电渗析技术的原理发展应用分析

1. 引言
在社会经济发展和人类日常生活中，水资源是*的生命要素，地球上的水资源大约有2.5%～3.5% 是淡水，而在这部分水中仅有0.3%～0.8% 的水是人类所能直接利用的，*
有12亿人口处于缺水状态，而又有五亿人口处于缺水的边缘。我国水资源问题主要表现为人均占有量低、分布不均以及污染严重等方面。我国淡水资源总量虽居*六，但人均占有量仅居*109位。目前我国有110个城市严重缺水，主要分布在华北、东北、西北和沿海地区。水资源的分布不均，以及水资源日益匮乏，促使人类寻求各种脱盐技术，用先进的技术来调节水资源的质量和数量，使水资源能够满足人们生存和发展的需要。膜分离技术作为在20 世纪兴起的一种分离技术，在上世纪60年代从实验室到工业，得以长足的发展。目前为止，在很大程度上，已经缓解了缺水问题。电渗析技术作为一种膜法水处理技术，由于其对分离组分的选择性高，原水回收率高，不污染环境等优点，正受到越来越多的关注，成为目前水处理的热点之一。
2. 电渗析的原理
电渗析技术是在离子交换法的基础上发展起来的除盐方法，是膜分离技术的一种，它的工作原理相对于反渗透、纳滤、超滤、微滤来讲，推动力不是压力差，而是电位差。它将阴、阳离子交换膜交替排列于正负电极之间。并用特制的隔板将其隔开，组成除盐（淡化）和浓缩两个系统，在直流电场作用下，利用离子交换膜的选择透过性（其实质是反扩散），一部分水淡化，一部分水浓缩，把电解质从溶液中分离出来, 从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯。与其它膜分离技术相比，电渗析只需要稍微做预处理，并且不受压力的影响，即可以得
到高质量的水，另外的一个优势是不需要能量的转换，电能可以直接利用，即使在能量的输入发生直接变化时，也可以直接利用。
3. 电渗析技术的发展及分类
zui早的电渗析技术始于1950年，当时结合了电渗析和离子交换法的优点逐步发展起来了填充床电渗析（EDI），它具有不用酸碱再生、产水周期长、耗电少等优点，实现了持续深度脱盐，使电渗析技术进入了实用阶段。早期的电渗析技术被广泛应用于苦咸水和海水淡化、化学工业、废水处理、食品工业。其中经历了三大革新：（1）具有选择性离子交换膜的应用；（2）设计出多隔室电渗析组件；（3）采用频繁倒极操作模式。随着科学技术的发展，离子交换膜各方面的性能及电渗析装置结构等不断革新和改进，在石油废水处理和天然气、煤层
气、烟气脱硫以及生物工程、医药等新领域也得到广泛应用，并取得了良好效果，具有显著的社会效益和经济效益。
几种电渗析技术：
（1）倒极电渗析器（EDR）
倒极电渗析器就是根据ED 的原理，每隔特定时间（一般为15～20 min），正负电极极性相互倒换，能自动清洗离子交换膜和电极表面形成的污垢，以确保离子交换膜工作效率的长期稳定及淡化水的水质水量。EDR包括两方面内容，一是电极极性的倒换，二是电渗析浓淡水进出口阀门的切换，可以长期连续生产合格的淡水。当自动运行时，系统无须操作便可自动连续制水。我国EDR技术的应用始于1985年，倒极电渗析器的使用，大大提高了水回收率，延长了运行周期。倒极电渗析的缺点是其结构较为复杂, 故障排除较困难，抗干扰性较差，对安装地点环境要求较高，使得倒极电渗析的应用在一定程度上受到限制。
（2）填充床电渗析器（EDI）
