电渗析技术及其应用

电渗析(ED) 是在直流电场作用下，利用离子交换膜的选择透过性，带电离子透过离子交换膜定向迁移，从水溶液和其他不带电组分中分离出来，从而实现对溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的目的。
目前电渗折技术己发展成一个大规模的化工单元过程，在膜分离领域占有重要地位。广泛应用于化工脱盐，海水淡化，食品医药和废水处理等领域，在某些地区已成为饮用水的主要生产方法，具有能量消耗少，经济效益显著; 装置设计与系统应用灵活，操作维修方便，不污染环境，装置使用寿命长，原水的回收率高等优点。
1、几种常见的电渗析技术
1．1填充床电渗析(EDI)
填充床电渗析又称电脱离子法(Electrodeio －nizattono 简称EDI) 。它是将电渗析法与离子交换法结合起来的一种水处理方法，即在电渗析的除盐室中填充阴阳离子交换剂，利用电渗析过程中极化现象对离子交换填充床进行电化学再生，它兼有电渗析技术的连续除盐和离子交换技术深度脱盐的优点，又避免了电渗析技术浓差极化和离子交换技术中的酸碱再生等带来的问题。填充床电渗析淡水室装有混合阴、阳离子交换树脂或装填离子交换纤维等，两边是浓室(与极室在一起) 。它的工作过程一般分为三个步骤:
(1) 离子交换过程，淡水室中的离子交换树脂对水中电解质离子的交换作用，达到去除水中的离子;
(2) 离子选择性迁移，在外电场作用下，水中电解质沿树脂颗粒构成的导电传递路径迁移到膜表面并透过离子交换膜进入浓室;
(3)电化学再生过程，存在于树脂、膜与水相接触的扩散层中的极化作用使水解离为H+和OH-，它们除部分参与负载电流外大多数对树脂起再生作用，从而使离子交换、离子迁移、电再生三个过程相伴发生，相互促进，实现了连续去除离子的过程。
一般水中含盐量为50～15000mg/L时都可使用，而对含盐量低的水更为适宜。这种方法基本上能够除去水中全部离子，所以它在制备高纯水及处理放射性废水方面有着广泛的用途。
1．2倒极电渗析( EDR)
EDR的原理和电渗析法基本是相同的，只是在运行过程中，EDR每隔一定的时间，正负电极极性相互倒换一次(国内电渗析器一般2～4h倒换一次) ，因此称现行的倒极电渗析为频繁倒极电渗析。
EDR系统是由电渗析本体、整流器及自动倒极系统三部分组成的，其倒极一般分以下三个步骤:
(1) 转换直流电源电极的极性，使浓、淡室互换，离子流动反向进行;
(2) 转换进、出水阀门，使浓、淡室的供排水系统互换;
(3) 极性转换后持续1～2min，将不合格淡水归入浓水系统，然后浓、淡水各行其路，恢复正常运行。倒极电渗析器的使用，大大提高了电渗析操作电流和水回收率，延长了运行周期在饮用水净化和锅炉补给水处理等有广泛的应用。
1．3高温电渗析
高温电渗析是将电渗析的进水温度加热到80℃，使溶液的粘度下降，扩散系数增大，离子迁移数增加，有利于极限电流密度的大幅增大，从而提高电渗析器的脱盐能力，降低动力消耗，从而降低处理费用，尤其是对有余热可利用的工厂更为适宜。
高温电渗析虽然有脱盐能力大，投资省及运转费用低等许多优点，可是存在耐高温膜的研制以及需增加热交换器而要消耗一部分热能的问题，因此，在什么情况下采用多高的温度，需要从投资，运转费用及水温等方面综合进行技术经济比较。
1．4无极水电渗析技术
无极水电渗析，它的主要特点是取消了传统电渗析的极室和极水，原水利用率可达70% 以上，该装置(如图1所示) 的电极紧贴一层或多层阴离子交换膜，它们在电气上都是相互联接的，这样既可以防止金属离子进入离子交换膜，同时又防止极板结垢，延长电极的使用寿命。该装置在运行方式上采用频繁倒极，全自动操作，以城市自来水为进水，单台多级多段配置，脱盐率可达99% 以上。目前，无极水全自动控制电渗析器已在国内北京、西安、安徽等地使用，还远销东南亚。

