電滲析技術的原理發展應用分析

1. 引言
在社會經濟發展和人類日常生活中，水資源是*的生命要素，地球上的水資源大約有2.5%～3.5% 是淡水，而在這部分水中僅有0.3%～0.8% 的水是人類所能直接利用的，*
有12億人口處于缺水狀態，而又有五億人口處于缺水的邊緣。我國水資源問題主要表現為人均占有量低、分布不均以及污染嚴重等方面。我國淡水資源總量雖居*六，但人均占有量僅居*109位。目前我國有110個城市嚴重缺水，主要分布在華北、東北、西北和沿海地區。水資源的分布不均，以及水資源日益匱乏，促使人類尋求各種脫鹽技術，用先進的技術來調節水資源的質量和數量，使水資源能夠滿足人們生存和發展的需要。膜分離技術作為在20 世紀興起的一種分離技術，在上世紀60年代從實驗室到工業，得以長足的發展。目前為止，在很大程度上，已經緩解了缺水問題。電滲析技術作為一種膜法水處理技術，由于其對分離組分的選擇性高，原水回收率高，不污染環境等優點，正受到越來越多的關注，成為目前水處理的熱點之一。
2. 電滲析的原理
電滲析技術是在離子交換法的基礎上發展起來的除鹽方法，是膜分離技術的一種，它的工作原理相對于反滲透、納濾、超濾、微濾來講，推動力不是壓力差，而是電位差。它將陰、陽離子交換膜交替排列于正負電極之間。并用特制的隔板將其隔開，組成除鹽（淡化）和濃縮兩個系統，在直流電場作用下，利用離子交換膜的選擇透過性（其實質是反擴散），一部分水淡化，一部分水濃縮，把電解質從溶液中分離出來, 從而實現溶液的濃縮、淡化、精制和提純。與其它膜分離技術相比，電滲析只需要稍微做預處理，并且不受壓力的影響，即可以得
到高質量的水，另外的一個優勢是不需要能量的轉換，電能可以直接利用，即使在能量的輸入發生直接變化時，也可以直接利用。
3. 電滲析技術的發展及分類
zui早的電滲析技術始于1950年，當時結合了電滲析和離子交換法的優點逐步發展起來了填充床電滲析（EDI），它具有不用酸堿再生、產水周期長、耗電少等優點，實現了持續深度脫鹽，使電滲析技術進入了實用階段。早期的電滲析技術被廣泛應用于苦咸水和海水淡化、化學工業、廢水處理、食品工業。其中經歷了三大革新：（1）具有選擇性離子交換膜的應用；（2）設計出多隔室電滲析組件；（3）采用頻繁倒極操作模式。隨著科學技術的發展，離子交換膜各方面的性能及電滲析裝置結構等不斷革新和改進，在石油廢水處理和天然氣、煤層
氣、煙氣脫硫以及生物工程、醫藥等新領域也得到廣泛應用，并取得了良好效果，具有顯著的社會效益和經濟效益。
幾種電滲析技術：
（1）倒極電滲析器（EDR）
倒極電滲析器就是根據ED 的原理，每隔特定時間（一般為15～20 min），正負電極極性相互倒換，能自動清洗離子交換膜和電極表面形成的污垢，以確保離子交換膜工作效率的長期穩定及淡化水的水質水量。EDR包括兩方面內容，一是電極極性的倒換，二是電滲析濃淡水進出口閥門的切換，可以長期連續生產合格的淡水。當自動運行時，系統無須操作便可自動連續制水。我國EDR技術的應用始于1985年，倒極電滲析器的使用，大大提高了水回收率，延長了運行周期。倒極電滲析的缺點是其結構較為復雜, 故障排除較困難，抗干擾性較差，對安裝地點環境要求較高，使得倒極電滲析的應用在一定程度上受到限制。
（2）填充床電滲析器（EDI）
