电渗析技术的发展及应用08食科汪强20080808132摘要：电渗析技术属于膜分离技术, 广泛应用于食品、化工、废水处理等行业的分离纯化的生产过程中, 有效率高、清洁卫生及经济节能等优点。
本文简述了电渗析技术的类型, 重点论述了电渗析技术的原理, 介绍了电渗析技术在食品行业以及在废水处理中应用研究, 并对其发展前景进行了展望。
关键词:电渗析;膜;应用电渗析是在外加直流电场的作用下, 利用离子交换膜的选择透过性, 使离子从一部分水中迁移到另一部分水中的物理化学过程。
电渗析器, 就是利用多层隔室中的电渗析过程达到除盐的目的。
电渗析器由隔板、离子交换膜、电极、夹紧装置等主要部件组成。
离子交换膜对不同电荷的离子具有选择透过性。
阳膜只允许通过阳离子, 阻止阴离子通过, 阴膜只允许通过阴离子, 阻止阳离子通过。
在外加直流电场的作用下, 水中离子作定向迁移。
由于电渗析器是由多层隔室组成, 故淡室中阴阳离子迁移到相邻的浓室中去, 从而使含盐水淡化。
在食品及医药工业, 电渗析可用于从有机溶液中去除电解质离子, 在乳清脱盐、糖类脱盐和氨基酸精制中应用得都比较成功[ 1] 。
电渗析作为一种新兴的膜法分离技术, 在天然水淡化, 海水浓缩制盐, 废水处理等[ 2] 方面起着重要的作用, 已成为一种较为成熟的水处理方法。
1 .电渗析技术的类型1.1倒极电渗析( EDR)倒极电渗析就是根据ED 原理,每隔一定时间(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水的水质水量。
1.2液膜电渗析( EDLM)液膜电渗析是用具有相同功能的液态膜代替固态离子交换膜[3 ] ,其实验模型就是用半透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。
利用萃取剂作液膜电渗析的液态膜,可能为浓缩和提取贵金属、重金属、稀有金属等找到高效的分离方法,因为寻找对某种形式离子具有特殊选择性的膜与提高电渗析的提取效率有关。
提高电渗析的分离效率,直接与液膜结合起来是很有发展前途的。
1.3填充床电渗析( EDI)填充床电渗析( 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,它的最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,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。
1.4双极性膜电渗析( EDMB)双极膜是一种新型离子交换复合膜,它一般由层压在一起的阳离子交换膜组成,通过膜的水分子即刻分解成H+ 和OH- ,可作为H+ 和OH- 的供应源。
双极性膜电渗析突出的优点是过程简单,能效高,废物排放少。
1.5无极水电渗析无极水电渗析是传统电渗析的一种改进形式,它的主要特点是除去了传统电渗析的极室和极水。
例如在装置的电极紧贴一层或多层离子交换膜,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。
由于取消了极室,无极水排放,大大提高了原水的利用率[4] 。
2.电渗透技术在食品行业中的应用2.1在菊糖生产中的应用菊糖是一种具有保健功能的多糖, 系一族由β- ( 2, 1)糖苷键连接的果聚糖分子, 在末端还联有一个葡萄糖残基。
它的聚合度从2到60, 跨越了经典低聚糖的定义, 所以也有人把处于低聚糖范围的菊糖叫做菊糖低聚果糖。
