電滲析（ED）技術(shù)和電去離子技術(shù)（EDI）的應(yīng)用研究

摘 要：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(yùn)行、環(huán)境友好等顯著優(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。電去離子技術(shù)是在普通電滲析的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，廣泛應(yīng)用于純水和超純水的制備。本文著重介紹了電滲析技術(shù)和電去離子技術(shù)在水處理、食品和化工等方面的應(yīng)用，并簡(jiǎn)要探討了電滲析技術(shù)及其發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：電滲析；電去離子；離子交換膜；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 電滲析技術(shù)的簡(jiǎn)介

電滲析是在外加直流電場(chǎng)的作用下， 利用離子交換膜的選擇透過(guò)性， 使離子從一部分水中遷移到另一部分水中的物理化學(xué)過(guò)程。ED作為一種工業(yè)技術(shù)，其真正發(fā)展時(shí)期是從1950年美國(guó)人W·Juda發(fā)明了對(duì)陰、陽(yáng)離子分別具有選擇透過(guò)性能的陰、陽(yáng)離子交換膜后才開(kāi)始的。我國(guó)的ED技術(shù)起步于1958年，中科院化學(xué)研究所研制出了紙質(zhì)均相陰、陽(yáng)離子交換膜，此膜曾用于從自來(lái)水ED脫鹽制取初級(jí)脫鹽水。

2 電滲析原理

ED是在直流電場(chǎng)作用下溶液中帶電離子通過(guò)半透膜的遷移過(guò)程，是一種物質(zhì)分離方法，其中離子交換膜和直流電場(chǎng)是ED分離方法不可缺少的兩個(gè)條件。電滲析主要用于水溶液脫鹽或濃縮。ED脫鹽原理如圖1所示。

圖1是由陽(yáng)、陰膜交替排列在一對(duì)陰、陽(yáng)電極之間構(gòu)成的電滲析槽，有10個(gè)隔室。將NaCl溶液分別通入這10個(gè)隔室中，加直流電壓。在電場(chǎng)力作用下，帶正電荷的Na+離子和帶負(fù)電荷的Cl-離子將分別向陰、陽(yáng)兩極移動(dòng)。因?yàn)殡x子交換膜對(duì)離子具有選擇透過(guò)性，水中所有的Na+離子向陰極移動(dòng)時(shí)和所有的Cl-離子向陽(yáng)極移動(dòng)時(shí)，2，4，6，8，10室中的Na+離子和Cl-離子分別通過(guò)陽(yáng)膜和陰膜到各自鄰室，從而達(dá)到脫鹽的目的。因此，2，4，6，8，10室稱為淡化室或脫鹽室，從淡化室匯總出來(lái)的水稱為淡水或脫鹽水；1，3，5，7，9室中的Na+和Cl-離子在遷移過(guò)程中被陰陽(yáng)膜阻擋而留在本室中。這樣，它們與來(lái)自兩邊鄰室的Na+離子和Cl-離子一道而構(gòu)成濃縮水，因此，1，3，5，7，9室稱為濃縮室，從濃縮室匯總出來(lái)的水稱為濃水或濃縮水。

3 電滲析技術(shù)的應(yīng)用

（1）微咸水和咸水脫鹽

ED作為發(fā)明最早的脫鹽技術(shù)，除了針對(duì)膜污染進(jìn)行研究，還研制出了倒極電滲析技術(shù)。盡管倒極電滲析技術(shù)在世界微咸水和咸水脫鹽中還發(fā)揮作用（如大欽島苦咸水淡化和滄州農(nóng)村苦咸水淡化），但是其所占份額相對(duì)較少。另外，ED制備的出水水質(zhì)較差，能耗較高，所以競(jìng)爭(zhēng)力逐漸減弱；而反滲透雖然能耗低，出水水質(zhì)好，但是其回收率較低，且濃水易造成二次污染。反滲透-電滲析耦合脫鹽突破了回收率的限制，因?yàn)槭褂肊D可以有效的緩解濃差極化、降低反滲透膜-水界面的滲透壓以及降低能耗。同時(shí)這種耦和技術(shù)能耗低，可有效避免濃水導(dǎo)致的二次污染。Korngold等發(fā)現(xiàn)ED可以將0.2%-2%的濃鹽水濃縮到12%-20%，能耗約為1.5-7.1kWh/m3，與蒸發(fā)濃縮能耗（25kWh/m3）相比低的多。

（2）回收金屬表面處理工藝廢水中的重金屬

ED可用于回收金屬表面處理工藝廢水中的重金屬鎳，該工藝是由旭硝子公司開(kāi)發(fā)的（Itoi等，1986）。鍍鎳工藝包括若干步淋洗步驟。在該工藝中，從第一淋洗段流出的溶液濃度高，這樣，通常將流出液返回電鍍?cè)〔⒆詈蠊ざ蔚牧鞒鲆号欧诺簟榱颂岣逳i的回收率和降低來(lái)自最后淋洗段的廢水中Ni含量，將ED段流程設(shè)計(jì)為在第一淋洗段中收集Ni離子并將其返回到電鍍?cè)≈小?/p>

（3）化工分離

隨著市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)物純度要求的日益嚴(yán)格，分離投資和操作費(fèi)用逐漸增加，廢液處理量和處理費(fèi)用也隨之增加。針對(duì)適宜的物系ED技術(shù)則可以降低分離投入、提高產(chǎn)率以及減少環(huán)境污染。ED在化工操作中可以靈活的集成，既可以在反應(yīng)后進(jìn)行分離，也可以在反應(yīng)過(guò)程中進(jìn)行分離。

