膜分离机械设备中的膜组件及优化浓差极化问题

膜分离是以半透膜为分离介质的分离单元操作，其分离的推动力是膜两侧的压力差或电位差。膜分离通常在常温下进行，因此特别适用于热敏性物料的分离。膜分离的对象，可以是液体也可以是气体。食品工业中应用较多的是液体物料的分离。

根据分离驱动力，膜分离操作可以分为压力驱动式和电位驱动式（即电渗析）两大类。虽然两者同属膜分离，但分离原理上有本质区别。因此，膜分离设备通常也分成压力式膜分离设备和电渗析膜分离设备两大类。

一、压力式膜分离设备

（一）基本概念

1.膜分离原理

压力式膜分离基本原理可用图4-56加以说明，这是一类特殊形式“筛分”式分离操作，其分离介质是各种半透性膜。膜分离操作与一般分离操作不同，一般不希望在半透性膜上形成“滤饼”，而希望利用膜的截留作用，在压力作用下将原料液分为透过液和保留液（也称为浓缩液）两部分。对于不能透过膜的保留溶质（分子）来说，它在保留液中浓度较原料液得到了提高，也即得到了浓缩；而对于透过液来说，膜分离使透过液脱除了被膜截留的物质。

图4-56 压力式膜分离原理

保留液与透过液间存在的溶液渗透压差是膜分离操作的主要阻力之一。所谓溶液渗透压，简单地说，是指溶液中溶质微粒对水的吸引力。通常溶液渗透压与溶液的摩尔浓度成正比。也就是说，相同质量浓度下，溶质的分子质量越小，其渗透压越大。为了将原料液中的溶质（不能通过膜的大分子或粒子）与透过液分开，需要在半透膜保留液一侧加压，以克服保留溶质渗透压对透过液的吸引力，使其透过分离膜。保留液的溶质越小，需要施加的压力越大。

2.膜的类型

压力式膜分离所用的半透性膜，按所用的材料可分为有机膜和无机膜两类。有机膜的材料非常广泛，典型有机膜材料有纤维素衍生物类、聚飒类、聚酞胺类、聚酞亚胺类等，这类材料制成的膜，目前约占膜市场的85%。有机膜具有单位膜面积制造成本低廉、膜组件装填密度大等优势，具缺点是不耐热，机械强度低，并易受某些溶液条件（如pH）影响，另外，也易受微生物污染影响。膜分离用的无机膜多为陶瓷膜，陶瓷膜具有耐高温、耐化学腐蚀、机械强度高、抗微生物能力强、渗透量大、恢复性能好、孔径分布窄和使用寿命长等优点，但陶瓷膜的造价较高、脆性大，部分过程装置运行能耗相对较高。

无论是有机膜还是无机膜，均具有多孔性结构。通常将压力式膜分离所用的膜，根据膜孔的大小，依次分为微滤膜（MF）、超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）和反渗透膜（RO）四种类型。这四种类型的膜对于各种物质的保留和透过能力如图4-57所示。实际应用可按待分离液体中溶质的分子或粒度大小及应用目的加以选择。例如，可用微滤膜去除溶液中的微生物，可用反渗透脱除水中的无机盐，可用超滤结合纳滤分离得到小分子有机物组分（如低聚糖），可用超滤对蛋白质进行浓缩等。

图4-57 压力式膜分离的四种类型

膜分离所需压力与膜孔大小的对应关系如表4-8所示。可见，膜孔径越小，所需的压力越大。

表4-8 不同类型膜分离的膜孔大小与操作压力范围

3.膜分离的透过液通量

膜分离操作的一个关键指标是透过液的膜通量，它指的是单位时间透过单位膜面积的透过液量。从实用角度来说，在保证实现正常分离要求前提下，膜通量越大越好。膜通量不是膜材料固有特性，它与多种因素有关，其中影响最大的因素有操作压力、操作时间、膜操作方式等。一般来说，膜通量与操作压力呈正相关性，即压力越大，通量也越大。正常情形下，各种膜分离操作的透过液通量均会随操作时间延长而下降，主要原因有膜孔为溶质堵塞和浓度极化影响等。因此，各种膜分离操作，经过一段时间操作之后，通常需要进行清洗，以恢复正常的通量和分离效率。