填充床電滲析器（EDI）是將電滲析與離子交換法結合起來的一種新型水處理方法，通常是在電滲析器的淡室隔板中裝填陰、陽離子交換樹脂，結合離子交換膜，在直流電場作用下實現去離子過程的水處理技術。填充床電滲析的zui大特點是利用水解離產生的H+ 和OH-，自動再生填充在電滲析器淡水室中的混床離子交換樹脂上，從而實現了持續深度脫鹽。它集中了電滲析和離子交換法的優點，提高了極限電流密度和電流效率。由于填充床電滲析中填充的離子交換劑具有降低膜堆電阻、促進離子傳輸的特點，一些研究者采用該技術用于去除廢水中的金屬離子，如從NiSO4溶液中去除Ni2+，處理含Cu2+以及Cr6+ 的溶液。填充床電滲析技術具有高度先進性和實用性，在電子、醫藥、能源等領域具有廣闊的應用前景，可望成為純水制造的主流技術。
（3）液膜電滲析器（EDLM）
電滲析器中的固態離子交換膜用具有相同功能的液態膜來代替，就構成液膜電滲析工藝。目前液膜電滲析在國內研究較少，但是它能夠將化學反應、擴散過程和電遷移三者結合起來，再加上國外大量液膜技術研究的成功經驗，未來將有廣闊的應用前景。張瑞華等人利用半透性玻璃紙將液膜溶液包封制成薄層狀的隔板，然后裝入小型電滲析器中進行運轉做了一系列實驗研究：濃縮和提取化合物（提取鋨、濃縮鉑系金屬、硫氰酸鋅及硫氰酸鑭，回收硫酸和提取硫酸）、合成高純物質（合成高純高錸酸銨）、脫鹽（脫除NaCl）。
研究表明，液膜電滲析比傳統的電滲析具有更加的分離效果。
（4）雙極膜電滲析器（EDMB）
雙極膜是一種新型離子交換復合膜，在直流電場作用下，雙極膜可將水離解，在膜兩側分別得到氫離子和氫氧根離子，能夠在不引入新組分的情況下將水溶液中的鹽轉化為對應的酸和堿。尤其是以雙極膜技術為基礎的水解離領域成為電滲析工業中新的增長點, 也是目前增長zui快和潛力zui大的領域之一。目前雙極膜電滲析工藝主要應用在酸、堿制備領域，也涉及到環境、化工、生物、食品、海洋化工和能源等各個領域。另外，在發展清潔生產和循環經濟過程中所起到的作用日益顯著。
因為利用雙極膜電滲析進行水解離，比直接電解水要經濟得多，雙極膜電滲析器的優點是過程簡單，能效高，廢物排放少。以雙極膜為基礎的水解離技術已成為電滲析技術目前研究和應用的首要目標。另外，為了適應不同需求，達到更優的處理效果，出現了多種電滲析組合工藝。如：電滲析—離子交換樹脂工藝、電滲析—超濾工藝、反滲透—電滲析—超濾工藝、沉淀—過濾—電滲析—離子交換工藝等。這些工藝各具特色，不僅提高了產水質量，克服了每種單一工藝的缺點，而且有效地降低了成本，表現出了比較大的應用優勢，又具有比較好的處理效果。因此對各種不同特點的廢水，尋求一個合理的組合工藝來區別對待也是電滲析技術發展的方向。
4. 離子交換膜的種類
根據膜體結構（或按制造工藝）的不同，離子交換膜分為異相膜和均相膜兩種。均相膜的離子交換樹脂與成膜相合為一體，膜結構中只存在一種相態，不存在相界面。異相膜的制備需要使用粘合劑，使其具有分相結構，含有離子交換活性基團的部分與粘合劑部分具有不同的化學組成，離子交換基團在膜內的分布是不均勻和不連續的。從膜的微觀角度看，均相膜的膜孔徑均勻程度以及離子交換基團分布的均勻程度均高于異相膜，但是均相膜厚度和膜內孔道長度均小于異相膜。另一方面，膜體結構的不同對水解離過程也產生影響。對于同樣高度的樹脂床層，采用均相膜時其離子傳遞速率較大。由于水中較低的離子濃度和淡化室內不同位置離子濃度的差異，導致產生較大的離子濃度梯度，從而促使了水解離反應的發生和床層樹脂的電再生。
