1
++ + +++
阳极
Na+ 阳膜
+ 2
ClNa+
ClNa+
阴膜 浓缩室
直线电源 -
3 Na+ Cl-
阳膜
4 Cl-
Na+ Na+
Cl阴膜
淡化室 浓缩室
5-
Cl- -
阴极
图 1 电渗析工作原理示意图
主 要 过
பைடு நூலகம்
阴膜
渗析室
阳膜
程
Cl‐(H2O) (H2O)Na+
反离子迁移
次 要
(H2O)Na+
+
过 程
(H2O) Cl‐
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[4]，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 Kedem.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[5]，1987年,Mlillpore公司推出了这一 产品[6]。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
非 主 要 NaCl+H2O 过 程
H2O OH‐ H+
Cl‐(H2O)
同名离子迁移
Na+(H2O) 渗析
‐
渗透
渗漏 极化
图2 电渗析工作时发生的各种过程
郑淑英：双极膜电渗析的理论研究进展与应用
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2 电渗析技术的发展 电渗析(eletrodialysis ,简称 ED)技术[2 ]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。但直到 1950 年 Juda[3 ]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。
摘 要：从理论和应用研究两方面较为全面地综述了双极膜电渗析技术在近些年的发展，阐述了双极 膜中水解离、水迁移、离子迁移以及双极膜电渗析过程等理论研究。介绍了它在饮用水及纯水的制备、 食品工业和化学工业及其他领域中的应用。双极膜电渗析技术在优化传统工艺过程和新的工业过程中 发挥独到的作用，它的出现改变了传统工艺分离和制备过程，为解决环境化工，生物，海洋化工等领 域中的技术难题注入新的生机和活力。同时为解决人类面临的环境，资源，能源的问题提供了有效手 段。 关键词：双极膜；电渗析；水解离；应用
电渗析是在直流电场作用下，溶液中的离子选择性地通 过离子交换膜的过程。主要用于溶液中电解质的分离。
电渗析过程除我们希望的反离子迁移外，还可能发生如 图 2 所示的其它迁移过程：
（1）同名离子迁移 同名离子指与膜的固定活性基所带电荷相同的离子。根 据唐南（Donnan）平衡理论，离子交换膜的选择透过性不可 能达到 100％，再加上膜外溶液浓度过高的影响，在阳膜中 也会进入个别阴离子，阴膜中也会进入个别阳离子，从而发
用电渗析法将苦咸水或海水淡化，脱盐成本与含盐量 有密切关系。有人认为电渗析法淡化成本与处理水的含盐量 的0.6 次幂成正比。电渗析脱盐的最佳浓度范围是几百至几 mg.L-1 ，苦咸水大多在此范围，而海水含盐量则是苦咸水的 10～20倍。含盐量为几百mg.L-1的原水制取纯水，一般采用 离子交换法。若盐水浓度太高，则适合用电渗析法做离子交 换的前处理。先脱除原水中的大部分盐分，减轻离子交换的 负担，延长其使用周期，在制取高纯水时把两者结合起来使 用，往往会产生很好的技术效果和经济效果。电渗析技术还 广泛应用于浓缩海水制盐。日本国内的制盐基本上都是用电 渗析法,此方法与传统盐田法制盐相比有许多优点，如占地 面积小，投资少，不受外界环境影响,易于实现自动化。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-1 ，与原来采用的单纯熬盐法相比， 产量增加而成本降低。 3.2 化学工业的应用
