電滲析技術(shù)及其應用

電滲析(ED) 是在直流電場(chǎng)作用下，利用離子交換膜的選擇透過(guò)性，帶電離子透過(guò)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(lái)，從而實(shí)現對溶液的濃縮、淡化、精制和提純的目的。
目前電滲折技術(shù)己發(fā)展成一個(gè)大規模的化工單元過(guò)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，食品醫藥和廢水處理等領(lǐng)域，在某些地區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(zhù); 裝置設計與系統應用靈活，操作維修方便，不污染環(huán)境，裝置使用壽命長(cháng)，原水的回收率高等優(yōu)點(diǎn)。
1、幾種常見(jiàn)的電滲析技術(shù)
1．1填充床電滲析(EDI)
填充床電滲析又稱(chēng)電脫離子法(Electrodeio －nizattono 簡(jiǎn)稱(chēng)EDI) 。它是將電滲析法與離子交換法結合起來(lái)的一種水處理方法，即在電滲析的除鹽室中填充陰陽(yáng)離子交換劑，利用電滲析過(guò)程中極化現象對離子交換填充床進(jìn)行電化學(xué)再生，它兼有電滲析技術(shù)的連續除鹽和離子交換技術(shù)深度脫鹽的優(yōu)點(diǎn)，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(lái)的問(wèn)題。填充床電滲析淡水室裝有混合陰、陽(yáng)離子交換樹(shù)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(guò)程一般分為三個(gè)步驟:
(1) 離子交換過(guò)程，淡水室中的離子交換樹(shù)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(chǎng)作用下，水中電解質(zhì)沿樹(shù)脂顆粒構成的導電傳遞路徑遷移到膜表面并透過(guò)離子交換膜進(jìn)入濃室;
(3)電化學(xué)再生過(guò)程，存在于樹(shù)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對樹(shù)脂起再生作用，從而使離子交換、離子遷移、電再生三個(gè)過(guò)程相伴發(fā)生，相互促進(jìn)，實(shí)現了連續去除離子的過(guò)程。
一般水中含鹽量為50～15000mg/L時(shí)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(zhù)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(guò)程中，EDR每隔一定的時(shí)間，正負電極極性相互倒換一次(國內電滲析器一般2～4h倒換一次) ，因此稱(chēng)現行的倒極電滲析為頻繁倒極電滲析。
EDR系統是由電滲析本體、整流器及自動(dòng)倒極系統三部分組成的，其倒極一般分以下三個(gè)步驟:
(1) 轉換直流電源電極的極性，使濃、淡室互換，離子流動(dòng)反向進(jìn)行;
(2) 轉換進(jìn)、出水閥門(mén)，使濃、淡室的供排水系統互換;
(3) 極性轉換后持續1～2min，將不合格淡水歸入濃水系統，然后濃、淡水各行其路，恢復正常運行。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(cháng)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(jìn)水溫度加熱到80℃，使溶液的粘度下降，擴散系數增大，離子遷移數增加，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(dòng)力消耗，從而降低處理費用，尤其是對有余熱可利用的工廠(chǎng)更為適宜。
高溫電滲析雖然有脫鹽能力大，投資省及運轉費用低等許多優(yōu)點(diǎn)，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(wèn)題，因此，在什么情況下采用多高的溫度，需要從投資，運轉費用及水溫等方面綜合進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟比較。
1．4無(wú)極水電滲析技術(shù)
無(wú)極水電滲析，它的主要特點(diǎn)是取消了傳統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(jìn)入離子交換膜，同時(shí)又防止極板結垢，延長(cháng)電極的使用壽命。該裝置在運行方式上采用頻繁倒極，全自動(dòng)操作，以城市自來(lái)水為進(jìn)水，單臺多級多段配置，脫鹽率可達99% 以上。目前，無(wú)極水全自動(dòng)控制電滲析器已在國內北京、西安、安徽等地使用，還遠銷(xiāo)東南亞。

