电渗析技术及其应用

摘要： 电渗析技术是膜分离技术之一，具有低能耗，高效率，连续运行、环境友好等显著优点，在多个行业中有着广
泛的使用。简述了几种常见的电渗析技术，包括填充床电渗析，倒极电渗析和双膜电渗析等，着重介绍了电渗析技
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术在水处理、食品和化工方面的应用，并简单探讨了电渗析技术其发展前景。
关键词： 电渗析； 离子交换膜； 分离； 应用
一般水中含盐量为 50 ～ 15 000 mg / L 时都可使 用，而对含盐量低的水更为适宜。这种方法基本上 能够除去水中全部离子，所以它在制备高纯水及处 理放射性废水方面有着广泛的用途。 1． 2 倒极电渗析（ EDR）
EDR 的原理和电渗析法基本是相同的，只是在 运行过程中，EDR 每隔一定的时间，正负电极极性 相互倒换一次（ 国内电渗析器一般 2 ～ 4 h 倒换一 次） ，因此称现行的倒极电渗析为频繁倒极电渗析。 EDR 系统是由电渗析本体、整流器及自动倒极系统 三部分组成的，其倒极一般分以下三个步骤： （ 1） 转
中的酸碱 再 生 等 带 来 的 问 题［3］。 填 充 床 电 渗 析 淡 水室装有混合阴、阳离子交换树脂或装填离子交换 纤维等，两边是浓室（ 与极室在一起） 。它的工作过 程一般分为三个步骤： （ 1） 离子交换过程，淡水室中 的离子交换树脂对水中电解质离子的交换作用，达 到去除水中的离子； （ 2） 离子选择性迁移，在外电场 作用下，水中电解质沿树脂颗粒构成的导电传递路 径迁移到膜表面并透过离子交换膜进入浓室； （ 3） 电化学再生过程，存在于树脂、膜与水相接触的扩散 层中的极化作用使水解离为 H + 和 OH － ，它们除部 分参与负载电流外大多数对树脂起再生作用，从而 使离子交换、离子迁移、电再生三个过程相伴发生， 相互促进，实现了连续去除离子的过程［4］。
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2012 年 8 月
电力科技与环保
第 28 卷 第 4 期
换直流电源电极的极性，使浓、淡室互换，离子流动 反向进行； （ 2） 转换进、出水阀门，使浓、淡室的供排 水系统互换； （ 3） 极性转换后持续 1 ～ 2 min，将不合 格淡水归入浓水系统，然后浓、淡水各行其路，恢复 正常运行［5］。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，延长了运行周期在饮用 水净化和锅炉补给水处理等有广泛的应用。 1． 3 高温电渗析
双极膜是一种新型离子交换复合膜，它一般由 阴离子交换树脂层和阳离子交换脂层及中间界面亲 水层组成。在直流电场作用下，从膜外渗透入膜间 的水分 子 即 刻 分 解 成 H + 和 OH － ，可 作 为 H + 和 OH － 的供应源［11］。利用这一特点，将双极性膜与其 它阴、阳离子交换膜组合而成的双极性膜电渗析系 统，能够在不引入新组分的情况下，将水溶液中的盐 转 化 生 成 相 应 的 酸 和 碱，这 称 为 双 极 膜 电 渗 析 法［12］。如图 2 所示，含盐水 MX 在阴膜和阳膜之间 的隔室流动，施加直流电后，双极性膜的界面层发生
opmental trends of electrodialysis was discussed．
Key words： electrodialysis； ion exchange membrane； separation； application
中图分类号： X703． 1
文献标识码： B
文章编号： 1674 － 8069（ 2012） 04 － 027 － 04
离子隔膜电解是将电渗析技术和电解技术结合 起来的一种新工艺。我们以离子交换膜电解食盐水 为例，用一阳离子交换膜分隔电解槽中阴阳极室，构 成两室电解槽，向阳极室引入饱和 NaCl 溶液，阴极 室引入蒸馏水，当输入直流电进行电解后，食盐水溶 液中的部分氯离子在阳极上失去电子生成氯气并逸 出。阳极溶液中剩下的钠离子随溶液一同向阴极迁 移，流入阴极的电解液，其中的氢离子在阴极得到电 子生成氢气自电解槽阴极室逸出。由于氢离子不断 放电析出氢气，从而进一步促使水进行电离。由于 阳离子交换膜的固定基团带负电荷，它和溶液中的 Na + 离子异性电荷相吸，结果只允许 Na + 离子通过， 而对 Cl － 离子排斥，于是 Na + 离子迁入阴极室，它和 OH － 相结合，生 成 NaOH［14］。目 前，工 业 上 用 的 较 多的是立式隔膜电解槽。隔膜电解由于它充分利用 两电极之反应，并将阳极区和阴极区的反应物和产 物分开的功能和优点。它广泛地应用在化工、环保、 有色冶金等领域。