填充床电渗析器（EDI）是将电渗析与离子交换法结合起来的一种新型水处理方法，通常是在电渗析器的淡室隔板中装填阴、阳离子交换树脂，结合离子交换膜，在直流电场作用下实现去离子过程的水处理技术。填充床电渗析的zui大特点是利用水解离产生的H+ 和OH-，自动再生填充在电渗析器淡水室中的混床离子交换树脂上，从而实现了持续深度脱盐。它集中了电渗析和离子交换法的优点，提高了极限电流密度和电流效率。由于填充床电渗析中填充的离子交换剂具有降低膜堆电阻、促进离子传输的特点，一些研究者采用该技术用于去除废水中的金属离子，如从NiSO4溶液中去除Ni2+，处理含Cu2+以及Cr6+ 的溶液。填充床电渗析技术具有高度先进性和实用性，在电子、医药、能源等领域具有广阔的应用前景，可望成为纯水制造的主流技术。
（3）液膜电渗析器（EDLM）
电渗析器中的固态离子交换膜用具有相同功能的液态膜来代替，就构成液膜电渗析工艺。目前液膜电渗析在国内研究较少，但是它能够将化学反应、扩散过程和电迁移三者结合起来，再加上国外大量液膜技术研究的成功经验，未来将有广阔的应用前景。张瑞华等人利用半透性玻璃纸将液膜溶液包封制成薄层状的隔板，然后装入小型电渗析器中进行运转做了一系列实验研究：浓缩和提取化合物（提取锇、浓缩铂系金属、硫氰酸锌及硫氰酸镧，回收硫酸和提取硫酸）、合成高纯物质（合成高纯高铼酸铵）、脱盐（脱除NaCl）。
研究表明，液膜电渗析比传统的电渗析具有更加的分离效果。
（4）双极膜电渗析器（EDMB）
双极膜是一种新型离子交换复合膜，在直流电场作用下，双极膜可将水离解，在膜两侧分别得到氢离子和氢氧根离子，能够在不引入新组分的情况下将水溶液中的盐转化为对应的酸和碱。尤其是以双极膜技术为基础的水解离领域成为电渗析工业中新的增长点, 也是目前增长zui快和潜力zui大的领域之一。目前双极膜电渗析工艺主要应用在酸、碱制备领域，也涉及到环境、化工、生物、食品、海洋化工和能源等各个领域。另外，在发展清洁生产和循环经济过程中所起到的作用日益显著。
因为利用双极膜电渗析进行水解离，比直接电解水要经济得多，双极膜电渗析器的优点是过程简单，能效高，废物排放少。以双极膜为基础的水解离技术已成为电渗析技术目前研究和应用的首要目标。另外，为了适应不同需求，达到更优的处理效果，出现了多种电渗析组合工艺。如：电渗析—离子交换树脂工艺、电渗析—超滤工艺、反渗透—电渗析—超滤工艺、沉淀—过滤—电渗析—离子交换工艺等。这些工艺各具特色，不仅提高了产水质量，克服了每种单一工艺的缺点，而且有效地降低了成本，表现出了比较大的应用优势，又具有比较好的处理效果。因此对各种不同特点的废水，寻求一个合理的组合工艺来区别对待也是电渗析技术发展的方向。
4. 离子交换膜的种类
根据膜体结构（或按制造工艺）的不同，离子交换膜分为异相膜和均相膜两种。均相膜的离子交换树脂与成膜相合为一体，膜结构中只存在一种相态，不存在相界面。异相膜的制备需要使用粘合剂，使其具有分相结构，含有离子交换活性基团的部分与粘合剂部分具有不同的化学组成，离子交换基团在膜内的分布是不均匀和不连续的。从膜的微观角度看，均相膜的膜孔径均匀程度以及离子交换基团分布的均匀程度均高于异相膜，但是均相膜厚度和膜内孔道长度均小于异相膜。另一方面，膜体结构的不同对水解离过程也产生影响。对于同样高度的树脂床层，采用均相膜时其离子传递速率较大。由于水中较低的离子浓度和淡化室内不同位置离子浓度的差异，导致产生较大的离子浓度梯度，从而促使了水解离反应的发生和床层树脂的电再生。