目前，双极膜电渗析技术在优化传统工艺过程和新的工 业过程中发挥独到的作用，它的出现改变了传统工艺分离和 制备过程，为解决环境化工，生物，海洋化工等领域中的技 术难题带入新的生机和活力。同时为解决人类面临的环境， 资源，能源的问题提供了有效手段。近 15 年来，电渗析在 水的脱盐淡化，制盐等领域增长率保持在 15%左右，其中以 水的脱盐规模最大，其次是超纯水的制备。这些领域都已经 成熟，且市场容量接近饱和，所以发展新的应用领域非常必 要。目前国外已经把研究和开发的重点转移到水解离技术和 水压渗技术上，水解离技术成为目前市场增长率最快的生长 点，所以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。 1 双极膜电渗析理论研究
电 渗 析 的 研 究 始 于 上 世 纪 初 的 德 国 。 1952 年 美 国 [1]Ionics 公司制成了世界上第一台电渗析装置，用于苦咸水 淡化。至今苦咸水淡化仍是电渗析最主要的应用领域。在锅 炉进水的制备、电镀工业废水的处理、乳清脱盐和果汁脱酸 等领域，电渗析都达到了工业规模。另外，在上世纪 50 年 代末，由日本开发的海水浓缩制食盐的应用，虽仅限于日本 和科威特等国，但也是电渗析的一大市场。目前，电渗析以 其能量消耗低，装置设计与系统应用灵活，操作维修方便， 工艺过程洁净、无污染，原水回收率高，装置使用寿命长等 明显优势而被越来越广泛地用于食品、医药、化工及城市废 水处理等领域。
2011 年 第 10 期
化学工程与装备
2011 年 10 月
郑淑英Ch：em双ic极al膜E电ng渗in析ee的ri理ng论&研E究qu进ip展me与nt应用
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双极膜电渗析的理论研究进展与应用
郑淑英
（宁德师范学院化学与环境科学系，福建 宁德 352100） 郑淑英：双极膜电渗析的理论研究进展与应用
双极膜理论近年得到了国内外学者的广泛关注, 原因 有以下几个方面: 生物技术的发展导致许多生物荷电膜的
出现, 这些膜所表现出来的特性,生物理论本身不能解释, 需要双极膜有关模型来解释；双极膜的工业化应用促进了它 的理论研究；阴离子交换膜在使用中因吸附杂质而表现出双 极膜的特性, 目前的双极膜模型大都根据 Nernst Planck 方程或非平衡热力学导出盐离子和 H+ 和 OH- 的传导方程。 1.1 电渗析的工作原理
利用电渗析法可以对无机酸、碱和盐进行提纯。例如, 将粗制的NaOH通入阳极室，Na + 进入阴极室，与阴极电解产 生的OH-结合，生成纯的NaOH。金属元素的分离也可以运用 电渗析法，如可以采用电渗析与配位化学结合的方法分离金 属离子，也可以利用离子迁移速度的不同来进行分离，但此 方面研究还处于试验阶段。现在电渗析法还开始研究用于高 分子聚合物(如右旋糖酐铁等)的络合液的脱盐浓缩处理，此 方法相对于传统的醇沉法更为经济节能，且操作安全简便。 在电渗析法中用双极性膜和阳膜还可以实现NaHSO3 向Na2SO3 转化[8]，转化成的Na2SO3可以重新用于烟道气中SO2 的吸收， 又变成NaHSO3。利用此技术不仅可以清除废气中的SO2同时为 回收利用提供了一种方法，是解决电厂、冶金厂等大量气体 排放引起环境污染的有效途径之一。
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郑淑英：双极膜电渗析的理论研究进展与应用
生同名离子迁移。 （2）电解质的浓差扩散
也称为渗析，指电解质离子透过膜的现象。由于膜两侧 溶液浓度不同，受浓度差的推动作用，电解质由浓水室向淡 水室扩散，其扩散速度随两室浓度差的提高而增加。
（3）水的渗透
淡水室的水，由于渗透压的作用向浓缩室渗透，渗透量 随浓度差的提高而增加。
电渗析是在直流电场作用下，溶液中的带电离子选择性 地通过离子交换膜的过程。主要用于溶液中电解质的分离。 图 1 是电渗析工作原理示意图。
流程说明：在淡化室中通入含盐水，接上电源，溶液中 带正电荷的阳离子，在电场的作用下，向阴极方向移动到阳 膜，受到膜上带负电荷的基团的异性相吸引的作用而穿过 膜，进入右侧的浓缩室。带负电荷的阴离子，向阳极方向移 动到阴膜，受到膜上带正电荷的基团的异性相吸引的作用而 穿过膜，进入左侧的浓缩室。淡化室盐水中的氯化钠被不断 除去，得到淡水，氯化钠在浓缩室中浓集。 1.2 电渗析迁移过程