電滲析技術(shù)及其應用

李長海，黨小建，張雅瀟

(1.西安熱工研究院有限公司，陜西西安 710043;2.西安有色冶金設計研究院，陜西 西安 710001)

電滲析技術(shù)及其應用

李長海1，黨小建1，張雅瀟2

(1.西安熱工研究院有限公司，陜西西安 710043;2.西安有色冶金設計研究院，陜西 西安 710001)

電滲析技術(shù)是膜分離技術(shù)之一，具有低能耗，高效率，連續(xù)運行、環(huán)境友好等顯著優(yōu)點，在多個行業(yè)中有著廣泛的使用。簡述了幾種常見的電滲析技術(shù)，包括填充床電滲析，倒極電滲析和雙膜電滲析等，著重介紹了電滲析技術(shù)在水處理、食品和化工方面的應用，并簡單探討了電滲析技術(shù)其發(fā)展前景。

電滲析;離子交換膜;分離;應用

0 引言

電滲析(ED)是在直流電場作用下，利用離子交換膜的選擇透過性，帶電離子透過離子交換膜定向遷移，從水溶液和其他不帶電組分中分離出來，從而實現(xiàn)對溶液的濃縮、淡化、精制和提純的目的［1］。

目前電滲折技術(shù)己發(fā)展成一個大規(guī)模的化工單元過程，在膜分離領(lǐng)域占有重要地位。廣泛應用于化工脫鹽，海水淡化，食品醫(yī)藥和廢水處理等領(lǐng)域，在某些地區(qū)已成為飲用水的主要生產(chǎn)方法，具有能量消耗少，經(jīng)濟效益顯著;裝置設計與系統(tǒng)應用靈活，操作維修方便，不污染環(huán)境，裝置使用壽命長，原水的回收率高等優(yōu)點［2］。

1 幾種常見的電滲析技術(shù)

1.1 填充床電滲析(EDI)

填充床電滲析又稱電脫離子法(Electrodeionizattono簡稱EDI)。它是將電滲析法與離子交換法結(jié)合起來的一種水處理方法，即在電滲析的除鹽室中填充陰陽離子交換劑，利用電滲析過程中極化現(xiàn)象對離子交換填充床進行電化學再生，它兼有電滲析技術(shù)的連續(xù)除鹽和離子交換技術(shù)深度脫鹽的優(yōu)點，又避免了電滲析技術(shù)濃差極化和離子交換技術(shù)中的酸堿再生等帶來的問題［3］。填充床電滲析淡水室裝有混合陰、陽離子交換樹脂或裝填離子交換纖維等，兩邊是濃室(與極室在一起)。它的工作過程一般分為三個步驟:(1)離子交換過程，淡水室中的離子交換樹脂對水中電解質(zhì)離子的交換作用，達到去除水中的離子;(2)離子選擇性遷移，在外電場作用下，水中電解質(zhì)沿樹脂顆粒構(gòu)成的導電傳遞路徑遷移到膜表面并透過離子交換膜進入濃室;(3)電化學再生過程，存在于樹脂、膜與水相接觸的擴散層中的極化作用使水解離為H+和OH－，它們除部分參與負載電流外大多數(shù)對樹脂起再生作用，從而使離子交換、離子遷移、電再生三個過程相伴發(fā)生，相互促進，實現(xiàn)了連續(xù)去除離子的過程［4］。

一般水中含鹽量為50～15000mg/L時都可使用，而對含鹽量低的水更為適宜。這種方法基本上能夠除去水中全部離子，所以它在制備高純水及處理放射性廢水方面有著廣泛的用途。

1.2 倒極電滲析(EDR)

EDR的原理和電滲析法基本是相同的，只是在運行過程中，EDR每隔一定的時間，正負電極極性相互倒換一次(國內(nèi)電滲析器一般2～4h倒換一次)，因此稱現(xiàn)行的倒極電滲析為頻繁倒極電滲析。EDR系統(tǒng)是由電滲析本體、整流器及自動倒極系統(tǒng)三部分組成的，其倒極一般分以下三個步驟:(1)轉(zhuǎn)換直流電源電極的極性，使?jié)狻⒌一Q，離子流動反向進行;(2)轉(zhuǎn)換進、出水閥門，使?jié)?、淡室的供排水系統(tǒng)互換;(3)極性轉(zhuǎn)換后持續(xù)1～2min，將不合格淡水歸入濃水系統(tǒng)，然后濃、淡水各行其路，恢復正常運行［5］。倒極電滲析器的使用，大大提高了電滲析操作電流和水回收率，延長了運行周期在飲用水凈化和鍋爐補給水處理等有廣泛的應用。