圖1無(wú)極水電滲析器的結構示意
1．5無(wú)隔板電滲析器
傳統電滲析器，一般由濃淡水隔板、離子交換膜和電極等部件組裝而成。無(wú)隔板電滲析器由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)膜構件取代離子交換膜和隔板，此新構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(lèi)似卷式反滲透組件結構的電滲析器，它的陰陽(yáng)離子交換膜都放在同心圓筒內，并卷成螺旋狀。卷式電滲析器的結構是將電極夾在離子交換膜內制成特殊的膜堆電極，陰陽(yáng)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(yáng)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(dòng)，管道與圖平面垂直，淡液通過(guò)管道而進(jìn)出。卷式電滲析器其主要缺點(diǎn)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(yáng)離子交換膜代替固態(tài)的陰陽(yáng)離子交換膜，液膜電滲析的研究對象以分離無(wú)機物為主，但規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。液膜電滲析把化學(xué)反應、擴散和電遷移三者結合起來(lái)，開(kāi)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(shù)脂層和陽(yáng)離子交換脂層及中間界面親水層組成。在直流電場(chǎng)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。利用這一特點(diǎn)，將雙極性膜與其它陰、陽(yáng)離子交換膜組合而成的雙極性膜電滲析系統，能夠在不引入新組分的情況下，將水溶液中的鹽轉化生成相應的酸和堿，這稱(chēng)為雙極膜電滲析法。如圖2 所示，含鹽水MX在陰膜和陽(yáng)膜之間的隔室流動(dòng)，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(jué)-結合形成酸，OH-同陽(yáng)離子M+結合形成堿。

圖2 三隔室雙極性膜電滲析模型
雙極膜電滲析系統通過(guò)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。
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)結合起來(lái)的一種新工藝。我們以離子交換膜電解食鹽水為例，用一陽(yáng)離子交換膜分隔電解槽中陰陽(yáng)極室，構成兩室電解槽，向陽(yáng)極室引入飽和NaCl 溶液，陰極室引入蒸餾水，當輸入直流電進(jìn)行電解后，食鹽水溶液中的部分氯離子在陽(yáng)極上失去電子生成氯氣并逸出。陽(yáng)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(jìn)一步促使水進(jìn)行電離。由于陽(yáng)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，結果只允許Na + 離子通過(guò)，而對Cl － 離子排斥，于是Na+ 離子遷入陰極室，它和OH-相結合，生成NaOH。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(yáng)極區和陰極區的反應物和產(chǎn)物分開(kāi)的功能和優(yōu)點(diǎn)。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(wàn)詩(shī)貴等自制離子膜電解槽研究了銅生產(chǎn)過(guò)程中鈍化液處理的可行性，結果發(fā)現，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。K． N． Njau 則利用膜電解從鍍鎳廢液中電沉積出鎳。電滲析法與離子交換法結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。以陽(yáng)樹(shù)脂為主的陰、陽(yáng)樹(shù)脂分層填充的電去離子裝置，對重金屬廢水進(jìn)行處理，可以實(shí)現重金屬廢水的回收和利用，達到閉路循環(huán)和*。
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(diǎn)實(shí)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(jìn)行了研究。在電解電壓5． 0 V 時(shí)，循環(huán)處理3 h，廢水COD 去除率可達78%，廢水中堿回收率可達73． 55%，為后續生化單元起到良好的預處理作用。利用電滲析法處理高濃度復合有機酸廢水，濃度為3% ～ 15%，無(wú)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，zui大處理量為36 t /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)量分數含量≤40 mg /L。
2． 1． 2 飲用水及過(guò)程水處理
我國在西南地區采用電滲析法將鹽泉鹵水制鹽，使NaCl 的含量穩定提高到120 g /L，與原來(lái)采用的單純熬鹽法相比，產(chǎn)量增加而成本降低。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． 75 mg /L; 溶解性總固體為255． 0 mg /L; 總鐵量＜ 0．3 mg /L。山西某發(fā)電廠(chǎng)亞臨界鍋爐補給水系統采用了EDI技術(shù)鍋爐補給水電導率＜ 0． 06，SiO2為3 μg /L。以反滲透出水為進(jìn)水，采用雙極膜電滲析制造出電導率為0． 056 μs /cm 高純水。
2． 2 食品和化學(xué)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zui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在質(zhì)量，還影響白酒的外觀(guān)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冷凍法更，更加節約能源資源，葡萄酒的感官質(zhì)量得到提高。有研究人員采用國產(chǎn)離子交換膜運用電滲析技術(shù)進(jìn)行醬油脫鹽的可行性試驗，證明了電滲析對醬油的脫鹽是切實(shí)可行的分離方法。采用電滲析技術(shù)可一步實(shí)現維生素C 鈉鹽脫鹽目的，轉化率高達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。
2． 2． 2 生化行業(yè)
進(jìn)行了電滲析脫鹽分離發(fā)酵液中氨基酸的研究。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(mǎn)意的效果。根據雙極性膜電滲析
系統的特點(diǎn)，即雙極性膜的陽(yáng)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(diǎn): 整個(gè)生產(chǎn)過(guò)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。
3、結語(yǔ)
隨著(zhù)科學(xué)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(lái)。如電滲析系統有可能代替氯氣，成為水處理一種新型實(shí)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(luò )合酮脫鹽、人工腎、氧化鈦顏料脫色、同價(jià)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(kāi)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。