菊糖广泛地分布于各种植物中间, 其中菊苣、菊芋和大丽花含有的菊糖量最多( 约占干基的20% ) , 具有商业生产菊糖的价值。
杨炼等采用电渗析在粗菊糖纯化过程中进行了应用研究, 在电渗析的过程中, 菊糖料液的pH 值在恒定一段时间会有所下降, 恒定的时间与电渗析操作电压负相关, pH 的下降幅度与操作电压正相关。
菊糖料液的灰分含量和粗蛋白都能被电渗析除去, 操作电压越大, 带电杂质下降的速度越快, 在电渗析的初始阶段这些带电杂质的去除速度较快。
游离氨基酸由于分子较小, 比短肽更容易除去。
菊糖在10V 的操作电压情况下, 菊糖没有发生明显的水解, 单、双糖含量仅有轻微增加。
菊糖料液在电渗析过程中不断被稀释, 但是菊糖分子并不能穿过离子交换膜, 所以电渗析纯化菊糖有较高的回收率。
在10V 的电压下, 采用10L /h的流量, 电渗析1h后, 粗菊糖中70% 的灰分, 47%的粗蛋白被除去, 总糖仅损失了原来4%。
总之, 电渗析可以作为粗菊糖脱盐和脱蛋白的有效且经济的手段, 能与后续操作, 如超滤处理很好衔接, 能极大减轻下游纯化操作的压力, 在技术上具有可行性[ 5] 。
2.2在竹笋生产中的应用传统竹笋加工过程伴随着大量废弃物的产生以毛竹笋为例, 可食部分30% 左右, 而笋壳约占30%, 笋头40% , 此外, 加工竹笋也会产生大量废弃的笋煮水。
竹笋原液(笋煮水) 中含丰富的甾醇、多糖、氨基酸、维生素、黄酮、皂岱等天然活性成分及盐, 这些盐的存在一方面不利于从原液中分级和提纯出氨基酸等成分, 影响竹笋原液的营养价值[ 6] ,另一方面, 若不经处理就直接排放, 会造成土壤板结, 植物烧伤, 污染水源。
另外, 竹笋提取液中还含有镉、铅( < 0. 5mg /kg )、砷( < 0. 3mg /L) 等重金属离子, 直接加工成食品方面的产物, 会对人体产生不利的影响[ 7] , 通过脱盐能够有效去除重金属离子,从而达到国家规定的标准要求。
因此, 竹笋原液脱盐研究具有社会和经济效益, 能够实现竹笋加工废弃物的深度转化和综合利用, 开发高附加值的产品, 提高企业经济效益和行业经营水平, 实现传统产业的升级换代。
黄伟等在实验的基础上探讨用离子交换膜电渗析法进行竹笋原液脱盐的可行性及工艺优化。
经90m in脱盐后, 竹笋原液灰分下降49. 10% , 主要元素含量变化: 钾下降53. 76%, 钠下降75. 27%, 钙下降69. 80% , 镁下降57. 86% , 铁下降66. 67% , 铜下降76. 98% , 镉下降42. 51% , 而一些重金属离子含量普遍较低, 均在国家标准范围内, 如汞和砷均未检出, 故电渗析技术对竹笋原液脱盐效果较好。
竹笋原液脱盐前后的氨基酸含量基本持平: 脱盐前氨基酸含量为8. 22% (以干基计), 脱盐后的氨基酸含量为8. 37% (以干基计) , 且据氨基酸检测报告知: 脱盐前后竹笋原液中氨基酸种类及各种类比例近似相同, 因此电渗析技术对竹笋原液脱盐对其中功能成分-氨基酸的影响较小[ 8] 。
2.3 在酱油生产中的应用酱油是人们日常生活中应用最为普遍的调味品之一, 一般酱油中食盐含量在16% ~ 18% , 这是由于酱油曲是在开放状态下制成的, 为避免微生物的污染, 需在高食盐浓度下进行, 而且酱油特有的香味只有在此食盐浓度下才能酿成。
现代医学已表明,高钠膳食易导致高血压、肾脏病等疾病发生, 由于普通酱油的含盐量偏高, 为满足人们对低钠膳食的需求, 可以将普通酱油中的盐分脱除成为低盐酱油[ 9] 。