雖然在離子脫除過程中，均相膜離子傳遞速率大，但因均相膜的費用較高，在很多應用中使用起來不經濟，所以，目前來講，在應用中以異相膜為主。
5. 電滲析的影響因素
從電滲析的原理可以看出，電滲析需要在直流電場的作用下，以此作為動力，使溶液通過離子交換膜，進行淡化處理，以達到脫鹽的目的。以此看出，電壓、電流是影響電滲析的重要因素，同時，流量與溶液的初始濃度也是影響淡化效率的重要因素。
5.1 電流
電能是電滲析過程中zui主要的傳質推動力。因此，電流的大小直接決定著脫鹽過程的速率。濃差極化是電滲析過程中一個極為重要的概念。極化是在電滲析過程中，物料在脫鹽室、濃縮室流動時，離子交換膜與水之間存在一個滯留層，在直流電場作用下，溶質發生定向遷移，在工作電流增加到一定程度時，主體溶液中的離子不能迅速補充到膜的表面，此時膜表面的離子濃度趨于零，引起滯留層中大量水分子電離，并生成H+和OH-離子來負載電荷，此現象稱為極化。而此時的電流密度也達到了一個極限值，稱為極限電流。在電滲析過程中，增大電流密度，酸堿濃度會迅速增大，脫鹽的效率也會相應增加。因為電流密度增大，所需要的處理時間縮短，同離子滲漏和濃差擴散的量較少，產物濃度略有增加。在電滲析過程中，若使用高電流強度將會得出令人滿意的結果，但是伴隨著濃差極化的發生，使電流強度的提高受到限制，若操作電流強度高于濃差極化的極限電流強度，往往會出現電流效率下降、能耗上升、pH 紊亂、大量氣泡產生（水電解）、膜發生沉淀結垢和堵塞等不良現象，嚴重影響電滲析的正常運行，電滲析效率下降，并且縮短電滲析器的使用壽命。為強化操作過程，必須選擇適宜的電流強度。因此，對極限電流的研究是極其重要的。不少學者對極限電流進行了試驗研究。采用雙極膜電滲析從琥珀酸鈉中分離琥珀酸, 實驗中考察了不同的操作電流對琥珀酸濃度、電流效率以及能耗等的影響，通過大量實驗進行*技術參數的研究，zui后選定在2.0A 的*操作電流下，對1L 濃度為0.5mol/L 的琥珀酸鈉進行處理. 此時產生的琥珀酸質量濃度可達52.55g/L，平均能耗為3.24kW·h/kg，電流效率可達88%。利用電滲析技術處理糠醛廢水過程中對極限電流進行了探討，研究發現：如果極化現象產生將引起膜表面產生沉淀，使膜電阻明顯增大，電流效率、脫酸率、產水量降低也隨之下降，并且使電滲析器的使用壽命大大降低。
5.2 電壓
由于電極間的電阻一定，當電極兩端所加的電壓越大，通過溶液的電流就越大，在單位時間內就有更多的陰陽離子通過離子交換膜，脫鹽效率也會越大。但是電壓過大，電流也會增大，就會出現濃差極化的現象，另一方面，能耗也會增加。
在電滲析運行的過程中，必須保證電壓的穩定，電壓發生變動，會引起水壓突然波動，會使電滲析器隔板移動錯位，造成隔板變形及漏水，使水處理不*，影響后續一系列活動的進行。如果需要切換電壓，必須先停止電滲析的運行后再進行更換電壓。對不同電壓對出水離子濃度的影響進行探討，得出結論：在一定范圍內，電壓越高，淡室的出水中離子含量就越少，離子濃度與電壓呈負相關；而濃室的出水中離子含量就越多，離子濃度與電壓呈正相關。
5.3 流量