卷式电渗析器是一种类似卷式反渗透组件结构 的电渗析器，它的阴阳离子交换膜都放在同心圆筒 内，并卷成螺旋状。卷式电渗析器的结构是将电极 夹在离子交换膜内制成特殊的膜堆电极，阴阳离子 交换膜与绝缘隔网板制成淡水 U 形流道单元，并与 淡水集配水管的侧壁相通，膜堆电极与淡水流道单 元之间夹入一张绝缘网隔板构成浓水流道单元，然 后以淡水集配水管为中心卷制成圆筒体。阳极在圆 筒的中心，阴极安放在圆筒的外壳上，淡液和浓液沿 膜间通道流动，管道与图平面垂直，淡液通过管道而 进出［9］。卷式 电 渗 析 器 其 主 要 缺 点 是 螺 旋 膜 堆 难 以密封，特别是圆筒中心管既作电极用，又要作集水 管用，由于存在电极反应，使得离子交换膜与中心管 粘结的部分不易密封。 1． 7 液膜电渗析（ EDLM）
2 电渗析技术应用
2． 1 水处理 2． 1． 1 工业废水处理
电渗析可用于电镀废水、重金属废水等的处理， 提取废水中的金属离子等，既能回收利用水和有用 资源，又减少了污染排放。万诗贵等自制离子膜电
解槽研究了铜生产过程中钝化液处理的可行性，结 果发现，不仅可以回收其中的铜和锌，而且将 Cr3 + 氧化成 Cr6 + ，再生了钝化液［15］。K． N． Njau 则利用 膜电解从镀镍废 液 中 电 沉 积 出 镍［16］。 电 渗 析 法 与 离子交换法结合从酸洗废液中回收重金属和酸的工 艺已在工业 上 应 用。 王 方［17］ 设 计 的 以 阳 树 脂 为 主 的阴、阳树脂分层填充的电去离子装置，对重金属废 水进行处理，可以实现重金属废水的回收和利用，达 到闭路循环和零排放。
environment etc． The paper described some kinds of electrodialysis such as EDI，EDR and EDMB etc，the appli-
cations of electrodialysis in water treatment，food industry and chemical engineering were introduced，the devel-
Abstract： Electrodialysis technology is one of membrane separation technologies． Now electrodialysis has been
widely used in different fields for its low energy consumption，high efficiency，continuously running and friendly to
2012 年
李长海等： 电渗析技术及其应用
第4 期
水的解离，H + 同阴离子 X － 结合形成酸，OH － 同阳 离子 M + 结合形成碱。
图 2 三隔室双极性膜电渗析模型
双极膜电渗析系统通过巧妙的组合，可分别应 用于化工、环保、生物化工、海洋化工等诸多领域，并 有望解决这些领域中的技术难题，给这些领域注入 新的生机和活力［13］。 1． 9 离子隔膜电解
2012 年 8 月
电力科技与环保
第 28 卷 第 4 期
电渗析技术及其应用
Discussion on Electrodialysis technologies and its application
李长海1 ，党小建1 ，张雅潇2 （ 1． 西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710043； 2． 西安有色冶金设计研究院，陕西 西安 710001）
图 1 无极水电渗析器的结构示意
1． 5 无隔板电渗析器 传统电渗析器，一般由浓淡水隔板、离子交换膜
和电极等部件组装而成。1994 年，江维达设计出了 28
