[membrane science and technology] ion exchange membranes - fundamentals and applications volume 12...
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Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
Fundamentals
1 Preparation of Ion Exchange Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 Invention of an Ion Exchange Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Sandwich Method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Latex Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Block Polymerization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5 Paste Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6 Irradiation Graft Polymerization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.7 Heterogeneous Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 Membrane Property Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1 Sampling and Pretreatment of Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2 Electric Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 Ion Exchange Capacity and Water Content. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 Transport Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5 Solute Permeability Coefficient. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6 Electro Osmotic Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.7 Water Permeation Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.8 Swelling Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.9 Mechanical Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.10 Electrodialysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3 Membrane Characteristics and Transport Phenomena. . . . . . . . . . 37
3.1 Permselectivity between Ions Having DifferentCharged Sign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 Permselectivity between Ions Having the Same
Charged Sign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3 Electric Conductivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4 Membrane Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5 Concentration Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.6 Mechanism to Decrease Divalent Ion Permeability . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.7 Research on Membrane Treatment to Decrease Divalent
Ion Permeability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4 Theory of Teorell, Meyer and Sievers (TMS Theory) . . . . . . . . . . 59
4.1 Membrane Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.2 Diffusion Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.3 Electric Conductivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4 Transport Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5 Irreversible Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.1 Phenomenological Equation and PhenomenologicalCoefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2 Reflection Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3 Electrodialysis Phenomena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.4 Separation of Salt and Water by Electrodialysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6 Overall Mass Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.1 Overall Membrane Pair Characteristics and MassTransport Across a Membrane Pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2 The Overall Mass Transport Equation and The
Phenomenological Equation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.3 Reflection Coefficient s, Hydraulic Conductivity
LP and Solute Permeability o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.4 Pressure Reflection Coefficient and Concentration
Reflection Coefficient: Electric Current Switching
Off Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.5 Irreversible Thermodynamic Membrane Pair
Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7 Concentration Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
7.1 Current–Voltage Relationship . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 977.2 Concentration Polarization Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.3 Chlonopotentiometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.4 Refractive Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.5 Natural Convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7.6 Fluctuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.7 Overlimiting Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.8 Mass Transport in a Boundary Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
7.9 Concentration Polarization on a Concentrating Surface
of an Ion Exchange Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
8 Water Dissociation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8.1 Current–pH Relationship . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8.2 Diffusional Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.3 Repulsion Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
8.4 Membrane Surface Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
8.5 Wien Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
x
8.6 Protonation and Deprotonation Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
8.7 Hydrolysis of Magnesium Ions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
8.8 Experimental Research on the Water Dissociation . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
8.9 Water Dissociation Arising in Seawater Electrodialysis. . . . . . . . . . . . . . 169
8.10 Mechanism of Water Dissociation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
9 Current Density Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
9.1 Current Density Distribution in an Electrodialyzer . . . . . . . . . . . . . . . . 187
9.2 Current Density Distribution Around an Insulator and
Electric Current Shadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
10 Hydrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
10.1 Solution Flow and I–V Curves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
10.2 Effect of a Spacer on Solution Flow (Theoretical) . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
10.3 Effect of a Spacer on Solution Flow (Experimental). . . . . . . . . . . . . . . . 215
10.4 Local Flow Distribution in a Flow Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
10.5 Effect of Solution Flow on Limiting Current Density and Static
Head Loss in a Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
10.6 Air Bubble Cleaning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.7 Friction Factor of a Spacer and Solution Distribution to
Each Desalting Cell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
10.8 Pressure Distribution in a Duct in an Electrodialyzer . . . . . . . . . . . . . . . 236
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
11 Limiting Current Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
11.1 Concentration Polarization, Water Dissociation and
Limiting Current Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
11.2 Diffusion Layer and Boundary Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
11.3 Limiting Current Density Equation Introduced from the
Nernst–Planck Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
11.4 Dependence of Limiting Current Density on Electrolyte
Concentration and Solution Velocity of a Solution . . . . . . . . . . . . . . . . 248
11.5 Limiting Current Density Analysis Based on the Mass
Transport in a Desalting Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
11.6 Solution Velocity Distribution Between Desalting Cells
in a Stack. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
11.7 Limiting Current Density of an Electrodialyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
12 Leakage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
12.1 Electric Current Leakage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
12.2 Solution Leakage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
13 Energy Consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
13.1 Energy Requirements in an Electrodialysis System. . . . . . . . . . . . . . . . . 285
xi
13.2 Energy Consumption in a Stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
14 Membrane Deterioration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
14.1 Membrane Property Change with Elapsed Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29314.2 Surface Fouling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
14.3 Organic Fouling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
Applications
1 Elecrodialysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
1.1 Overview of Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
1.2 Electrodialyzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
1.3 Electrodialysis Process. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
1.4 Energy Consumption and Optimum Current Density . . . . . . . . . . . . . . . 340
1.5 Surrounding Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
1.6 Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
2 Electrodialysis Reversal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
2.1 Overview of Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
2.2 Spacer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
2.3 Water Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
2.4 Prevention of Scale Formation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
2.5 Anti-organic Fouling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
2.6 Colloidal Deposit Formation on the Membrane Surface and
Its Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
2.7 Nitrate and Nitrite Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
2.8 Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
3 Bipolar Membrane Electrodialysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
3.1 Overview of Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
3.2 Preparation of Bipolar Membranes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
3.3 Performance of a Bipolar Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
3.4 Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
4 Electro-deionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
4.1 Overview of Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
4.2 Mass Transfer in the EDI System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
4.3 Structure of the EDI Unit and Energy Consumption . . . . . . . . . . . . . . . 445
4.4 Water Dissociation in an EDI Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
4.5 Removal of Weakly-Ionized Species in an EDI Process . . . . . . . . . . . . . 448
4.6 Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
xii
5 Electrolysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
5.1 Overview of Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
5.2 Ion Exchange Membrane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
5.3 Material Flow and Electrode Reaction in an Electrolysis System. . . . . . . 469
5.4 Electrolyzer and its Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
5.5 Purification of Salt Water in an Electrolysis Process. . . . . . . . . . . . . . . . 479
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
6 Diffusion Dialysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
6.1 Overview of Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
6.2 Transport Phenomena in Diffusion Dialysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
6.3 Diffusion Dialyzer and its Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
6.4 Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
7 Donnan Dialysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
7.1 Overview of Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
7.2 Mass Transport in Donnan Dialysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
7.3 Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
8 Energy Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
8.1 Dialysis Battery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
8.2 Redox Flow Battery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
8.3 Fuel Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
INDEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
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