虽然在离子脱除过程中，均相膜离子传递速率大，但因均相膜的费用较高，在很多应用中使用起来不经济，所以，目前来讲，在应用中以异相膜为主。
5. 电渗析的影响因素
从电渗析的原理可以看出，电渗析需要在直流电场的作用下，以此作为动力，使溶液通过离子交换膜，进行淡化处理，以达到脱盐的目的。以此看出，电压、电流是影响电渗析的重要因素，同时，流量与溶液的初始浓度也是影响淡化效率的重要因素。
5.1 电流
电能是电渗析过程中zui主要的传质推动力。因此，电流的大小直接决定着脱盐过程的速率。浓差极化是电渗析过程中一个极为重要的概念。极化是在电渗析过程中，物料在脱盐室、浓缩室流动时，离子交换膜与水之间存在一个滞留层，在直流电场作用下，溶质发生定向迁移，在工作电流增加到一定程度时，主体溶液中的离子不能迅速补充到膜的表面，此时膜表面的离子浓度趋于零，引起滞留层中大量水分子电离，并生成H+和OH-离子来负载电荷，此现象称为极化。而此时的电流密度也达到了一个极限值，称为极限电流。在电渗析过程中，增大电流密度，酸碱浓度会迅速增大，脱盐的效率也会相应增加。因为电流密度增大，所需要的处理时间缩短，同离子渗漏和浓差扩散的量较少，产物浓度略有增加。在电渗析过程中，若使用高电流强度将会得出令人满意的结果，但是伴随着浓差极化的发生，使电流强度的提高受到限制，若操作电流强度高于浓差极化的极限电流强度，往往会出现电流效率下降、能耗上升、pH 紊乱、大量气泡产生（水电解）、膜发生沉淀结垢和堵塞等不良现象，严重影响电渗析的正常运行，电渗析效率下降，并且缩短电渗析器的使用寿命。为强化操作过程，必须选择适宜的电流强度。因此，对极限电流的研究是极其重要的。不少学者对极限电流进行了试验研究。采用双极膜电渗析从琥珀酸钠中分离琥珀酸, 实验中考察了不同的操作电流对琥珀酸浓度、电流效率以及能耗等的影响，通过大量实验进行*技术参数的研究，zui后选定在2.0A 的*操作电流下，对1L 浓度为0.5mol/L 的琥珀酸钠进行处理. 此时产生的琥珀酸质量浓度可达52.55g/L，平均能耗为3.24kW·h/kg，电流效率可达88%。利用电渗析技术处理糠醛废水过程中对极限电流进行了探讨，研究发现：如果极化现象产生将引起膜表面产生沉淀，使膜电阻明显增大，电流效率、脱酸率、产水量降低也随之下降，并且使电渗析器的使用寿命大大降低。
5.2 电压
由于电极间的电阻一定，当电极两端所加的电压越大，通过溶液的电流就越大，在单位时间内就有更多的阴阳离子通过离子交换膜，脱盐效率也会越大。但是电压过大，电流也会增大，就会出现浓差极化的现象，另一方面，能耗也会增加。
在电渗析运行的过程中，必须保证电压的稳定，电压发生变动，会引起水压突然波动，会使电渗析器隔板移动错位，造成隔板变形及漏水，使水处理不*，影响后续一系列活动的进行。如果需要切换电压，必须先停止电渗析的运行后再进行更换电压。对不同电压对出水离子浓度的影响进行探讨，得出结论：在一定范围内，电压越高，淡室的出水中离子含量就越少，离子浓度与电压呈负相关；而浓室的出水中离子含量就越多，离子浓度与电压呈正相关。
5.3 流量