在電滲析過程中若流量超過一定的值，會對膜堆造成很大的沖擊，減小膜的壽命，若流量過小，處理效率較低，也會造成膜堆沉淀。但總體來說，增大流量，對溶液的處理時間會變短，提率。另外，隨著流量的提高，極限電流會增大，因為提高流量，流速變大，使脫酸濃縮兩室的溶液攪拌更加激烈，膜與溶液間的界面層的厚度變薄，擴散阻力減小，有利于離子的擴散和遷移，致使極限電流值增大。所以，尋求合適的流量值，對于電滲析過程也是至關重要的。
5.4 溶液初始濃度
在處理一定的鹽溶液時，提高初始濃度和增加極室鹽溶液濃度均能降低操作電壓，從而降低能耗。
對初始濃度對電滲析效果的影響進行了實驗研究，結果表明，在NaCl的初始濃度為5g/L、電壓為9V的情況下，當濃度降至0.5 g/L時需要大約65min，而當NaCl的初始濃度為10g/L，其它的條件均不變，在溶液濃度再次降至0.5g/L時，所需時間為160min?？傊?，初始濃度越小，脫鹽效率越高。
上述各種影響因素之間是互相關聯的，通過模擬的L- 谷氨酸進行電滲析的分離處理，對影響電滲析器極限電流密度的因素進行了探討，闡述了設備的選用、溫度、流量、溶液濃度等因素之間的關系，得出電滲析器的極限電流密度分別隨著操作物料流量、操作溫度、物料濃稀相進料濃度比的上升而上升的結論。
6. 電滲析的應用
6.1 海水、苦咸水淡化
常用的海水、苦咸水淡化技術主要有蒸餾法及膜法。過去，蒸餾技術在海水淡化市場占據主流位置，一是因為這種技術便于結合水和電的生產，另外，則因為能源補貼有利于這些高能耗的技術。不過，近年來，大部分新建的淡化水工廠多采用膜處理技術，膜技術主要有反滲透、納濾、電滲析等。由于電滲析技術在能耗方面較低，去鹽效果好，所以較其它幾種處理技術具有顯著優勢。利用電滲析技術進行海水淡化時，由于受海洋環境和海水特性的影響，海水淡化工程與其它水處理工程相比，在設計和施工上差異較大。應考慮潮位差、風浪、微生物和貝類生長、海水濁度的季節性變化、細菌繁殖和有機物等因素的影響。1981年, 我國在西沙永興島成功建成了日產200噸淡化水的電滲析海水淡化站，采用二組10級一次連續流程，海水原水含鹽35000mg/L，產出淡水含鹽為500 mg/L， 總電耗為16.5 W·h/t。所謂苦咸水是含鹽量為1000mg/L以上的水，而苦咸水淡化就是降低水中的鹽成分使其達到一定的標準，用于灌溉或工業用水，甚至可作為飲用水。在苦咸水淡化方面，反滲透和納濾雖然應用相對廣泛，但因其脫鹽率是一定的，無法在同一套系統中實現不同原水水質、不同出水要求的轉換，不易用同一微咸水淡化系統滿足不同作物灌溉用水要求。而電滲析技術在苦咸水淡化方面提供了一種可行的方法，它可以通過改變電流、電壓，來滿足不同含鹽量水的要求。電滲析技術*次出現在文獻中，就是由美國的Ionics 公司制成了世界上*臺電滲析裝置，并用于苦咸水淡化，在電滲析技術對苦咸水淡化過程中，抑制和控制微溶鹽的結垢沉淀是十分重要的。目前常用的方法有添加阻垢劑、離子交換軟化、加酸去除進水中的碳酸根和重碳酸根以及降低水回收率、避免超過溶度積。
6.2 化工行業