4.浓差极化

浓差极化是指分离过程中，料液中的溶液在压力驱动下透过膜，溶质（离子或不同分子量溶质）被截留，在膜与主体溶液界面或临近膜界面区域浓度越来越高；在浓度梯度作用下，溶质又会由膜面向主体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致透过液通量下降。浓差极化在膜分离过程中不可避免，但可设法加以缓和。错流操作方式是缓和膜分离过程浓差极化的有效手段。

5.死端过滤和错流过滤

压力式膜分离有两种操作方式，即死端过滤和错流过滤。

死端过滤（Deadendfiltration）也称为全量过滤[图4-58（1）]。这种过滤方式犹如普通过滤，保留液相对于膜表面水平方向是静止的，溶剂和小于膜孔的溶质在压力驱动下透过膜，大于膜孔的颗粒被截留住，并积聚于靠近膜面区，随着透过液和过滤时间的增加，膜面上堆积的颗粒也在增加，过滤阻力增大，膜通量下降。因此，死端过滤只能小规模间歇生产，适用于原料液中截留物浓度较低（＜0.1%）的场合。

错流过滤（Crossfiltration）是指原料液在泵的推动下平行流过膜表面，部分可透过物（溶剂和可透性溶质）透过滤膜成为透过液，其余随保留液一起离开膜分离单元[图4-58（2）]。错流过滤时料液在膜表面的切向流动，对膜表面有一定的冲刷作用，因而减轻了杂质在膜表面的积累，防止透过液流道被堵死，使污染层保持在较薄水平。错流过滤适用于原料流中保留物浓度超过0.5%的场合。食品行业的压力式膜分离多采用错流过滤操作方式。

图4-58 死端过滤与错流过滤

（二）膜组件

膜组件是膜分离设备的关键部件。根据膜分离原理，为了克服浓差极化及提高膜分离操作效率，所有工业化膜分离设备通常采用错流方式进行分离操作。采用错流操作的膜组件均有三个液流接口，即原料液入口，保留液（浓缩液）出口和透过液出口。组装系统时，将这些膜组件的液流接口与系统的相应管路接通。一个膜组件可单独与系统流程其他部件配合成完整的膜分离设备。膜分离设备的生产能力与膜的面积成正比，为了满足生产能力，往往将若干相同膜组件以并联或串联形式组合成膜分离装置。

常用膜组件形式有管式、平板式、螺旋卷式和中空纤维式等。膜组件的形式决定了压力式膜分离装置的运行、清洗和维护等方面的性能。

1.管式膜组件

管式膜组件中的膜依附在多孔性支承管上。根据支承材料的性质，管式膜可分为有机管膜、陶瓷管膜和不锈钢管膜三种。

有机管式膜及其组件如图4-59所示，其膜管由高分子材料制成[图4-59（1）]，一般膜涂在管的内壁，束状[图4-59（2）]膜元件，管膜束元件装入膜壳，用O形圈密封成为壳管状膜组件[图4-59（3）、（4）]。一般这种管式膜组件的外壳多采用工程塑料管，并且多采用快装活接头连接。有机管式膜可用于超滤或微滤。

图4-59 有机管式膜组件

陶瓷管式膜的元件如图4-60（1）所示，这种膜元件两端套上密封件与两端多孔板配合，再套在不锈钢管壳内，壳侧面有供透过液流出的接管[图4-60（2）]，这种壳管式膜组件两端配上适当的弯头，可以串联起来使用[图4-60（3）]。管式陶瓷膜一般用于微滤。

图4-60 陶瓷管式膜组件

不锈钢管式膜的元件结构如图4-61（1）所示，膜的支承件是多孔不锈钢管，管内附着具有分离功的无机多孔性材料（如二氧化钛）。不锈钢管膜与壳体构成的膜组件类似于列管式热交换器[图4-61（2）]。不锈钢管膜适用于各种高黏度、高固含量、高污染的流体，可以在各种极端的化学、温度和压力运行条件下运行。管式不锈钢膜目前也多用于微滤。