据国外文献报道, 利用电渗析技术对酱油进行脱盐处理, 可以制得低盐酱油并基本保持酱油原有风味, 但要损失一部分作为酱油指标的氨基酸态氮和有机酸等有效成分, 从而将酱油的含盐量降低。
但国内尚无这方面的报导, 刘贤杰等采用电渗析技术进行了酱油脱盐的研究。
研究结果显示: 原酱油食盐含量19. 4%, 经电渗析处理后, 酱油含量降至约9%, 食盐以外的有效成分也有一些被除去, 比较明显的是作为酱油品质指标的氨基酸态氮, 有约8% 的损失。
酱油风味大致不变, 证明了电渗析对酱油的脱盐是切实可行的分离方法[ 10] 。
3．电渗透技术在废水处理中的应用水是人类赖以生存不可或缺的资源, 也是自然生态环境保持良好的重要条件。
21世纪对于水资源的需求管理, 不能仅考虑满足人类的用水, 也必须考虑生态环境的永续。
3. 1 电渗透技术处理硝酸铵冷凝废水的研究硝酸铵是基本的化学化工原料和农用氮肥, 广泛应用于农业、国防、化工、医药、纺织、轻工等领域。
由于历史的原因, 我国传统的硝酸铵生产装置大多技术装备陈旧, 工艺落后, 环保水平偏低, 在生产过程中产生大量的含氮工业废水。
特别是由于硝酸铵生产工艺决定由稀硝酸带入的水分在中和、蒸发及结晶过程中以二次蒸汽的形式排出, 形成的工艺冷凝液中含有硝酸铵和氨, 成为硝酸铵生产的主要污水源。
这些冷凝液若直接排放, 会使排放水中氨氮含量严重超标, 造成地表水体的富营养化, 破坏水环境的生态平衡。
如直接送回硝酸吸收塔回用又不利于生产安全, 并且还不能全部回收利用。
由于缺乏有效的治理措施, 一些厂家采用兑水稀释的办法以实现达标排放, 耗费大量的水资源。
目前, 新修订的地方和行业污水排放标准都相继提高了氨、氮标准,并对污染物的排放限值、水污染物基准排水量和排放浓度都做了相应规定, 硝酸铵冷凝液的治理及回收利用成为硝酸铵生产企业面临的亟待解决的难题。
川化股份有限公司采用24台具有特殊专用膜的电渗析单元所组成电渗析装置, 冷凝废水的最大处理量为36 t /h, 硝酸铵冷凝废水经电渗析装置循环浓缩、淡化处理后, 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!40mg /L。
冷凝废水中氨、硝酸、硝酸铵每年削减或回收的排放量分别为113. 54t、362. 23t、88. 34,t 氨氮排放总量从每年的71. 208t减少到10. 162,t 减少量为61. 046 ,t 削减85. 173%, 不仅达到了减少硝酸铵废水排放量、消除污染的目的,而且还提高了资源综合利用率, 降低了生产成本, 取得了显著的环保效益和经济效益[ 11] 。
3. 2 电渗透技术处理氨氮废水的研究随着我国社会经济的高速发展, 各种污染物的排放量急剧增加, 对环境尤其是水体造成了严重污染, 资料表明, 氨氮、磷等是地表水的主要污染物。
氨氮废水的超标排放是水体富营养化的主要原因之一。
目前在工业上应用的脱氨方法主要有生物脱氮法、吹脱法、折点加氯法、离子交换法等[ 12] 。
生物脱氮法适用于处理含有机物的低氨氮浓度废水, 该法技术可靠, 处理效果好, 主要应用于含氨化工废水和生活污水的处理。
折点加氯法和离子交换法适用于不含有机物的低浓度氨氮的废水处理。
对于高浓度无机氨氮废水, 如氮肥厂废水等, 目前工业应用较多采用吹脱法, 但脱氨率仅为70% , 无法达到国家排放标准, 且投资大, 二次污染严重[ 13 ] 。
唐艳等采用电渗析法处理氨氮废水, 对工艺条件进行了优化研究, 在实验室条件下得到工艺参数。