1電滲析概念與原理

 

1.1概念

 

利用半透膜的選擇透過性來分離不同的溶質粒子的方法稱為滲析。在電場作用下進行滲析時，溶液中的帶電的溶質粒子通過膜而遷移的現象稱為電滲析。利用電滲析進行提純和分離物質的技術稱為電滲析法，它是20世紀50年代發展起來的一種新技術，最初用于海水淡化，現在廣泛用于化工、輕工、冶金、造紙、醫藥工業，尤以制備純水和在環境保護中處理三廢最受重視，例如用于酸堿回收、電鍍廢液處理以及從工業廢水中回收有用物質等。

 

1.2原理

 

電滲析基本工作原理是在直流電場的作用下，以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質從溶液中分離出來，從而實現溶液的淡化、濃縮、精制或純化的目的。電滲析原理圖如圖1-1所示。

 

 

電滲析裝置通常由離子交換膜、電極和夾緊裝置三部分組成。電滲析過程的實質是電解質離子在兩股液流間的傳遞，其中一股液流失去電解質，成為淡化液，另一股液流得到電解質，成為濃縮液。因此，電滲析過程脫鹽溶液中的離子以兩個基本條件為依據：

 

1.在直流電場的作用下，使溶液中的陰、陽離子作定向移動；

 

2.離子交換膜的選擇透過性使溶液中的離子作反離子遷移。

 

電滲析工藝的電極和膜組成的隔室稱為極室，其中發生的電化學反應與普通的電極反應相同。陽極室內發生氧化反應，陽極水呈酸性，陽極本身容易被腐蝕。陰極室內發生還原反應，陰極水呈堿性，陰極上容易結垢。

 

2文獻報道及專利申請狀況

 

2.1專利申請情況

 

利用中國知網對近十年內電滲析技術用于處理含酸/堿溶液的專利申請情況進行了檢索并匯總（國內專利），結果如圖2-1所示。

 

 

從檢索結果可知，有關電滲析技術在含酸/堿溶液方面的應用，申請的專利很少。近十年來，電滲析在酸液廢水中應用的專利大概有19項，而電滲析在堿液廢水中的應用大概有22項，并且電滲析在堿液廢水中應用的相關專利是在近5年內才出現的。

 

2.2文獻發表情況

 

利用中國知網對近十年內電滲析技術用于處理含酸/堿溶液的文章發表情況進行了檢索并匯總（國內期刊），結果如圖2-2所示。

 

 

從檢索結果可知，有關電滲析技術在含酸/堿溶液方面的應用，發表的文章也不多，但呈現出增多的趨勢。

 

以上結果說明電滲析技術在含酸/堿廢水中的應用屬于新技術，可以作為工業水處理的儲備和前瞻性技術。

 

3電滲析技術的各種應用

 

3.1中高溫電滲析工藝

 

電滲析器進水溫度對脫鹽率的影響很大。隨溫度升高，水的黏性下降，從而水中離子的擴散加快，膜及溶液的電導率上升，有利于離子遷移和透過離子交換膜，從而提高電流密度，降低處理費用，增加脫鹽率。但溫度的升高上限還要由電滲析器的耐受程度決定，當溫度升至40-50℃時，陰離子交換膜易分解，聚氯乙烯隔板也易變形。此外，水溫低于5℃時，電滲析脫鹽率明顯下降，且接近損壞離子交換膜的溫度。所以電滲析器溫度一般控制在5-40℃的中高溫范圍內。

 

3.2倒極電滲析（EDR）工藝

 

EDR工藝是我國根據ED原理于1982年研制成功的一種新工藝，它每隔一定時間（一般為15-20min），倒換正負電極極性（頻繁倒極），這樣能自動清洗離子交換膜和電極表面的污垢，確保淡水的水質水量、離子交換膜穩定運行和濃水排放量最少，倒極電滲析原理如圖3-1所示。

 

 

EDR系統是由電滲析本體、整流器及自動倒極系統三部分組成，其倒極操作程序如下：

 

1.轉換直流電源電極的極性，使濃、淡室互換，離子流動反向進行；

 

2.轉換進出水閥門，使濃、淡室的供排水系統互換；

 

3.極性轉換后持續1-2min，將不合格淡水歸入濃水系統，然后濃、淡水各行其路，恢復正常運行

 

3.3雙極膜電滲析(EDMB)工藝

 

EDMB工藝是一種獨特的電滲析過程。它通常由陽離子和陰離子交換膜疊合在一起形成，這兩種膜的通道構成一個含水的中間層，在電場的作用下，首先將可能存在的離子遷移出中間層，然后通過解離水的作用在膜的陰、陽兩側分別產生H+離子和OH-離子。其最大的特點是可與其他陰離子交換膜、陽離子交換膜進行巧妙組合，組成許多獨具特點的雙極膜電滲析工藝。與電解脫水法相比，能耗大大降低，并能從鹽溶液中生成等摩爾的酸和堿，所以此技術可用于廢酸、廢堿等物質的再生和利用，降低物質和能源的消耗，減低廢物排放，消除環境污染以及為某些酸和堿的分離與制備提供新的途徑，雙極膜電滲析的圖原理如圖3-2所示。

 

 