在电渗析过程中若流量超过一定的值，会对膜堆造成很大的冲击，减小膜的寿命，若流量过小，处理效率较低，也会造成膜堆沉淀。但总体来说，增大流量，对溶液的处理时间会变短，提率。另外，随着流量的提高，极限电流会增大，因为提高流量，流速变大，使脱酸浓缩两室的溶液搅拌更加激烈，膜与溶液间的界面层的厚度变薄，扩散阻力减小，有利于离子的扩散和迁移，致使极限电流值增大。所以，寻求合适的流量值，对于电渗析过程也是至关重要的。
5.4 溶液初始浓度
在处理一定的盐溶液时，提高初始浓度和增加极室盐溶液浓度均能降低操作电压，从而降低能耗。
对初始浓度对电渗析效果的影响进行了实验研究，结果表明，在NaCl的初始浓度为5g/L、电压为9V的情况下，当浓度降至0.5 g/L时需要大约65min，而当NaCl的初始浓度为10g/L，其它的条件均不变，在溶液浓度再次降至0.5g/L时，所需时间为160min。总之，初始浓度越小，脱盐效率越高。
上述各种影响因素之间是互相关联的，通过模拟的L- 谷氨酸进行电渗析的分离处理，对影响电渗析器极限电流密度的因素进行了探讨，阐述了设备的选用、温度、流量、溶液浓度等因素之间的关系，得出电渗析器的极限电流密度分别随着操作物料流量、操作温度、物料浓稀相进料浓度比的上升而上升的结论。
6. 电渗析的应用
6.1 海水、苦咸水淡化
常用的海水、苦咸水淡化技术主要有蒸馏法及膜法。过去，蒸馏技术在海水淡化市场占据主流位置，一是因为这种技术便于结合水和电的生产，另外，则因为能源补贴有利于这些高能耗的技术。不过，近年来，大部分新建的淡化水工厂多采用膜处理技术，膜技术主要有反渗透、纳滤、电渗析等。由于电渗析技术在能耗方面较低，去盐效果好，所以较其它几种处理技术具有显著优势。利用电渗析技术进行海水淡化时，由于受海洋环境和海水特性的影响，海水淡化工程与其它水处理工程相比，在设计和施工上差异较大。应考虑潮位差、风浪、微生物和贝类生长、海水浊度的季节性变化、细菌繁殖和有机物等因素的影响。1981年, 我国在西沙永兴岛成功建成了日产200吨淡化水的电渗析海水淡化站，采用二组10级一次连续流程，海水原水含盐35000mg/L，产出淡水含盐为500 mg/L， 总电耗为16.5 W·h/t。所谓苦咸水是含盐量为1000mg/L以上的水，而苦咸水淡化就是降低水中的盐成分使其达到一定的标准，用于灌溉或工业用水，甚至可作为饮用水。在苦咸水淡化方面，反渗透和纳滤虽然应用相对广泛，但因其脱盐率是一定的，无法在同一套系统中实现不同原水水质、不同出水要求的转换，不易用同一微咸水淡化系统满足不同作物灌溉用水要求。而电渗析技术在苦咸水淡化方面提供了一种可行的方法，它可以通过改变电流、电压，来满足不同含盐量水的要求。电渗析技术*次出现在文献中，就是由美国的Ionics 公司制成了世界上*台电渗析装置，并用于苦咸水淡化，在电渗析技术对苦咸水淡化过程中，抑制和控制微溶盐的结垢沉淀是十分重要的。目前常用的方法有添加阻垢剂、离子交换软化、加酸去除进水中的碳酸根和重碳酸根以及降低水回收率、避免超过溶度积。
6.2 化工行业
