的電滲透發(fā)生，使淡水產(chǎn)量降低。
（7）在運行時，由于操作不良而造成極化現(xiàn)象，使淡水室大量的水電離，在直流電場的作用下，水電離產(chǎn)生的H+穿過陽膜，OH-穿過陰膜進(jìn)入濃水室，在那里與Ca2+、Mg2+生成沉淀，也稱為極化沉淀。故此，不僅電耗增加，而且還會造成沉淀等后果。
一對電極通一直流電對水進(jìn)行除鹽效率將是非常低的，因為電壓過高，將發(fā)生電解反應(yīng)，而離子的遷移是遵循庫侖定律的，即海水的淡化量與離子的遷移及電流的大小成正比，而電流的大小又與施加的電壓和溶液的電阻成正比。解決這一問題的根本方法便是本裝置，應(yīng)有大的電流、大的離子遷移量，這就延伸出我們的裝置。因此，方法和裝置是不可分割的，有了這種方法的原理才設(shè)計出這種裝置，本裝置所應(yīng)用的利用原理是電壓即電場強度疊加原理（電阻串聯(lián)的電壓定律），即每個水室相當(dāng)于一個電阻，電阻串聯(lián)分解電壓，每一個電阻的分壓無須很高，但串聯(lián)起來，疊加電壓就可非常高，而每個串聯(lián)電阻的極性是一次排列的，即這個電阻的上游電阻的負(fù)極恰是下游電阻的正極，以次類推，每個電阻的分壓相等，都有相等的電流流過。每個水室離子遷移量是相等的，所有水室的離子遷移量之和便是海水淡化裝置的除鹽量。因此，海水淡化量與水室的多少成正比2。

離子極化海水淡化法處理的過程
離子極化海水淡化法僅靠離子極化而將兩電極之間的低濃度水取出是很難的，因為兩電極之間如果距離太大，離子運動路徑延長，電阻大，能耗高，而且在兩電極上會發(fā)生電解反應(yīng)，因此單純用兩電極之間隔出的水室想制取淡水是不可行的，因為在兩電極上產(chǎn)生電解反應(yīng)，而電極的產(chǎn)物酸堿相對來講難以取出，除鹽效率極低。為了解決這一問題在兩電極之間插了許多導(dǎo)電金屬隔板，彼此之間用絕緣材料隔開。金屬隔板與金屬隔板之間就隔成海水淡化所需的工作室，防腐蝕導(dǎo)電隔板垂直于電場方向，平行于等電位線等距離排列布置構(gòu)成彼此隔離的狹長水室，海水從狹長的長方形水室一端進(jìn)入，海水中的陽陰離子在向水室的另一端緩慢流動的同時，將受到電場力的作用，并按各自的淌度向電場方向偏轉(zhuǎn)，陰離子向高電位方向偏轉(zhuǎn)，陽離子向低電位方向偏轉(zhuǎn)，從而使水中的陰陽離子產(chǎn)生濃度梯度，在高電位導(dǎo)電隔板側(cè)，陰離子濃度高，在低電位導(dǎo)電隔板側(cè)陽離子濃度高，而在中間的水的離子濃度就很低，導(dǎo)電隔板是一個等電位體。在導(dǎo)電隔板兩側(cè)分別含有高濃度的陰陽離子，水在流動中帶著它們流向?qū)щ姼舭宓谋M頭，同時，離子運動完成導(dǎo)電的作用。陰陽離子在導(dǎo)電隔板盡頭排水口處混合被隨水排出，這便是濃水，而從水室中間排出的離子濃度低的水便是淡水3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)