1.3 高溫電滲析

高溫電滲析是將電滲析的進水溫度加熱到80℃，使溶液的粘度下降，擴散系數(shù)增大，離子遷移數(shù)增加，有利于極限電流密度的大幅增大，從而提高電滲析器的脫鹽能力，降低動力消耗，從而降低處理費用，尤其是對有余熱可利用的工廠更為適宜［6］。高溫電滲析雖然有脫鹽能力大，投資省及運轉(zhuǎn)費用低等許多優(yōu)點，可是存在耐高溫膜的研制以及需增加熱交換器而要消耗一部分熱能的問題，因此，在什么情況下采用多高的溫度，需要從投資，運轉(zhuǎn)費用及水溫等方面綜合進行技術(shù)經(jīng)濟比較。

1.4 無極水電滲析技術(shù)

無極水電滲析，它的主要特點是取消了傳統(tǒng)電滲析的極室和極水，原水利用率可達70%以上，該裝置(如圖1所示)的電極緊貼一層或多層陰離子交換膜，它們在電氣上都是相互聯(lián)接的，這樣既可以防止金屬離子進入離子交換膜，同時又防止極板結(jié)垢，延長電極的使用壽命［7］。該裝置在運行方式上采用頻繁倒極，全自動操作，以城市自來水為進水，單臺多級多段配置，脫鹽率可達99%以上。目前，無極水全自動控制電滲析器已在國內(nèi)北京、西安、安徽等地使用，還遠銷東南亞。

圖1 無極水電滲析器的結(jié)構(gòu)示意

1.5 無隔板電滲析器

傳統(tǒng)電滲析器，一般由濃淡水隔板、離子交換膜和電極等部件組裝而成。1994年，江維達設計出了無隔板電滲析器［8］，由JM離子交換網(wǎng)膜和電極為主要部件組裝而成的新型電滲析器。它主要是用JM離子交換網(wǎng)膜構(gòu)件取代離子交換膜和隔板，此新構(gòu)件具有普通離子交換膜和隔板的功能。該機在相同條件下與有隔板的電滲析器比較，脫鹽速率快，電耗可降低20%以上。

1.6 卷式電滲析

卷式電滲析器是一種類似卷式反滲透組件結(jié)構(gòu)的電滲析器，它的陰陽離子交換膜都放在同心圓筒內(nèi)，并卷成螺旋狀。卷式電滲析器的結(jié)構(gòu)是將電極夾在離子交換膜內(nèi)制成特殊的膜堆電極，陰陽離子交換膜與絕緣隔網(wǎng)板制成淡水U形流道單元，并與淡水集配水管的側(cè)壁相通，膜堆電極與淡水流道單元之間夾入一張絕緣網(wǎng)隔板構(gòu)成濃水流道單元，然后以淡水集配水管為中心卷制成圓筒體。陽極在圓筒的中心，陰極安放在圓筒的外殼上，淡液和濃液沿膜間通道流動，管道與圖平面垂直，淡液通過管道而進出［9］。卷式電滲析器其主要缺點是螺旋膜堆難以密封，特別是圓筒中心管既作電極用，又要作集水管用，由于存在電極反應，使得離子交換膜與中心管粘結(jié)的部分不易密封。

1.7 液膜電滲析(EDLM)

液膜電滲析是用具有相同功能的液態(tài)陰陽離子交換膜代替固態(tài)的陰陽離子交換膜，液膜電滲析的研究對象以分離無機物為主，但規(guī)模均處于小試驗階段，其試驗模型是用半透性玻璃紙將液膜溶液包制成薄層狀的隔板，然后裝入電滲析器中運行。液膜電滲析在濃縮、提取化合物、合成高純物質(zhì)、脫鹽等方面已有相關(guān)應用［10］。液膜電滲析把化學反應、擴散和電遷移三者結(jié)合起來，開拓了液膜應用研究的新領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展前景。