电渗析技术在化工行业的应用比较成熟，已取得较大成效。电渗析技术在工业废水处理方面的应用有电镀废水处理、冶金工业废水处理、氯碱工业废水处理、造纸工业废水处理、放射性生产废水处理等方面的应用。利用电渗析技术淡化页岩地层水，并对出水进行回收利用，证明了电渗析技术对地层水的脱盐是切实可行的分离方法。由于双极膜电渗析较传统电渗析有很多优点：资源可以循环利用，耗水少，出水盐含量明显较少等，可以把双极性膜电渗析技术应用于脱盐处理。分别在间歇模式和连续操作模式下，对双极膜电渗析（EDBM）与发酵罐原位集成的可行性进行了考查，接着又进行了电渗析技术对氮磷的资源化，结果证明双极膜电渗析技术对氮磷的回收利用是可行的。分别利用传统电渗析及双极膜电渗析对ZnO 洗涤液进行淡化，主要针对溶液中的氯离子的去除，取得了较为满意的效果。
另外，电渗析技术在处理沸点相差较小的物质分离时，较反渗透、超滤、微滤比较有优势，如醇类与水的沸点相差较小。若采用传统的精馏分离或其它膜技术将十分困难。电渗析具有脱除和浓集离子的双重功能，在许多应用上，电渗析技术则显得较为方便并能够达到理想的分离效果。
6.3 食品行业
随着科学技术的发展，电渗析技术在食品行业中的应用是近年来的一大热点，而且发展非常迅速。
它不仅可以提高产品的纯度，而且还能有效地脱除酸、盐等杂质，使食品的质量得到保证，并能够保持原有的营养成分。电渗析技术在食品方面的应用有牛乳、乳清的脱盐、果汁的去酸、食品添加剂的制备等。利用电渗析技术对大豆低聚糖溶液进行脱盐，经过电渗析处理后，脱盐率可以达到96.07%，低聚糖的保留率达到83.82%。因此认为，利用电渗析法对大豆低聚糖的粗提液进行脱盐处理具有一定的可行性，并以此为基础进一步在实际工业生产中运用。采用电渗析技术代替传统的离子交换树脂工艺对苹果汁生产过程中所加入的无机盐进行脱除，取得了满意的效果。
6.4 医药行业
目前膜技术日臻成熟，已开始应用于医药领域，如临床用于血透、血液净化、亲和过滤、肾透等。为医药生产的提取、分离、浓缩、纯化一体化工程技术的解决提供了保证, 为提高医药生产企业的整体水平奠定了基础。而电渗析技术作为膜技术的一种，在医药工业方面的应用主要有制备制药用水与注射用水，皮肤给药工艺，电渗析排毒仪，制备各种药品等方面。此外，由于一般制药厂废水中都含有大量的有机物及氨基酸等具有回收价值的物质，电渗析技术还可用于制备分离提纯甘氨酸（可用作药物溶剂、缓冲剂解毒剂等）、亚氨基二乙酸（顺
铂类抗癌药物的重要原料）等各种药物的原料。制备了P-二茂铁-SA/ 乙酰基二茂铁-CS 双极膜，并利用该双极膜将五氯吡啶脱氯，成功制备了2,3,5,6- 四氯吡啶，同时也对环境污染严重的五氯吡啶废物进行了处理。但是电渗析自身的一些局限性，进入食品和医药行业，消毒仍然是一个重要问题，今后在这方面应重点研究的课题有:有较好的温度稳定性的膜、较好的双极膜、蒸汽消毒膜、抗污染膜。
6.5 生物发酵行业
电渗析技术在生物工程方面的应用主要有蛋白质的分离和氨基酸废水的处理。电渗析脱盐速度快，脱盐率可以很好地控制，蛋白质损失少，而且脱盐的规模易于扩大，电渗析过程中蛋白质不是被稀释,而是在脱盐的过程中同时被浓缩。鉴于以上优点，近年来电渗析技术在生物工程方面的应用越来越广泛。运用电渗析方法对模拟发酵液进行脱盐处理，在选定的操作条件下，模拟发酵液的脱盐率及氨基酸的回收率均>85%，同时可去除绝大部分的乳酸和少量的葡萄糖，从而达到了很好的分离效果。在生物冶炼过程中进行了单一的酸性氨基酸的分离。通过改变脉冲电流密度，成功的对蛋白质溶液进行了分离实验。但是，电渗析技术在用于蛋白质等生物大分子的脱盐时，由于电渗析膜的孔径较小，基本上所有的生物大分子都不能穿过膜。因此它不能用于分子量较大的蛋白质之间的分离。