电渗析技术在废水治理及资源化应用研究

电渗析技术在废水治理及资源化应用研
究
摘要：电渗析是一种由不同选择性离子交换膜按照一定的排放方式组成的离
子分离和纯化技术。

因其具有效率高、环境友好、占地面积小和易于操作等特点，在高盐废水治理及资源回收方面得到了广泛的研究和应用。

本文阐述了电渗析和
双极膜电渗析技术的原理，介绍了其在高盐废水治理、酸碱回收、氮磷废水资源
化以及其它有价离子回收领域的研究现状，并对其发展前景进行了展望。

关键词：电渗析；治理；资源化
21世纪以来，我国经济的高速发展加速了对自然资源的开采，出现了越来越
多的环境问题。

长期粗放型的经济增长方式使得大量未经处理或处理不完全的废
水被排放到水体中。

此外，随着采矿、冶炼、电镀等行业的快速发展，越来越多
的重金属被释放在环境中[1]，对环境生态安全、人类健康造成较大的潜在危害。

一方面，污染物的大量排放给环境造成极大的压力，并最终通过食物链的作用危
害人类的健康；另一方面，氮磷以及重金属等对生命和人类社会生产活动具有重
要的作用。

因此，如能对废弃物中的各种有毒有害且有用的物质进行回收再利用，一方面能缓解造成的环境污染问题，另一方面，还可实现有价资源的回收，具有
环境和经济的双重效益。

电渗析技术是膜分离技术的一种，基于离子交换膜的高选择透过性从而具有对分离组分
的高选择性。

方法操作简单且无需大量化学试剂的使用，是一种高效且环境友好的方法，已
成为目前水污染控制的热点技术，广泛应用于高盐废水富集浓缩、海水淡化、工业废水脱盐
等领域[2]。

1电渗析技术的原理
1950年，W.Juda试制出具有高选择透过性能的阴、阳离子交换膜，从而奠定了电渗析
技术的实用基础。

电渗析技术是一种由阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列组成的用于带
电离子分离与富集的工艺。

阴极和阳极之间的电势差是电渗析的主要驱动力。

电渗析过程中，
在直流电场的作用下，离子（带电物质）穿过选择性渗透膜定向迁移，从水溶液和其它不带电组分中分离出来，从而实现带电离子的分离与浓缩[3]。

2电渗析技术的应用
2.1电渗析技术在高盐废水治理及资源化中的应用
高盐工业废水主要来源于发电、化工、制药、印染、造纸、食品加工和海水淡化等生产工业，所含盐类物质多由Cl-、SO42-、Na+、Ca2+等离子构成，且含有一定量有机物，总溶解固体和有机物质量浓度高于3.5%[4]。

这种废水污染物成分复杂，难降解有机物浓度较高，处理难度大、成本高，其不当排放不仅会造成环境污染，还会引起土壤的盐碱化[5]。

电渗析是一种有效的资源化技术，具有操作简单、成本低、不产生二次污染等特点。

Doornbusch等人[6]采用多级电渗析对天然海水进行脱盐处理，研究表明多级电渗析可以去除海水中更多的镁，运行18天后系统性能仍维持稳定，平均能耗为3 kWh/m3。

因电渗析传递过程中存在同性离子迁移、电解质的浓差扩散、水的电渗透以及极化现象等，使其存在淡水回收率低、能耗高、回收资源能力较差等缺点。

近年来，电渗析技术发展迅速，许多学者对对电渗析技术进行不断的完善和改进。

双极膜(BPM)是一种新型离子交换膜，从20世纪80年代末开始出现并逐渐被商品化。

其由阴离子交换层、阳离子交换层和中间界面层组成，主要特点是在直流场作用下，可将中间层的水分子(H2O)解离为H+和OH-[7]。

近年来，科研工作者将BPM引入电渗析系统组合成双极膜电渗析（BMED）系统。

BMED作为新兴的绿色技术，可将盐分的阴、阳离子分别以酸和碱的形式进行回收，在工程上得到了大量应用。

在电场力作用下，盐溶液中的阴离子通过阴离子交换膜与BPM产生的H+结合生成酸，阳离子通过阳离子交换膜与BPM产生的OH-结合生成碱。

如Arslan等人[8]利用定制的BMED 系统原位回收培养发酵液中的羧酸盐，在BMED系统中不但可以增加产物产率，同时可消除外部碱消耗，并可控制溶液pH。

2017年，Bunani等人[9]使用两种不同的BMED从水溶液中同时分离和回收硼和锂，研究了施加电压、锂和硼初始浓度、溶液pH和样品溶液的初始体积对分离回收硼和锂的影响，并得到了较高纯度的硼酸和氢氧化锂。