图4-61 不锈钢管式膜

管式膜组件的特点是管子较粗，可调的流速范围大，所以浓差极化较易控制；因进料液的流道较大，所以不易堵塞，可处理含悬浮固体、较高黏度的物料，且压强损失小；易安装、易清洗（膜面的清洗可用化学方法，也可用机械法清洗如用泡沫海绵球之类的器具）、易拆换；但单位体积所容纳的膜面积较小。

2.中空纤维膜组件

中空纤维膜是一类外径范围为50～100μm，内径范围为15～45μm的中空高分子材料膜。中空纤维膜组件一般由环氧树脂固定的中空纤维束（图4-62）、O形圈及耐压壳体等构成，组件外形类似于管式膜组件。这种膜组件分内压式和外压式两种，内压式的高压侧在中空纤维管内，进料液从一固定端面进入，截留液（浓缩液）从另一端流出；透过液从中空纤维侧面流出；外压式的高压侧位于中空纤维管外，进料液从膜组件壳侧面的一端进入，截留液从另一端侧管流出；透过液则从膜组件的固定端流出。

图4-62 中空纤维束

这种膜组件的特点是：因纤维膜无需支承材料，所以单位体积具有极高的膜面积（一般为1.6×10⁴～3×10⁴m²/m³）；由于纤维的长径比极大，所以流动阻力极大，透过膜的压强损失也大；膜面污垢的去除较困难，且只能采用化学清洗，因此对进料液的预处理要求严格。中空纤维膜组件多用于反渗透操作。

3.螺旋卷式膜组件

螺旋卷式膜元件结构原理如图4-63所示，它由多个（由平面膜夹间隔器构成的）膜袋及袋间网状间隔层绕一根多孔集液管卷绕而成，膜袋口与多孔集液管密封接合，可使透过液流入管内。原料液及保留液则在膜袋外的间隔层流过。最后将若干膜卷元装入圆筒形组件壳，成为如图4-64所示的螺旋卷式膜组件。

图4-63 螺旋卷式膜元件原理

图4-64 螺旋卷式膜组件

螺旋卷式膜组件的优点是单位体积膜面积大，结构紧凑，但膜面流速一般为0.1m/s左右，浓差极化不易控制；另外，由于流道狭，易堵塞，不易清洗。因此，对原料液的预过滤处理也十分重要。

4.平板式膜组件

平板式膜组件也称板框式膜组件，是一种原理上类似于板框过滤机或叶滤机形式的膜组件。平板式膜组件的原理如图4-65所示，由膜和起隔离、支承及导液作用的间隔器（如多孔材料）交替叠装而成一定构型。由于存在压力差，进料液流经由两膜之间形成的流路时，小分子透过两边的膜，进入膜外侧的透过液流路。由膜与间隔器材料构成的单元模块可重复叠在一起，装在由紧固件夹紧、带进出口液流接管的容器或机架上构成可独立操作的膜组件。

图4-65 平板式膜组件结构原理

一种圆盘平板膜组件的外形和结构原理如图4-66所示。由两面内凹中心开孔的导流碟片与（双层）膜片交替叠成的柱状构型，用两端法兰和中轴紧固体封装于圆筒状压力容器内。进料料液由下端法兰进入，通过柱状构型物与圆筒间隙引至上端，并由上而下，先由内外向，再由外向内通过由导流碟片与膜片构成的一层层圆面状液流通道，最后在下端法兰保留液出口离开膜组件。同时，由于压差作用，液流在经过每片膜两表面时，会透过膜汇集到紧挨中轴的透过液通道，最后由中轴下端离开膜组件。

图4-66 一种圆形平板式膜组件

平板式膜组件的特点是组装简单，膜的更换和维护容易。但因安装要求及液体湍流时造成的波动等原因，对膜的机械强度要求比较高；由于密封边界线长，密封要求高，且需支承材料等，故设备费用较大，另外由于膜组件的流程比较短，液流状态较差容易造成浓差极化。

（三）膜分离流程

膜分离操作流程可以分为间歇式和连续式两类。

1.间歇式流程

典型压力式膜分离间歇流程如图4-67所示。这种流程中，一定量初始浓度的原料液，经膜分离系统得到的浓缩液不断回流到进料液，透过液则不断从系统排出，最后得到的是浓缩到一定程度的浓缩液。