電滲析技術在化工行業的應用比較成熟，已取得較大成效。電滲析技術在工業廢水處理方面的應用有電鍍廢水處理、冶金工業廢水處理、氯堿工業廢水處理、造紙工業廢水處理、放射性生產廢水處理等方面的應用。利用電滲析技術淡化頁巖地層水，并對出水進行回收利用，證明了電滲析技術對地層水的脫鹽是切實可行的分離方法。由于雙極膜電滲析較傳統電滲析有很多優點：資源可以循環利用，耗水少，出水鹽含量明顯較少等，可以把雙極性膜電滲析技術應用于脫鹽處理。分別在間歇模式和連續操作模式下，對雙極膜電滲析（EDBM）與發酵罐原位集成的可行性進行了考查，接著又進行了電滲析技術對氮磷的資源化，結果證明雙極膜電滲析技術對氮磷的回收利用是可行的。分別利用傳統電滲析及雙極膜電滲析對ZnO 洗滌液進行淡化，主要針對溶液中的氯離子的去除，取得了較為滿意的效果。
另外，電滲析技術在處理沸點相差較小的物質分離時，較反滲透、超濾、微濾比較有優勢，如醇類與水的沸點相差較小。若采用傳統的精餾分離或其它膜技術將十分困難。電滲析具有脫除和濃集離子的雙重功能，在許多應用上，電滲析技術則顯得較為方便并能夠達到理想的分離效果。
6.3 食品行業
隨著科學技術的發展，電滲析技術在食品行業中的應用是近年來的一大熱點，而且發展非常迅速。
它不僅可以提高產品的純度，而且還能有效地脫除酸、鹽等雜質，使食品的質量得到保證，并能夠保持原有的營養成分。電滲析技術在食品方面的應用有牛乳、乳清的脫鹽、果汁的去酸、食品添加劑的制備等。利用電滲析技術對大豆低聚糖溶液進行脫鹽，經過電滲析處理后，脫鹽率可以達到96.07%，低聚糖的保留率達到83.82%。因此認為，利用電滲析法對大豆低聚糖的粗提液進行脫鹽處理具有一定的可行性，并以此為基礎進一步在實際工業生產中運用。采用電滲析技術代替傳統的離子交換樹脂工藝對蘋果汁生產過程中所加入的無機鹽進行脫除，取得了滿意的效果。
6.4 醫藥行業
目前膜技術日臻成熟，已開始應用于醫藥領域，如臨床用于血透、血液凈化、親和過濾、腎透等。為醫藥生產的提取、分離、濃縮、純化一體化工程技術的解決提供了保證, 為提高醫藥生產企業的整體水平奠定了基礎。而電滲析技術作為膜技術的一種，在醫藥工業方面的應用主要有制備制藥用水與注射用水，皮膚給藥工藝，電滲析排毒儀，制備各種藥品等方面。此外，由于一般制藥廠廢水中都含有大量的有機物及氨基酸等具有回收價值的物質，電滲析技術還可用于制備分離提純甘氨酸（可用作藥物溶劑、緩沖劑解毒劑等）、亞氨基二乙酸（順
鉑類抗癌藥物的重要原料）等各種藥物的原料。制備了P-二茂鐵-SA/ 乙?；F-CS 雙極膜，并利用該雙極膜將五氯吡啶脫氯，成功制備了2,3,5,6- 四氯吡啶，同時也對環境污染嚴重的五氯吡啶廢物進行了處理。但是電滲析自身的一些局限性，進入食品和醫藥行業，消毒仍然是一個重要問題，今后在這方面應重點研究的課題有:有較好的溫度穩定性的膜、較好的雙極膜、蒸汽消毒膜、抗污染膜。
6.5 生物發酵行業
電滲析技術在生物工程方面的應用主要有蛋白質的分離和氨基酸廢水的處理。電滲析脫鹽速度快，脫鹽率可以很好地控制，蛋白質損失少，而且脫鹽的規模易于擴大，電滲析過程中蛋白質不是被稀釋,而是在脫鹽的過程中同時被濃縮。鑒于以上優點，近年來電滲析技術在生物工程方面的應用越來越廣泛。運用電滲析方法對模擬發酵液進行脫鹽處理，在選定的操作條件下，模擬發酵液的脫鹽率及氨基酸的回收率均>85%，同時可去除絕大部分的乳酸和少量的葡萄糖，從而達到了很好的分離效果。在生物冶煉過程中進行了單一的酸性氨基酸的分離。通過改變脈沖電流密度，成功的對蛋白質溶液進行了分離實驗。但是，電滲析技術在用于蛋白質等生物大分子的脫鹽時，由于電滲析膜的孔徑較小，基本上所有的生物大分子都不能穿過膜。因此它不能用于分子量較大的蛋白質之間的分離。