无隔板电渗析器［8］，由 JM 离子交换网膜和电极为 主要部件组装而成的新型电渗析器。它主要是用 JM 离子交换网膜构件取代离子交换膜和隔板，此新 构件具有普通离子交换膜和隔板的功能。该机在相 同条件下与有隔板的电渗析器比较，脱盐速率快，电 耗可降低 20% 以上。 1． 6 卷式电渗析
液膜电渗析是用具有相同功能的液态阴阳离子 交换膜代替固态的阴阳离子交换膜，液膜电渗析的 研究对象以分离无机物为主，但规模均处于小试验 阶段，其试验模型是用半透性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。液 膜电渗析在浓缩、提取化合物、合成高纯物质、脱盐 等方面已有相关应用［10］。液膜电渗析把化学反应、 扩散和电迁移三者结合起来，开拓了液膜应用研究 的新领域，具有广阔的发展前景。 1． 8 双极性膜电渗析（ EDMB）
高温电 渗 析 是 将 电 渗 析 的 进 水 温 度 加 热 到 80 ℃ ，使溶液的粘度下降，扩散系数增大，离子迁移 数增加，有利于极限电流密度的大幅增大，从而提高 电渗析器的脱盐能力，降低动力消耗，从而降低处理 费用，尤其 是 对 有 余 热 可 利 用 的 工 厂 更 为 适 宜［6］。 高温电渗析虽然有脱盐能力大，投资省及运转费用 低等许多优点，可是存在耐高温膜的研制以及需增 加热交换器而要消耗一部分热能的问题，因此，在什 么情况下采用多高的温度，需要从投资，运转费用及 水温等方面综合进行技术经济比较。 1． 4 无极水电渗析技术
0 引言
电渗析（ ED） 是在直流电场作用下，利用离子交 换膜的选择透过性，带电离子透过离子交换膜定向 迁移，从水溶液和其他不带电组分中分离出来，从而 实现对溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的目的［1］。
目前电渗折技术己发展成一个大规模的化工单 元过程，在膜分离领域占有重要地位。广泛应用于 化工脱盐，海水淡化，食品医药和废水处理等领域， 在某些地区已成为饮用水的主要生产方法，具有能 量消耗少，经济效益显著； 装置设计与系统应用灵 活，操作维修方便，不污染环境，装置使用寿命长，原 水的回收率高等优点［2］。
1 几种常见的电渗析技术
1． 1 填充床电渗析（ EDI） 填充床电渗析又称电脱离子法 （ Electrodeio －
nizattono 简称 EDI） 。它是将电渗析法与离子交换 法结合起来的一种水处理方法，即在电渗析的除盐 室中填充阴阳离子交换剂，利用电渗析过程中极化 现象对离子交换填充床进行电化学再生，它兼有电 渗析技术的连续除盐和离子交换技术深度脱盐的优 点，又避免了电渗析技术浓差极化和离子交换技术
电渗析还可以用于碱性废水及有机废水的处 理。污染控制与资源化研究国家重点实验室对采用 离子膜电解法对处理环氧丙烷氯醇化尾气碱洗废水 进行了 研 究［18〗。在 电 解 电 压 5． 0 V 时，循 环 处 理 3 h，废水 COD 去除率可达 78% ，废水中碱回收率可 达 73． 55% ，为后续生化单元起到良好的预处理作 用。齐鲁石油 化 工 公 司［19］ 利 用 电 渗 析 法 处 理 高 浓 度复合有机酸废水，浓度为 3% ～ 15% ，无废渣及二 次污染，得到的浓溶液含酸 20% ～ 40% ，可以回收 处理，废水中含酸量可降至 0． 05% ～ 0． 3% 。川化 股份有限公司采用特殊电渗析装置处理冷凝废水， 最大处理量为 36 t / h，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≤40 mg / L［20］。 2． 1． 2 饮用水及过程水处理
无极水电渗析，它的主要特点是取消了传统电 渗析的极室和极水，原水利用率可达 70% 以上，该 装置（ 如图 1 所示） 的电极紧贴一层或多层阴离子 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［7］。该装置在运行方式上 采用频繁倒极，全自动操作，以城市自来水为进水， 单台多级多段配置，脱盐率可达 99% 以上。目前， 无极水全自动控制电渗析器已在国内北京、西安、安 徽等地使用，还远销东南亚。