图4-67 典型间歇式膜分离流程

流程中由循环泵和膜组件构成的循环圈，是为了使保留液在经过膜面时有足够的切向流速。保留液从膜组件出来后，分为两股流，一股循环回到循环泵，另一般作为出料回流到产品罐。而增压泵起两重作用，一是为循环提供进料，二是为循环圈提供膜分离所需的压力。

流程中的过滤器对膜组件起保护作用，防止原料液中（膜表面结垢脱落）的硬粒对膜表面造成破坏。值得一提的是，对于反渗透或纳滤操作，过滤器往往装在增加泵之前，所需过滤压力再用另一台泵提供。

循环中的冷却器用于对循环引起的升温料液进行降温，以确保循环料液温度在所用膜材料允许的温度范围之内。

间歇式流程适用于实验和小规模生产。

2.连续式流程

连续式膜分离流程如图4-68所示。其中，①RO和NF模式；②UF模式，所代表的模组件的材料为有机膜；③MF模式所代表的模组件材料为陶瓷膜。

反渗透和纳滤所用的膜孔径小，因此需要的膜分离压力较高，如图4-68（1）所示流程中的增压泵，为一台多级离心泵，具体可根据反渗透或纳滤所需的压力选用。另外，注意到，此流程中的过滤器设在循环圈之外。

图4-68（2）所示的超滤（UF）连续膜分离流程，与图4-67所示的流程基本类似，只是出料不再回到产品罐。超滤所用的膜分离压力较低，所以增压泵用了一台多级卫生泵表示。

图4-68（3）所示的微滤（MF）连续膜分离流程中的两台膜组件串联，并且保留液侧和透过液侧均有一个循环圈，这可使整个膜组件液流循环方向的膜两侧压差保持相等，从而可以使膜分离通量优化。由于陶瓷膜耐热，材料强度也较有机膜的大，因此，流程不再需要设过滤器和冷却器。另外，注意到此流程的增压泵只是一台单级离心泵。

图4-68 典型连续式膜分离流程(www.xing528.com)

1—膜组件 2—冷却器 3—过滤器 4—过滤器增压泵 5—膜循环圈增压泵

6—保留液循环泵 7—透过液循环泵 A—原料液 B—浓缩液 C—透过液

（四）膜分离设备系统配置

为了使膜分离过程正常进行，实际生产的膜分离装置系统，除了上述流程图中所示的关键部件以外，还须有其他辅助装置配合，主要包括：膜清洗辅助装置、计量仪表、切换阀门及控制系统等。一般膜分离供应商根据客户提出的要求，会设计并提供相应的膜分离装置，其中，提供的膜组件整体集成在机架上，并配上相应辅助器件布置成模块化机组（图4-69）。这种机组与外界相应的（用于贮存原料液、产品、清洗液等）罐器相连即可。当然，这种集成模块不是膜分离供应商的定型标配产品，而是要根据客户工艺条件设计组合而成的。因此，以下从使用者角度，讨论膜分离系统配置时的一些需要注意的环节。

图4-69 膜组件与泵的模块化集成

1.膜组件

工艺研究时，在实验室进行膜分离试验，能取得的实用信息通常只是合适的分离膜材料和膜的孔径大小。订购膜分离设备前，用户应考虑制备适量的待处理液，用膜分离设备供应商的试验装置进行试验，以确定合适的膜组件形式，并根据试验结果（例如透过液的膜通量），确定所需的膜面积（膜组件单元数量）。

2.泵

膜分离设备厂商标准配置的泵，可能并非完全符合食品卫生要求。例如，有些多级离心泵，虽然材料也是不锈钢的，但不一定是卫生型泵，不方便拆洗。此时，可以考虑采用多台（压头较低的）多级卫生离心泵串联，以替代一台（压头较高的）多级离心泵。另外，也要考虑料液黏度变化对泵的影响。进料泵和循环泵通常均用卫生离心泵，有些料液黏度较高，并且对剪切较敏感，则可考虑采用正位移泵。例如，酸化乳超滤时可用正位移泵做进料泵和循环泵。