4 電去離子技術(shù)

4.1 電去離子技術(shù)簡(jiǎn)介

電去離子技術(shù)也叫填充床電滲析，英文縮寫EDI，就是在電滲析器的淡水室中裝填陰、陽(yáng)離子交換劑（包括樹(shù)脂、纖維或其它形狀的離子交換材料）的一種電滲析技術(shù)。

4.2 電去離子技術(shù)原理

EDI技術(shù)利用離子交換樹(shù)脂和離子交換膜的特點(diǎn)，在直流電場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)連續(xù)去除離子以及樹(shù)脂再生。它具有以下優(yōu)良特性：（1）保留了ED可以連續(xù)脫鹽和離子交換樹(shù)脂可以深度脫鹽的優(yōu)點(diǎn)；（2）改善濃差極化造成的不良影響；（3）避免了由于使用酸堿再生離子交換樹(shù)脂而產(chǎn)生的環(huán)境污染。

EDI工作原理如圖2所示。

填充材料的選擇是EDI的關(guān)鍵技術(shù)，離子交換樹(shù)脂和離子交換纖維是EDI膜堆主要的填充材料，具有離子吸附、交換的作用。填充材料應(yīng)滿足交換容量高、交換速度快、水流阻力小、導(dǎo)電能力強(qiáng)、強(qiáng)度高、無(wú)溶出物等性能。

離子交換樹(shù)脂的填充方式主要包括：均勻混合式填充、兩層式填充、交錯(cuò)多層式填充和分置式填充。均勻混合式填充是把陰、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂按一定比例（通常為體積比）混合均勻后填充到淡室中。兩層式填充是按水流動(dòng)的方向把陰、陽(yáng)樹(shù)脂分上、下兩層填充在淡室中。分層式填充是把陰、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂分別按照一定厚度交錯(cuò)排列成許多層填充在淡室中。分置式填充方式是在陽(yáng)淡水室（陽(yáng)極板和陽(yáng)膜直構(gòu)成的隔室）填充陽(yáng)離子交換樹(shù)脂；在陰淡水室（陰極板和陰膜構(gòu)成的隔室）填充陰離子交換樹(shù)脂，陽(yáng)膜陰膜之間構(gòu)成了濃水室，原溶液水流首先經(jīng)過(guò)陽(yáng)室再進(jìn)入陰室，產(chǎn)水從陰室流出，濃室進(jìn)水通過(guò)濃室后直接外排，此種填充方式先天的缺陷較多，整體技術(shù)不成熟?；旌咸畛?、分成填充和分置式填充形式分別如圖3、圖4和圖5所示。

4.3 電去離子技術(shù)的應(yīng)用

（1）純水和超純水的制備

傳統(tǒng)的純水制備方法主要有蒸餾和離子交換，蒸餾方法能耗高，效率低；離子交換方法需要消耗大量的酸堿溶液和清洗水，勞動(dòng)強(qiáng)度大。EDI過(guò)程不僅可以使離子交換樹(shù)脂進(jìn)行連續(xù)電再生，同時(shí)可減少環(huán)境污染，而且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、高效節(jié)能、勞動(dòng)強(qiáng)度低、出水純度高。

（2）化工產(chǎn)品的純化與濃縮

Myriam等采用填充纖維織物的EDI裝置純化含P2O5濃度11%的工業(yè)磷酸溶液，處理5h后，濃縮工業(yè)磷酸中P2O5濃度高達(dá)58%，而且除Fe金屬離子外，Mg2+、Cr3+、Cd2+、Zn2+等離子的去除率均達(dá)到30%，為更高濃度的工業(yè)磷酸分離純化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

綜上所述，隨著新型離子交換膜及離子交換樹(shù)脂的開(kāi)發(fā)和利用，必將促進(jìn)EDI技術(shù)將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如電滲析系統(tǒng)有可能代替氯氣，成為水處理一種新型實(shí)用滅菌方法。同時(shí)，該技術(shù)在皮膚給藥、電滲析排毒儀、海藻中提取碘、絡(luò)合酮脫鹽、電泳涂漆和甲基丙烯聚合等方面也具備了一定的研究基礎(chǔ)和應(yīng)用條件。因此，電滲析技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1] Valero F， Barceló A， Arbós R. Electrodialysis technology： theory and applications[J]. Desalination， trends and technologies， InTech， 2011： 3-20.

[2] Pellegrino J， Gorman C， Richards L. A speculative hybrid reverse osmosis/electrodialysis unit operation[J]. Desalination， 2007， 214（1）： 11-30.

[3] Bazinet L. Electrodialytic phenomena and their applications in the dairy industry： a review[J]. BFSN， 2005， 44（7-8）： 525-544.

[4] Kunin R， Myers R J. Ion Exchange Resins[M]. New York： John Wiley&Sons， 1950，109.

[5] Walters W R， Weiser D W， Marek L J. Concentration of Radioactive Aqueous Wastes. Electromigration Through Ion-Exchange Membranes[J]. Industrial & Engineering Chemistry， 1955， 47（1）： 61-67.

作者簡(jiǎn)介：楊飛黃（1981-），男，漢族，河北保定人，碩士研究生，工程師。研究方向：水污染防治、土壤污染防治、工業(yè)節(jié)能技術(shù)等。