3.4填充床電滲析(EDI)工藝

 

填充床電滲析又稱電脫離子法，是將離子交換膜與離子交換樹脂有機地結合在一起，在直流電場的作用下實現除去水中已電離的或可電離的物質的一種新型水處理技術。它利用電滲析過程中極化現象對離子交換填充床進行電化學再生，它巧妙地集中了電滲析連續脫鹽與離子交換樹脂深度脫鹽這兩種方法的優點，并且克服了它們的缺點，即電滲析過程的濃差極化現象和離子交換的化學再生過程。一般水中含鹽量為(50-15000mg/L)時都可使用，而對含鹽量低的水更為適宜。這種方法基本能夠除去水中全部離子，所以它在制備高純水及處理放射性廢水方面有著廣泛的用途。EDI過程原理如圖3-3所示。

 

 

3.4離子交換膜為基礎的電滲析技術及應用

 

以離子交換膜為基礎的電滲析技術及應用如表3-1所示。

 

 

4電滲析技術在廢水處理方面的應用

 

電滲析技術自20世紀50年代問世以來,已有近50多年歷史。目前電滲析技術已廣泛應用于海水淡化、苦咸水淡化、超純水制備、工業廢水回收再利用,以及化工過程中的物質分離、濃縮、提純、精制等，例如用電滲析法處理若干電鍍液,在氧化鋁生產中回收堿、鋁與工業水回用,從廢酸水中回收酸,處理含劇毒氰化物廢水,自來水脫氯等。

 

電滲析可以用于廢酸廢堿及含鹽廢水的處理。污染控制與資源化研究國家重點實驗室對采用離子膜電解法對處理環氧丙烷氯醇化尾氣堿洗廢水進行了研究。在電解電壓5.0V時，循環處理3h，廢水COD去除率可達78%，廢水中堿回收率可達73.55%，為后續生化單元起到良好的預處理作用。齊魯石油化工公司利用電滲析法處理高濃度復合有機酸廢水，濃度為3%～15%，無廢渣及二次污染，得到的濃溶液含酸20%~40%，可以回收處理，出水中含酸量可降至0.05%~0.3%。川化股份有限公司采用特殊電滲析裝置處理冷凝廢水，最大處理量為36t/h，濃水中硝酸銨體積百分比含量為20%，回收率達96%以上，合格淡水排放水中氨氮質量分數含量≤40mg/L。工業排放的稀乙酸廢水中乙酸的含量在1%以下，回收廢水中稀乙酸的方法有萃取分離法、生化處理法、吸附法以及電膜分離法。ED法可以將廢水中乙酸濃度從2.5%濃縮到20%。雙極膜ED法可以將含質量分數為0.2%乙酸廢水中的乙酸有效清除，廢水中乙酸濃度可以被濃縮到36%以上。用改性異相膜ED處理化纖廠去酸水，可把酸和鹽濃縮到了200g/L，再進行多效蒸發可回收多余的Na2SO4，經ED濃縮的H2SO4和ZnSO4溶液可返回凝固浴再用。廢水淡化后，溶解固體降到0.7g/L以下，無硬度，返回生產用作洗滌水。在電流密度24mA/cm2，濃淡水濃度比在10左右時，膜的鹽遷移量為0.4kg/(m2?h)左右。溶液遷移量濃縮時為1770mL/(m2˙h)，脫鹽時平均為396mL/(m2?h)。濃縮1t鹽的耗電量在300kWh，回收水溫在(35±2)℃的軟化水耗電10~13kW˙h/m3水。波蘭Dykuskikafal利用電滲析將硫酸鈉廢水電化學分解成硫酸和氫氧化鈉,產物均可返回流程，該法已工業化。日本KimuraToru等用電滲析回收了處理鋁印刷板表面的酸性廢水,并申請了專利。

 

此外，由于產品和生產工藝的原因，排放的工業廢酸中常含有各種金屬離子，ED法也可以實現金屬離子和廢酸的回收。對于含銅、鐵、鎳離子的硫酸廢水，即使硫酸質量濃度高達200g/L，金屬離子質量濃度高達59%。

 

然而，需要注意的是，電滲析法對進水有一定的要求。這是因為進水中的一些有害成分會對電滲析產生危害，主要表現在以下四個方面：

 

1.在設備的水流通道和空隙中產生堵塞現象，水流阻力的不均勻改變也會使濃水室和淡水室中的水壓不相等，嚴重時會使膜面破裂。水中夾帶的沙粒也會使膜產生機械性破損。

 

2.水流通過電滲析隔板時，水中懸浮物附在膜面上，成為離子遷移的障礙，促使膜電阻增加和水質惡化。電滲析膜是細菌的有機養料，水中所含細菌轉移到膜面上繁殖，也會產生上述后果。

 

3.水中帶極性有機物被膜吸附后，會改變膜的極性，并促使膜的選擇透過性降低，膜電阻增加。

 

4.高價金屬離子（如鐵、錳）會使離子交換膜中毒；游離氯使陽膜產生氧化，進水硬度高時會導致極化的沉淀結垢。

 

故進電滲析器水的主要處理對象是天然水中的懸浮物質和膠體物質，其中包括無機物質、有機物質和細菌

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