3.罐器配置

无论是采用间歇还是连续方式，图4-69所示的膜分离装置，通常要与适当的罐器配合，才能正常运行。通常涉及的罐器包括原料液缓冲罐、浓缩液缓冲罐和透过液缓冲罐，以及膜分离装置的清洗液贮存罐等。

膜分离流程往往包括不同膜孔类型（包括RO、NF、UF和MF）的分离操作，有时相同类型膜分离还会包括不同分子质量组分的分离要求，例如，可能会有不同截留分子质量的超滤膜出现在同一系统中。这种多类型多规格的膜分离系统的罐器，往往采用前后段兼容的方式配置。例如，微滤的透过液缓冲罐可作为后续超滤段的原料液罐使用，而超滤段的浓缩液缓冲罐，又可作为后续纳滤段的原料液缓冲罐用。如此，既可节省罐器的数量，又简化了系统操作控制的环节。但这种前后段兼用罐器的配置，需要用统一的系统控制。

通常每套膜分离装置要配独立的清洗液罐，即清洗液罐的数量与整个膜分离流程中的膜分离集成模块数量相等。

4.冷却介质

如前所述，压力式膜分离采用的错流过滤方式，即装置运行时始终有一定量料液在循环，这种料液的循环，会引起料温升高。因此，必须在循环圈中配置适当的冷却器。冷却器实际上是一种热交换器，所用的冷却介质，可以是外部提供的冷却水，也可考虑部分或全部采用系统内的较低温度的料液，从而实现能耗利用的优化。

二、电渗析膜分离设备

电渗析是借助于电场和离子交换膜对含电解质成分的溶液进行分离的操作。电渗析技术最早在20世纪50年代用于苦咸水淡化，60年代应用于浓缩海水制盐，70年代以来，电渗析技术已发展成为大规模的化工单元操作。它广泛应用于苦咸水脱盐，在某些地区已成为饮用水的主要生产方法。随着性能更为优良的新型离子交换膜的出现，电渗析在食品、医药和化工领域都有广阔的应用前景。

（一）电渗析原理

电渗析基本原理可用图4-70说明。在阴极和阳极间插入一张（只能使阴子通过的）阴离子交换膜和一张（只能使阳离子通过的）阳离子交换膜，构成左侧的阳极室、脱盐室和右侧的阴极室。当盐水通过脱盐室时，其中的阴、阳离子在直流电场的电位差作用下，会分别朝阳极和阴极方向迁移，并通过离子交换膜离开脱盐室，分别进入左、右的极室。其结果是盐水脱盐成为淡水。

两侧电极室除了分别有阴阳离子进入以外，还会发生氧化还原反应。通常，阴极会发生氢离子的还原反应：2H⁺+2e→H₂↑，溶液呈碱性而在电极结垢；阳极会发生氧化反应：4OH^-→O₂+2H₂O+4e，溶液呈酸性会使电极腐蚀。因此，通常将两电极室的水合在一起进行循环，以提高电极的工作效率和使用寿命。

图4-70 电渗析基本原理

电渗析过程以电能为代价对溶液的电解质进行分离，其电能主要消耗在克服电流通过溶液、离子交换膜时所受到的阻力及电极反应。

电析渗两极间离子交换膜按照一定顺利重复安排，可以实现各种处理效果。以下分别介绍脱盐、果汁脱酸和牛乳钙含量调整的电渗析原理。

1.脱盐

利用电渗析对原料进行脱盐处理的流程如图4-71所示。图中从左到右由膜与电极（板）共相隔成七个通道（室），依次为阳极室、由三对阴阳离子交换膜构成的三个脱盐室和两个浓液室，最右一个是阴极室。整个系统有三股循环进出液流：原料—产品液、承接产品盐分的浓液和极室液。总体上，图4-71所示各室料液在自下而上流动过程中，其中的电解质在直流电场作用下，发生向左和或向右的迁移，从而使各室液流的电解质含量发生变化。