图1无极水电渗析器的结构示意
1．5无隔板电渗析器
传统电渗析器，一般由浓淡水隔板、离子交换膜和电极等部件组装而成。无隔板电渗析器由JM离子交换网膜和电极为主要部件组装而成的新型电渗析器。它主要是用JM离子交换网膜构件取代离子交换膜和隔板，此新构件具有普通离子交换膜和隔板的功能。该机在相同条件下与有隔板的电渗析器比较，脱盐速率快，电耗可降低20%以上。
1．6卷式电渗析
卷式电渗析器是一种类似卷式反渗透组件结构的电渗析器，它的阴阳离子交换膜都放在同心圆筒内，并卷成螺旋状。卷式电渗析器的结构是将电极夹在离子交换膜内制成特殊的膜堆电极，阴阳离子交换膜与绝缘隔网板制成淡水U形流道单元，并与淡水集配水管的侧壁相通，膜堆电极与淡水流道单元之间夹入一张绝缘网隔板构成浓水流道单元，然后以淡水集配水管为中心卷制成圆筒体。阳极在圆筒的中心，阴极安放在圆筒的外壳上，淡液和浓液沿膜间通道流动，管道与图平面垂直，淡液通过管道而进出。卷式电渗析器其主要缺点是螺旋膜堆难以密封，特别是圆筒中心管既作电极用，又要作集水管用，由于存在电极反应，使得离子交换膜与中心管粘结的部分不易密封。
1．7液膜电渗析( EDLM)
液膜电渗析是用具有相同功能的液态阴阳离子交换膜代替固态的阴阳离子交换膜，液膜电渗析的研究对象以分离无机物为主，但规模均处于小试验阶段，其试验模型是用半透性玻璃纸将液膜溶液包制成薄层状的隔板，然后装入电渗析器中运行。液膜电渗析在浓缩、提取化合物、合成高纯物质、脱盐等方面已有相关应用。液膜电渗析把化学反应、扩散和电迁移三者结合起来，开拓了液膜应用研究的新领域，具有广阔的发展前景。
1．8双极性膜电渗析( EDMB)
双极膜是一种新型离子交换复合膜，它一般由阴离子交换树脂层和阳离子交换脂层及中间界面亲水层组成。在直流电场作用下，从膜外渗透入膜间的水分子即刻分解成H+ 和OH-，可作为H+和OH-的供应源。利用这一特点，将双极性膜与其它阴、阳离子交换膜组合而成的双极性膜电渗析系统，能够在不引入新组分的情况下，将水溶液中的盐转化生成相应的酸和碱，这称为双极膜电渗析法。如图2 所示，含盐水MX在阴膜和阳膜之间的隔室流动，施加直流电后，双极性膜的界面层发生水的解离，H+同阴离子X-结合形成酸，OH-同阳离子M+结合形成碱。

图2 三隔室双极性膜电渗析模型
双极膜电渗析系统通过巧妙的组合，可分别应用于化工、环保、生物化工、海洋化工等诸多领域，并有望解决这些领域中的技术难题，给这些领域注入新的生机和活力。
1．9离子隔膜电解
离子隔膜电解是将电渗析技术和电解技术结合起来的一种新工艺。我们以离子交换膜电解食盐水为例，用一阳离子交换膜分隔电解槽中阴阳极室，构成两室电解槽，向阳极室引入饱和NaCl 溶液，阴极室引入蒸馏水，当输入直流电进行电解后，食盐水溶液中的部分氯离子在阳极上失去电子生成氯气并逸出。阳极溶液中剩下的钠离子随溶液一同向阴极迁移，流入阴极的电解液，其中的氢离子在阴极得到电子生成氢气自电解槽阴极室逸出。由于氢离子不断放电析出氢气，从而进一步促使水进行电离。由于阳离子交换膜的固定基团带负电荷，它和溶液中的Na + 离子异性电荷相吸，结果只允许Na + 离子通过，而对Cl － 离子排斥，于是Na+ 离子迁入阴极室，它和OH-相结合，生成NaOH。目前，工业上用的较多的是立式隔膜电解槽。隔膜电解由于它充分利用两电极之反应，并将阳极区和阴极区的反应物和产物分开的功能和优点。它广泛地应用在化工、环保、有色冶金等领域。
2、电渗析技术应用
