渗析和电渗析技术简介及在水处理中的应用

渗析和电渗析技术简介及在水处理中的应用

一、渗析和电渗析技术简介

人们早就觉察，一些动物膜，如膀胱膜、羊皮纸〔一种把羊皮刮薄做成的纸〕，有分隔水溶液中某些溶解物质〔溶质〕的作用。例如，食盐能透过羊皮纸，而糖、淀粉、树胶等则不能。假设用羊皮纸或其他半透膜包裹一个穿孔杯，杯中满盛盐水，放在一个盛放清水的烧杯中，隔上一段时间，我们会觉察烧杯内的清水带有咸味，说明盐的分子已经透过羊皮纸或半透膜进入清水。假设把穿孔杯中的盐水换成糖水，则会觉察烧杯中的清水不会带甜味。明显，假设把盐和糖的混合液放在穿孔杯内，并不断地更换烧杯里的清水，就能把穿孔杯中混合液内的食盐根本上都分别出来，使混合液中的糖和盐得到分别。这种方法叫渗析法。渗析时外加直流电场常常可以加速小离子自膜内向膜外的集中，为电渗析。

起渗析作用的薄膜，因对溶质的渗透性有选择作用，故叫半透膜。近年来半透膜有很大的进展，消灭很多由高分子化合物制造的人造薄膜，不同的薄膜有不同的选择渗析性。半透膜的渗析作用有三种类型∶

①依靠薄膜中“孔道“的大小，分别不同的分子或粒子;

②依靠薄膜的离子构造分别性质不同的离子，例如用阳离子交换树脂做成的薄膜可以透过阳离子，叫阳离子交换膜，用阴离子树脂做成的薄膜可以透过阴离子，叫阴离子交换膜;

③依靠薄膜有选择的溶解性分别某些物质，例如醋酸纤维膜有溶解某些液体和气体的性能，而使这些物质透过薄膜。一种薄膜只要具备上述三种作用之一，就能有选择地让某些物质透过而成为半透膜。在废水处理中最常用的半透膜是离子交换膜。

电渗析过程原理可由图 3-23 来说明。这是一个简洁的三隔室电渗析器，中间淡水室装有混合阴、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〕。它的作用原理有以下几个过程。

① 电渗析过程∶在外电场作用下，水中电解质通过离子交换膜进展选择性迁移，从而到达去除离子的作用。

② 离子交换过程∶ 此过程靠离子交换树脂对水中的电解质的交换作用，到达去除水中的离子。

③电化学再生过程∶利用电渗析的极化过程水解离产生的 H+和 OH-及树脂本身的水解离作用对树脂进展电化学再生。

综合以上三点，系统的表达电渗析过程为∶水中离子首先因交换作用吸附于树脂颗粒上，再在电场作用下经由树脂颗粒构成的“离子传输通道“迁移到膜外表并透过离子交换膜进入浓室，在树脂、膜与水相接触的介面集中层中的极化使水解离为 H+和 OH，它们除局部参与负载电流外，大多数又对树脂起到再生作用，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，到达了连续的去离子过程。

在低含盐量条件下，电渗析与一般渗析相比，填充的离子交换树脂大大提高了膜间导电性，显著增加了从溶液向膜面的离子迁移，破坏了膜面的浓度滞流层中的“离子疲乏“状态。因此，消退了浓差极化的危害，利用了水解离过程，扶高了极限电流密度，到达高度除盐，使电渗析与渗析有了本质的区分。

电渗析普遍应用于纯水制造工业。在淡室填充离子交换树脂的渗析装置概孔浸早提出于 1950 年，用填充床电渗析处理放射性废水首次报道于 1955 年，以

后对电渗析的理论争论、装置构造改进的工作接连不断。20 世纪 50 年月末 60 年月初，Pearm、Kollsman、Kressman 等争论推出了多种装置设计专利。70 年月后，参析争论仍集中在装置设计，不断消灭的装置形式。然而，早期的电渗析由于在关键技术上未得到解决，特别是预处理未到达肯定水平，难以稳定地生产出电阻率1MΩ·cm的纯水，有用性较差。经过数十年的努力，直至 1987 年，美Millipore 公司才首先取得突破性进展，推出了第一台商业性的电渗析设备。进入 20 世纪 90 年月以后，在 Millipore、Ionpure、Ionics 等众多公司的推动下，电渗析技术得到快速进展。Milipore 公司〔1988〕成功的关键在于精巧的隔板设计，