实际上，图4-71中的氯离子和钠离子可以代表产品所含的阴和阳两类离子。这种电渗析脱盐原理在食品工业中的典型应用，除咸水脱盐以外，还可用于其他产品脱盐处理，如糖液、蛋白水解液和乳清脱盐等。值得一提的是，这种系统由于最早用于脱除水中的盐分，习惯上，将原料液、浓液和电极液分别称为原水、浓水和极水。

图4-71 电渗析脱盐原理

2.果汁脱酸

传统上，对某些（多因采摘时间先后造成的）柑橘果汁中过量柠檬酸进行调整有两种做法：一是将高酸度和低酸度果汁进行掺和；二是对高酸度果汁加碱中和。但前者会因高、低酸度原料比例和产量不稳定，以及贮藏困难而受到一定程度制约，后者会因柠檬酸盐的存在而影响产品口味。

电渗析法提供了一种使果汁降低柠檬酸、提高其甜酸比的适当方法。其原理如图4-72所示。电极间全部采用阴离子膜。每一单元由三张阴离子膜构成左侧的中和室和右侧的产品室。由于全为阴离子交换膜，因此，所有阳离子均不能左右迁移，而阴离子则可朝正极迁移。因此，该系统的总效果是，柠檬酸根（Cit^3-）离子从果汁进入氢氧化钾（KOH）溶液、氢氧根离子（OH^-）进入果汁，而阳离子彼此无传递作用。其净效果是果汁中的多余的柠檬酸被水所置换。

图4-72 电渗析果汁脱酸原理

3.调整产品无机盐组成

一些食品原料液（如牛乳）本身含有多种无机盐离子（如钾、钠、钙、镁等）。出于配方要求，有时要对所含的无机盐离子比例进行调整。为达到上述目的，可利用图4-73所示的电渗析系统实现。

该系统所含的循环单元包括三个单室：由两张阳膜夹成的原料产品室（以P表示）、由一阳一阴膜夹成的补充液室（以M表示）和由一阴一阳膜夹成的废液室（以W表示）。

操作时，原料产品室中的阳离子（如Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺和H⁺等）均可穿过左侧阳离子交换膜进入废液室W（最左侧为极室），但在此受W室左侧的阴离子交换膜阻碍而被留在废液中。同时，补充液室M中的阳离子，可按不同需求有计划地穿过左侧的阳离子交换膜，以补充P室内所迁移出的阳离子，使得产品中总电解质浓度不变。补充液室中的阴离子（如氯离子Cl^-或其他酸根离子）会在电场作用下，穿过右侧的阴离子交换膜进入废液室，并同样受再右侧的阳离子交换阻碍而也留在废液中。进入废液室的阴阳离子均因无法再朝电场方向迁移而随循环的废液排出室外。

图4-73 利用电渗析进行加钾去钙

要对产品中阳离子进行有意义的调整，除以上电渗析离子交换膜及循环液种类安排特点以外，还需要掌握产品所含阳离子的种类，以及它们的迁移率。一般，各离子的迁移量与其在溶液中的浓度成正比。相同浓度下，各离子的迁移率是不同的。例如，牛乳含有钾、钠、钙和镁，其固有迁移率之比为1.5∶1.0∶0.50∶0.50。为了调整牛乳中的电解质比例，且又保持其电解质总量不变，补充液必须含有上述阳离子成分。但它们在补充液中的比例则可根据需求而进行调整。例如，如补充液只含钾钠离子，则净效果使牛乳脱钙镁；如补充液只含钙离子，则可使牛乳加钙脱镁；还可制成净脱镁、脱钠和脱钾的牛乳。这种任意置换阳离子组成的电渗技术有时也称为电置换法。

（二）电渗析装置系统构成

实现上述电渗析原理图中所示的过程的实际电渗析装置系统，主体是电渗析器，通常还需以下部分配合：直流电源、各种罐器、泵、阀门管路、计量仪器等。图4-74所示为实际电渗析系统的实验装置和工厂装置。

（三）电渗析器

典型电渗析器外形与结构层次关系如图4-75所示，整体结构类似于板式热交换器。每台电渗析器可包含若干由电极板夹膜堆构成的级，并由夹紧装置固定。膜堆数与级数相等，电极区（中间的电极区同时含上下膜堆所需的阴、阳电极）数等于级数加1，其中两端电极区各只有一个电极。如果一台电渗析器只有一级，则只有两端的电极区。