2． 1 水处理
2． 1． 1 工业废水处理
电渗析可用于电镀废水、重金属废水等的处理，提取废水中的金属离子等，既能回收利用水和有用资源，又减少了污染排放。万诗贵等自制离子膜电解槽研究了铜生产过程中钝化液处理的可行性，结果发现，不仅可以回收其中的铜和锌，而且将Cr3 +氧化成Cr6 + ，再生了钝化液。K． N． Njau 则利用膜电解从镀镍废液中电沉积出镍。电渗析法与离子交换法结合从酸洗废液中回收重金属和酸的工艺已在工业上应用。以阳树脂为主的阴、阳树脂分层填充的电去离子装置，对重金属废水进行处理，可以实现重金属废水的回收和利用，达到闭路循环和*。
电渗析还可以用于碱性废水及有机废水的处理。污染控制与资源化研究国家重点实验室对采用离子膜电解法对处理环氧丙烷氯醇化尾气碱洗废水进行了研究。在电解电压5． 0 V 时，循环处理3 h，废水COD 去除率可达78%，废水中碱回收率可达73． 55%，为后续生化单元起到良好的预处理作用。利用电渗析法处理高浓度复合有机酸废水，浓度为3% ～ 15%，无废渣及二次污染，得到的浓溶液含酸20% ～ 40%，可以回收处理，废水中含酸量可降至0． 05% ～ 0． 3%。川化股份有限公司采用特殊电渗析装置处理冷凝废水，zui大处理量为36 t /h，浓水中硝酸铵体积百分比含量为20%，回收率达96% 以上，合格淡水排放水中氨氮质量分数含量≤40 mg /L。
2． 1． 2 饮用水及过程水处理
我国在西南地区采用电渗析法将盐泉卤水制盐，使NaCl 的含量稳定提高到120 g /L，与原来采用的单纯熬盐法相比，产量增加而成本降低。山东铝矿业公司生活饮用水采用浓水频繁倒极电渗析处理，处理后的水质为: 总硬度H0 = 174． 75 mg /L; 溶解性总固体为255． 0 mg /L; 总铁量＜ 0．3 mg /L。山西某发电厂亚临界锅炉补给水系统采用了EDI技术锅炉补给水电导率＜ 0． 06，SiO2为3 μg /L。以反渗透出水为进水，采用双极膜电渗析制造出电导率为0． 056 μs /cm 高纯水。
2． 2 食品和化学工业应用
2． 2． 1 食品工业
在白酒生产中把握质量zui关键的一环是勾兑，而勾兑用水的质量是很重要的，它不仅影响白酒的内在质量，还影响白酒的外观质量，使用电渗析法处量勾兑用水，可使水质明显改善，达到国家标准。用电渗析法祛除葡萄酒中的酒石酸盐比传统冷冻法更，更加节约能源资源，葡萄酒的感官质量得到提高。有研究人员采用国产离子交换膜运用电渗析技术进行酱油脱盐的可行性试验，证明了电渗析对酱油的脱盐是切实可行的分离方法。采用电渗析技术可一步实现维生素C 钠盐脱盐目的，转化率高达99%，平均电流效率约70%，其副产品NaOH稀溶液也可被有效利用。
2． 2． 2 生化行业
进行了电渗析脱盐分离发酵液中氨基酸的研究。采用高性能离子交换膜，应用电渗析脱盐法，分离提纯N － 乙酰－ L － 半胱氨酸，取得了较为满意的效果。根据双极性膜电渗析
系统的特点，即双极性膜的阳膜析出H + ，阴膜析出OH － ，可以把双极性膜电渗析技术应用于大豆蛋白质的分离，其有有很多优点: 整个生产过程不需要添加酸和碱，资源可以循环利用，耗水少，分离出的蛋白质中盐含量明显减少。
3、结语
随着科学技术的发展，电渗析技术的应用将更多地被研究出来。如电渗析系统有可能代替氯气，成为水处理一种新型实用灭菌方法。此外，电渗析技术在皮肤给药、电渗析排毒仪、海藻中提取碘、络合酮脱盐、人工肾、氧化钛颜料脱色、同价离子分离、电泳涂漆、铀电解还原、碱性氧化铝的制备、甲基丙烯聚合等方面的应用也已经开始研究和应用，因此，电渗析技术的应用前景是十分广阔的。