隔板能防止树脂在进出口处的堵塞和加厚隔板可能引起的膜塌陷，促进液流均匀分布，并且承受了离子交换膜与隔板黏接技术，防止了短流和内窜水。Lonic 公司于 1991 年开发出了的填充与导出树脂颗粒的工艺，可对组装完毕的电渗置在外部用泵填入和移出树脂颗粒，清洗再生后再返回隔室。其后，加拿大

E-Cell 公司推出了一种型的电渗析系统，这种装置是框架组装式，单只模块水量2.84m²/h，最大的系统产水量可达450m²/h。与此同时，日本金东水株式会社和蕉原制作所相继开发出填充离子交换纤维的型电渗析装置。在工艺上，Millipore 与 Lonics 公司〔1990—1992〕分别争论成功倒电极电渗析技术，在浓室与极室填充与淡室一样的混床树脂，可频繁倒极，连续产水，提高了装置的性能。 1994 年卷式电渗析装置进入市场，Christ 公司针对板框式电渗析加工组装的缺陷，开发出卷式电渗析，避开了板式电渗析填充树脂和压严密封困难。Kyeong-Ho Yeon 等〔2023〕利用电渗析技术从核电厂冷却水中去除重金属离子获得成功。随着电渗析装置及 RO/电渗析工艺的不断成熟，电渗析产水水质越来越高。进入21 世纪来，电渗析出水电阻率一般为 17～18MΩ·cm〔25℃〕，完全到达传统离子交换混床的处理水平，而且对 CO2、SiO2 等弱电解质的去除率优于传统离子交换法。电渗析工艺越来越广泛地应用于超纯水的生产，尤其是半导体工业。离子交换混的连续再生是这种现代技术的主要优势， Kamel-Eddine 等〔2023〕深入地争论了这一过程的理论，提出了基于电化学—流体力学的线性对数方程，说明白电和流速对电渗析工艺效率的影响。

国电渗析的争论集中在 20 世纪 80 年月初，当时称电渗析为“填充床电渗

析“或“高纯电渗析“，离子交换导电网电渗析、纤维填充床电渗析、树脂填充，电渗析均有报道。国家海洋局其次争论所等〔1983〕争论了离子传导网电渗析; 大星等争论了纤维填充床电渗析及对低放射性废水的处理效果;杨洪渊、黄奕普等进展了填充床电渗析脱盐机理的争论，设计了的带肋衬橡胶隔板，改进了原来细条槽式布水道的聚氯乙烯隔板。这些争论的内容各不一样，其中，相对有性的技术是用电渗析处理低放射性废水获得成功。国营七四二厂在历时 5 年的试验中〔1976—1981〕，承受通电再生、停电产水和高电流再生、低电流产水的运行方法，实际过程是间歇式操作，累计运行 3400h，产水电阻率大于 5 MΩ2·cm。总之，80 年月的争论多为阅历性，工程性探究，性能争论不够深入装置可操作性较差，另外一个缘由是当时国内 RO 技术尚不成熟，以电渗析作为预处理，影响到电渗析最终应用。

1986 年以后近 10 年的时间里，国内对电渗析的文献报道极少，直到 90 年月后期，随着国外电渗析装置的引入，国内又开头了对电渗析的争论。

徐、林载祁〔1996〕承受三级三段立式填充床电渗析器制备纯水，考察了原水含盐量、一价离子和二价离子对电渗析产水水质的影响。王建友、刘红斌、龚承元等人对电渗析过程水解离影响因素进展了争论，并争论开发出电渗析样机用于制取医药水〔2023〕。国家海洋局杭州水处理技术争论开发中心近几年也对电渗析开展研制工作，有样机推出。清华大学的王方对电渗析的工作原理、特点和应用领域进展了较全面的争论和报道〔1998—2023〕，申请了多项专利，对电渗析的去离子 L 理提出了“反响叠加模型“，将填充的树脂床层按流程方向分为失效层、工作层和保护层三个局部，组成离子交换层谱，形象地描述了电渗析工作过程〔1998〕。笔者近几年来也对电渗析性能、双极膜电渗析以及应用电渗析水解离机理对离子交换树脂电再生进展了争论，对电渗析去除弱电解质的影响因素进展了探讨。

二、电渗析技术在水处理中的应用

实际应用中，电渗析一般和其他膜分别技术〔UF、RO、MF〕及紫外线〔UV〕等联合组成高纯水生产流程。如将 RO 用于电渗析的前级处理，由于电渗析实现深度脱盐，首先在微电子业及药用纯水领域获得应用，近年来在电力、电镀工业、