1.8 雙極性膜電滲析(EDMB)

雙極膜是一種新型離子交換復合膜，它一般由陰離子交換樹脂層和陽離子交換脂層及中間界面親水層組成。在直流電場作用下，從膜外滲透入膜間的水分子即刻分解成 H+和 OH－，可作為 H+和OH－的供應源［11］。利用這一特點，將雙極性膜與其它陰、陽離子交換膜組合而成的雙極性膜電滲析系統(tǒng)，能夠在不引入新組分的情況下，將水溶液中的鹽轉(zhuǎn)化生成相應的酸和堿，這稱為雙極膜電滲析法［12］。如圖2所示，含鹽水MX在陰膜和陽膜之間的隔室流動，施加直流電后，雙極性膜的界面層發(fā)生水的解離，H+同陰離子X－結(jié)合形成酸，OH－同陽離子M+結(jié)合形成堿。

圖2 三隔室雙極性膜電滲析模型

雙極膜電滲析系統(tǒng)通過巧妙的組合，可分別應用于化工、環(huán)保、生物化工、海洋化工等諸多領(lǐng)域，并有望解決這些領(lǐng)域中的技術(shù)難題，給這些領(lǐng)域注入新的生機和活力［13］。

1.9 離子隔膜電解

離子隔膜電解是將電滲析技術(shù)和電解技術(shù)結(jié)合起來的一種新工藝。我們以離子交換膜電解食鹽水為例，用一陽離子交換膜分隔電解槽中陰陽極室，構(gòu)成兩室電解槽，向陽極室引入飽和NaCl溶液，陰極室引入蒸餾水，當輸入直流電進行電解后，食鹽水溶液中的部分氯離子在陽極上失去電子生成氯氣并逸出。陽極溶液中剩下的鈉離子隨溶液一同向陰極遷移，流入陰極的電解液，其中的氫離子在陰極得到電子生成氫氣自電解槽陰極室逸出。由于氫離子不斷放電析出氫氣，從而進一步促使水進行電離。由于陽離子交換膜的固定基團帶負電荷，它和溶液中的Na+離子異性電荷相吸，結(jié)果只允許Na+離子通過，而對Cl－離子排斥，于是Na+離子遷入陰極室，它和OH－相結(jié)合，生成 NaOH［14］。目前，工業(yè)上用的較多的是立式隔膜電解槽。隔膜電解由于它充分利用兩電極之反應，并將陽極區(qū)和陰極區(qū)的反應物和產(chǎn)物分開的功能和優(yōu)點。它廣泛地應用在化工、環(huán)保、有色冶金等領(lǐng)域。

2 電滲析技術(shù)應用

2.1 水處理

2.1.1 工業(yè)廢水處理

電滲析可用于電鍍廢水、重金屬廢水等的處理，提取廢水中的金屬離子等，既能回收利用水和有用資源，又減少了污染排放。萬詩貴等自制離子膜電解槽研究了銅生產(chǎn)過程中鈍化液處理的可行性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不僅可以回收其中的銅和鋅，而且將 Cr3+氧化成 Cr6+，再生了鈍化液［15］。K.N.Njau 則利用膜電解從鍍鎳廢液中電沉積出鎳［16］。電滲析法與離子交換法結(jié)合從酸洗廢液中回收重金屬和酸的工藝已在工業(yè)上應用。王方［17］設計的以陽樹脂為主的陰、陽樹脂分層填充的電去離子裝置，對重金屬廢水進行處理，可以實現(xiàn)重金屬廢水的回收和利用，達到閉路循環(huán)和零排放。

電滲析還可以用于堿性廢水及有機廢水的處理。污染控制與資源化研究國家重點實驗室對采用離子膜電解法對處理環(huán)氧丙烷氯醇化尾氣堿洗廢水進行了研究［18?。在電解電壓 5.0V 時，循環(huán)處理3h，廢水COD去除率可達78%，廢水中堿回收率可達73.55%，為后續(xù)生化單元起到良好的預處理作用。齊魯石油化工公司［19］利用電滲析法處理高濃度復合有機酸廢水，濃度為3% ～15%，無廢渣及二次污染，得到的濃溶液含酸20% ～40%，可以回收處理，廢水中含酸量可降至0.05% ～0.3%。川化股份有限公司采用特殊電滲析裝置處理冷凝廢水，最大處理量為36t/h，濃水中硝酸銨體積百分比含量為20%，回收率達96%以上，合格淡水排放水中氨氮質(zhì)量分數(shù)含量≤40mg/L［20］。

