电渗析技术的简介一、电渗析技术简介及其发展背景电渗析(eletrodialysis,简称ED)技术是膜分离技术的一种,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,以电位差为动力,利用离子交换膜的选择透过性,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。

电渗析技术的研究始于德国,1903年,Morse和Pierce把2根电极分别置于透析袋内部和外部溶液中,发现带电杂质能迅速地从凝胶中除去;1924年,Pauli采用化工设计的原理,改进了Morse的实验装置,力图减轻极化,增加传质速率。

但直到1950年Juda首次试制成功了具有高选择性的离子交换膜后,电渗析技术才进入了实用阶段,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。

现在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,电渗析技术进入了一个新的发展阶段,其应用前景也更加广阔。

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。

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,废水处理等方面起着重要的作用,已成为一种较为成熟的水处理方法。

二、几种电渗析技术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。

在20 世纪80 年代后期,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。

EDR 在废水处理方面尤其有独到之处,其浓水循环、水回收率最高可达95 %。

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,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。

例如,固体离子交换膜对铂族金属(锇、钌等) 的盐溶液进行电渗析时,会在膜上形成金属二氧化物沉淀,这将引起膜的过早损耗,并破坏整个工艺过程,应用液膜则无此弊端。

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。

1983 年Ke2 dem. o. 及其同事们提出了填充混合离子交换树脂电渗析过程除去离子的思想,1987 年,Mlillpore 公司推出了这一产品。

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。

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。

目前双极性膜电渗析工艺的主要应用领域在酸碱制备。

例如,用双极性膜和阳膜配成的二室膜可以实现有机酸盐(葡萄糖酸钠、古龙酸钠等) 的转化,同时得到碱(NaOH) ,但浓度(酸最大浓度2 mol·L - 1 ,碱最大浓度6 mol·L - 1 ) 和纯度两方面都受到限制。

现在开发的应用领域还有废气脱硫、离子交换树脂再生、钾钠的无机过程等。

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。

无极水电渗析于1991 年问世,在应用过程中技术不断改善,现装置在运行方式上多采用频繁倒极的形式。

目前,无极水全自动控制电渗析器已在国内20 个省、市使用,近来,还远销东南亚。

三、电渗析技术的特点①可以同时对电解质水溶液起淡化、浓缩、分离、提纯作用；②可以用于蔗糖等非电解质的提纯，以除去其中的电解质；③在原理上，电渗析器是一个带有隔膜的电解池，可以利用电极上的氧化还原效率高。

在电渗析过程中，也进行以下次要过程:①同名离子的迁移，离子交换膜的选择透过性往往不可能是百分之百的，因此总会有少量的相反离子透过交换膜；②离子的浓差扩散，由于浓缩室和淡化室中的溶液中存在着浓度差，总会有少量的离子由浓缩室向淡化室扩散迁移，从而降低了渗析效率；③水的渗透，尽管交换膜是不允许溶剂分子透过的，但是由于淡化室与浓缩室之间存在浓度差，就会使部分溶剂分子（水）向浓缩室渗透；④水的电渗析，由于离子的水合作用和形成双电层，在直流电场作用下，水分子也可从淡化室向浓缩室迁移；⑤水的极化电离，有时由于工作条件不良，会强迫水电离为氢离子和氢氧根离子，它们可透过交换膜进入浓缩室；⑥水的压渗，由于浓缩室和淡化室之间存在流体压力的差别，迫使水分子由压力大的一侧向压力小的一侧渗透。

显然，这些次要过程对电渗析是不利因素，但是它们都可以通过改变操作条件予以避免或控制。

四、电渗析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。

1. 电渗析技术处理苹果酸废水的研究随着我国苹果栽种面积的不断扩大和苹果产量的快速增长, 我国的苹果加工业得到了蓬勃发展。

脱色脱酸果汁是近年来兴起的苹果汁加工新品种, 它是将经前处理、澄清、超滤后的清汁经脱色树脂吸附、脱酸树脂深度脱色、脱酸处理, 浓缩后得到的无色透明、质地纯净的纯天然果糖产品, 在欧美、国内等市场成为消费的热点, 具有良好的市场前景。

在目前的生产工艺中, 脱色脱酸树脂的NaOH再生废液与前处理树脂的酸洗废液中和后直接排放, 这样不仅对环境造成了严重的污染, 制约了我国苹果汁加工行业进入良性的可持续发展轨道, 而且浪费了N aOH 再生废液中大量天然的L- 苹果酸。

同时, 由于原料等条件的限制, 我国现有的苹果浓缩汁多为低酸果汁, 而国际市场上浓缩苹果汁的价格与酸度成正比, 酸度每升高1 , 每吨浓缩苹果汁的价格即可提高100 ~ 150 美元。

如果能将NaOH 再生废液中的天然L- 苹果酸脱盐回收, 达到苹果浓缩汁的质量标准, 就可以将其直接回兑到苹果浓缩汁中, 提高产品的酸度, 带来巨大的经济效益。

叶微微等采用国产离子交换膜研究了采用电渗析法脱盐回收废液中的苹果酸, 及其对苹果酸废液脱盐的工艺条件。

将废液pH 调至4. 0, 工作电流11A 下循环脱盐2h, 脱盐率达99% 以上, 含N a+ 11821mg / L的废液脱盐至含N a+ 42. 88mg / L, 其中L - 苹果酸损失18.94%, 基本达到分离要求, 表明了电渗析对苹果酸废液的脱盐是切实可行的。

2. 电渗析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。

3. 电渗析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。

生物脱氮法适用于处理含有机物的低氨海水及苦咸水淡化，根据我单位的试验资料，可将含盐量高达60克/升的苦咸水淡化成饮用水，解决沙漠地区的饮用水源。

制取软水，（水的电阻率为105欧姆一厘米），可供低压锅炉给水，不需要食盐再生，还可节煤20%左右。

深度除盐水及高纯水的前级处理，采用电渗析一离子交换法，扩大了原水适用范围，广泛应用电力、电子、化工、制药、科研化验等场合、降低制水成本50%以上。

节省离子交换法再生用酸碱80%左右，延长再生周期五倍以上。

用于饮料食品工业的提纯，使啤酒、汽水的质量提高，为创优质名牌产品创造了条件。

电渗析器还可用于化工分离，浓缩及工业废水处理回收率。