2.2电渗析技术在含氮磷废水治理及资源化中的应用
由于经济和工业化的快速发展，含氮工业废水不断排放到环境中，造成了严重的问题。

氨氮废水的处理处置已经引起了全世界范围的广泛关注。

目前传统生物脱氮技术多用于氨氮质量浓度低于400 mg/L的废水。

吹脱法常用于处理高氨氮废水，但该过程投资大，受温度
影响较大，低温时效率低，无法达到国家排放标准，存在二次污染的问题[10]。

为解决废水中低浓度氮的富集问题，Zhang等人[11]将电渗析装置与传统鸟粪石反应系统进行串联，实现了
低浓度氨氮废水的富集，并以传统鸟粪石结晶法成功回收鸟粪石。

垃圾渗滤液中氨氮浓度高，陈日耀等[12]采用电渗析技术结合Fenton试剂法去除垃圾渗滤液中的氨氮，研究中以铁为阳极、石墨为阴极，在电场力的作用下，氨氮被富集到阴极液中，随后以化学沉淀法法得以去除，处理后氨氮浓度可降低至10.1%。

双极膜电渗析在在氨氮回收方面也得到了应用。

2016年，Li等人[13]利用BMED系统从模拟NH4Cl溶液中回收HCl和NH3∙H2O，结果表明在48
mA/cm2电流密度下，可从初始浓度为110 g/L的NH4Cl溶液中回收到最高浓度分别为57.67
g/L和45.85 g/L的HCl和NH3∙H2O。

2020年，Van Linden等人[14]利用双极膜电渗析系统对
含氨氮废水进行治理，氨氮去除率为85~91%，同时得到浓度为4.5 g/L的NH3∙H2O。

这说明BMED可以对废水的氨氮进行分离，并可以NH3∙H2O的形式对其进行回收。

一方面磷的排放也是造成水体富营养化的重要原因，另一方面磷在生命和人类生产中均
发挥着重要的作用。

随着工业化进程以及人口的持续增长，磷作为化肥和化工产品的重要元素，在农业生产、饲料加工和工业生产应用等方面的需求量持续增加。

膜分离领域中常用纳
滤和正渗透方式对废水中的PO43-进行分离浓缩回收。

另外，近年来，随着单价选择性阴离子
交换膜的发展，有人将单价选择性阴离子交换膜引入电渗析系统组成了一种新型选择性电渗
析系统，其可将富集到的阴离子进一步进行单价和多价的分离，提高回收到的阴离子纯度。

Tran等人[15]为提高以Ca3(PO4)2的方式回收水体中PO43-的效率，利用选择性电渗析系统实现
了PO43-和Cl-的分离，对水体中的PO43-进行富集浓缩，有效提高了回收到的PO43-纯度。

2.3电渗析技术在重金属回收中的应用
重金属是一种有害污染物，具有毒性、致癌性、非生物降解性和在环境和生
物中的持久性，一旦进入食物链，就会在生物体内积累大量蓄积，导致生长代谢
紊乱，最终通过食物链的富集和放大作用给人体健康造成极大的威胁。

此外，多
种重金属都是国民经济、国防科技及科技发展的基础材料和重要战略物资，具有
巨大的经济价值。

因此，对重金属废水进行处理并回收有价重金属，治理环境污
染的同时还可减少矿产资源的开发，具有环境和经济的双重效益。

对于无机废水中重金属的去除可以通过化学沉淀、离子交换和电化学去除等
常规处理工艺来实现。

但是这些技术存在不完全去除、高能量需求和有毒污泥的
产生等不足。

电渗析技术回收重金属是利用电势差为动力分离废水、废渣中的重
金属离子，可较好回收重金属离子且不会造成二次污染。

Wu等人[16]采用改良的
BMED体系辅助H2O2的氧化作用从含铬废水中以铬酸钠（Na2CrO4）的形式回收到87.8%的Cr(III)，说明BMED对Cr(III)回收具有较好的能力。

Liu等人[17]采用一种带有“背对背”土壤室的改良BMED系统同时去除污染土壤中的Cr(III)和
Cr(VI)，研究表明在电流密度2.0 mA/cm2的条件下，Cr(III)和Cr(VI)的去除率
均为99.8%、回收率分别为87%和90%。

3结语
电渗析技术因具有环境污染小、操作简单、绿色环保等特点而被广泛应用到
废水、固体废弃物处理及资源化回收应用的各个领域中来。

然而该技术在实际应
用过程中也存在一定的不足，主要表现为电流效率低、能耗高、运行不够稳定等。

随着膜技术的不断发展，其绿色环保的的天使得电渗析及其改进技术受到越来越
多的关注，电渗析与其他技术的集成化成为了未来发展的趋势，势必焕发新的生
命力。

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