2.1.2 飲用水及過程水處理

我國在西南地區(qū)采用電滲析法將鹽泉鹵水制鹽，使NaCl的含量穩(wěn)定提高到120g/L，與原來采用的單純熬鹽法相比，產(chǎn)量增加而成本降低［21］。山東鋁礦業(yè)公司生活飲用水采用濃水頻繁倒極電滲析處理，處理后的水質(zhì)為:總硬度H0=174.75mg/L;溶解性總固體為 255.0mg/L;總鐵量 ＜ 0.3mg/L［22］。山西某發(fā)電廠亞臨界鍋爐補給水系統(tǒng)采用了EDI技術(shù)鍋爐補給水電導率 ＜0.06，SiO2為 3μg/L［23］。Grabowski［24］等以反滲透出水為進水，采用雙極膜電滲析制造出電導率為0.056μs/cm高純水。

2.2 食品和化學工業(yè)應用

2.2.1 食品工業(yè)

在白酒生產(chǎn)中把握質(zhì)量最關(guān)鍵的一環(huán)是勾兌，而勾兌用水的質(zhì)量是很重要的，它不僅影響白酒的內(nèi)在質(zhì)量，還影響白酒的外觀質(zhì)量，使用電滲析法處量勾兌用水，可使水質(zhì)明顯改善，達到國家標準。用電滲析法祛除葡萄酒中的酒石酸鹽比傳統(tǒng)冷凍法更高效，更加節(jié)約能源資源，葡萄酒的感官質(zhì)量得到提高［25］。有研究人員采用國產(chǎn)離子交換膜運用電滲析技術(shù)進行醬油脫鹽的可行性試驗［26］，證明了電滲析對醬油的脫鹽是切實可行的分離方法。采用電滲析技術(shù)可一步實現(xiàn)維生素C鈉鹽脫鹽目的，轉(zhuǎn)化率高達99%，平均電流效率約70%，其副產(chǎn)品NaOH稀溶液也可被有效利用［27］。

2.2.2 生化行業(yè)

趙婧［28］等進行了電滲析脫鹽分離發(fā)酵液中氨基酸的研究。周靜［29］等采用高性能離子交換膜，應用電滲析脫鹽法，分離提純 N－乙酰－L－半胱氨酸，取得了較為滿意的效果。根據(jù)雙極性膜電滲析系統(tǒng)的特點，即雙極性膜的陽膜析出H+，陰膜析出OH－，可以把雙極性膜電滲析技術(shù)應用于大豆蛋白質(zhì)的分離，其有有很多優(yōu)點:整個生產(chǎn)過程不需要添加酸和堿，資源可以循環(huán)利用，耗水少，分離出的蛋白質(zhì)中鹽含量明顯減少［30］。

3 結(jié)語

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，電滲析技術(shù)的應用將更多地被研究出來。如電滲析系統(tǒng)有可能代替氯氣，成為水處理一種新型實用滅菌方法。此外，電滲析技術(shù)在皮膚給藥、電滲析排毒儀、海藻中提取碘、絡合酮脫鹽、人工腎、氧化鈦顏料脫色、同價離子分離、電泳涂漆、鈾電解還原、堿性氧化鋁的制備、甲基丙烯聚合等方面的應用也已經(jīng)開始研究和應用，因此，電滲析技術(shù)的應用前景是十分廣闊的。

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Discussion on Electrodialysis technologies and its application

Electrodialysis technology is one of membrane separation technologies.Now electrodialysis has been widely used in different fields for its low energy consumption，high efficiency，continuously running and friendly to environment etc.The paper described some kinds of electrodialysis such as EDI，EDR and EDMB etc，the applications of electrodialysis in water treatment，food industry and chemical engineering were introduced，the developmental trends of electrodialysis was discussed.

electrodialysis;ion exchange membrane;separation;application

X703.1

B

1674－8069(2012)04－027－04

2012-04-12;

2012-06-07

李長海(1982-)，男，湖北武漢人，工程師，主要從事電廠化學方面的研究。E－mail:lichanghai@tpri.com.cn