1.膜堆与膜对

电极所夹的膜堆是物料实现电渗析处理过程的区域，其基本单元是膜对。膜对是实现特定电渗析过程所需的最少数量阴阳交换膜和隔板单元，它包括除极室以外所有与相应电渗析过程有关的液体隔室。

图4-74 实际电渗析系统

膜堆所含的膜对数，也即一级内所允许安装的最多膜对数，与电极提供的电压、电流强度以及膜对电阻等因素有关。通常，脱盐用的电渗析器的每级膜堆由100～200膜对构成，一台电渗析器总膜对数一般不超过500。

图4-75 电渗析外形及构成层次

2.级与段

表示电渗析器构成特征的参数，除级以外，还有段。电渗析器级与段的关系可用图4-76加以说明。一台电渗析器中，浓、淡水流方向一致的膜堆称为一段，水流方向每改变一次段数增加1。段是针对液流方向而言的，级是相对于电渗析器内的电极对数而言的。因此，根据需要，一级（即一对电极）内的膜堆可设计成多个段，使处理液以串联方式多次发生流向变化；另一方面，一台（多级）电渗析器也可通过并联的方式全部构成一个段，即所有的处理液只取一个流向。

图4-76 电渗析器级与段的关系

电渗析器可按段组装成各种形式。一般增加级数可降低电极所需的电压，提高产量，而增加段数可提高所需电渗析离子交换的效果。

值得一提的是，多台电渗析器，也可以根据需要，以并联和串联和方式安排。并联可以提高总处理量，串联可以提高电渗析总分离效果。

3.离子交换膜

离子交换膜是膜状的离子交换树脂，含有活性基团和能使离子透过的细孔。常用的离子交换膜按其选择透过性可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜和特殊离子交换膜三大类。阳离子交换膜含有酸性活性基团，可解离出阳离子，使膜呈负电性，选择性透过阳离子；阴离子交换膜含有碱性活性基团，可解离出阴离子，使膜呈正电性，选择性透过阴离子。根据结构材料，离子交换膜可分为均相和异相两种型式，它们的特性比较如表4-9所示。

表4-9 均相膜、异相膜特性比较

离子交换膜的厚度不超过0.5mm，其大小根据电渗析器结构裁剪成长方形，并且在膜的两端开出供不同液流通过的小孔。图4-77所示为一种离子交换膜的结构。

4.隔板

隔板与离子交换膜形成电渗析器液流通道。隔板材料多采用硬聚氯乙烯或聚丙烯塑料，一般为带边框网状结构，隔板的厚度约0.9mm。隔板的形式按水流在其中的流动状况，可分为回流式和直流式隔板。如图4-78所示为一种直流式电渗析隔板。直流式隔板中水流是从一个或多个进水孔经布水道直线地流过隔板再由对应的出水孔流出。其特点是水流线速度较小，水流阻力较低，有效面积较大。回流式隔板一般只一个进液孔和一个出液孔，液流从进口经布液道进入隔板窄长的流槽中来回流动，最后从出液孔流出。其特点是水流线速度较大，湍流搅动较好，脱盐流程长，脱盐率较高，但水流阻力较大，沿水流方向浓度差异较大，电流密度分布也不均匀，允许极限电流较低。

图4-77 离子交换膜

图4-78 直流式电渗析隔板

5.电极板

电极板由电极材料、极框和导水板等构成所谓的电极板。电极与电源相连，为膜堆提供电渗析分离所需的电场。常见电极材料有涂钌钛丝网、石墨板和不锈钢板，它们均可做阴极和阳极。极框所用材料通常为硬塑料（聚乙烯），用于镶嵌电极材料及提供极水流通，其上侧面有极水引管接头，垂直于框面方向根据相应电渗析器构成所需，有供各种液流通过的孔道。电极板分端电极板和中间电极板两种型式，前者每块含一件电极，后者正反面各有一个电极。图4-79所示为这两种电极板实物。

图4-79 电极板

6.夹紧装置

夹紧装置由上下两组铁夹板和一组紧固螺栓等构成。