重新认识电渗析---为什么是电渗析(家用领域)

为什么是电渗析提笔想来“家用水”三个字实际上是非常有分量，因为关系到每一个人的安全和健康，需要非常慎重的谈这个问题，原因是在中国快速发展，人们对安全饮水需求越来越迫切，甚至也有提出健康饮水的需求，这非常合情合理，但是这需要我们所有人对水质的提高有更加深入和谨慎的思考；笔者斗胆结合我们在电渗析（透）用于家用水处理场景一些关键点进行探讨；首先第一个问题是：为什么会选用电渗析？充分的证据表明长期饮用纯净水或者低矿化度的水引起的健康问题，世界卫生组织（WHO）的研究也表明长期饮用纯净水存在健康风险；同时由于中国人的膳食结构好不足以完成对微量矿物元素的补充，水中矿物就显得更重要，同时水中部分矿物元素协同效应也要表明其重要性，这些都不断的提示需要更合适的饮用水的处理技术，本文这里尤其指末端饮水处理技术，主流技术市场的产品依然是以反渗透膜为核心的压力驱动过滤技术，更新的净化技术研发工作已经在近几年悄悄展开，出现较多的是纳滤（也有叫松散反渗透），笼统的说纳滤净水技术宣传就是能保留部分有益元素，过滤掉有害元素（截留相对分子质量在200～1000），如果从脱盐和有机物的去除效果上看，纳滤技术是具有优势的，但是目前的纳滤技术似乎并不能做到首先去除有害元素，纳滤脱盐是一个复杂的过程（大多膜片会荷电），现有的研究表明以钙镁为主的营养元素会首先被去除，其次才是低价离子，如果深究元素种类的脱除效果，纳滤显然不能完全匹配宣传，需要进一步对脱盐机制进行研究，克服上述的问题，纳滤的可靠性仍然需要更深层次的研究，细分作用的纳滤产品仍然任重道远；除了纳滤电渗析（透）也在近几年出现各个会议或部分研发工作者的圈子中，电渗析（透）实际上是一项“老”技术，国内在工业领域内的探索已经有数十年，异相膜片的制造技术上已经取得较好的成熟度，但国内整体技术进展尤其是产品化膜堆配套技术依然不尽如人意，我们进行了电渗析（透）用于不同家用场景下的技术探索和储备，研究人员近几年的研发结果表明，电渗析（透）技术在家用水质控制方面有一些让人欣喜的发现，电渗透可以通过调控电压（电流），完成对离子化溶质的控制脱除或保留，显然这比起纳滤的脱除过程让人兴奋；关于电渗析的可控水质调节，这里有三个层次的意思，第一层意思是通过合理方便的变量（电压或者电流更加方便，响应更迅速）控制，例如电压和电流控制脱盐的程度，实现不同价态离子脱除的先后次序（涉及膜片的选择性），控制不同离子之间的相对脱除比例（对于保留和去除具有十分重要的意义，不同的膜片的此类性质差别明显，例如日本某厂商的膜片机会是同比例脱除，而我们的膜片在低电压和高电压下的脱除效果明显差异）。

第二层意思合理的利用电渗析的浓水，有目的的调整脱盐过程，得到浓水，将电渗析的浓水用于特殊场景对淡水的勾兑，实现淡水的安全矿化；说到这里不得不在这里澄清一个问题，那就是电渗析在工作过程中，可能大部分的人认为，电渗析淡水室中的有机物是不能通过膜被浓缩！这是这个十分朴素的观点，但是我们的评估工作中发现，电渗析是可以具有1-20%（数据比较保守，测试采用我们的膜片）的有机物脱除，（这里就不展开了，内容十分多，如果有机会下次分享）造成这种现象的主要原因在阴膜配方的调控，通过对阴膜配方的调控，可以得到几乎没有有机物的浓水，甚至浓水的营养元素都可以调控，回到上面的第二层意思，也就是说在多元件耦合的处理系统中，电渗析的浓水可以作为其它过程（例如电渗析的淡水作为压力驱动膜的进水，浓水作为压力驱动膜淡水的再矿化源）再矿化的水源，以上两层内容都可以实现水质的操控。

第三层意思，电渗析过程可以更加多样的隔室装配方式，使用多样化的膜片进行膜堆组装，有目的的进行离子的脱除或保留，这是需要化繁为简，让膜堆小型化，轻量化，美观化（甚至考虑过使用不可重新装配的膜堆），如同反渗透元件一样美观和方便安装，这里的可控就是我们通过对隔板的优化设计让运行过程不利的过程弱化或者消除，大胆创新的摒弃法拉第过程的金属氧化物电极，采用了非金属电容电极，同时更新隔板的设计，有效改善消除了很多问题，让膜堆变得更加易于操控。

上述内容看似轻描淡写，但是背后有重要的三大基础支撑，其一膜片的低成本高效率制造（可方便调整生产具有不同使用场景的膜片），其二隔板的高效率制造和稳定的装配性（重要性不亚于膜片），新型电极的低成本化和可靠运行稳定性（克服工业产品中的很多问题）。

可喜的是我们都从根本上解决了上述问题，首先膜片的制造，如果是业内工作者，可能很清楚国内膜片供应的构成，我们没有选择异相膜（不利于膜堆的整体控制，至少目前是这样），国内均相膜也不能稳定供应同时安全性有待评估，国外的产品价格和供应量都难以满足要求，因此我们根据开发的膜片配方研发了配套的生产线，可以进行自动化生产，并且实现系列化配方的制造，同时不断革新配方，目前可以上线的配方有50%采用水作为溶剂，其余采用温和溶剂，测试表明小分子释放合格，配方可以方便的完成对不同场景膜片的设计制造（尤其是阴膜，这有很多应用场景；同时膜片和隔板的配合我们认为是无可挑剔的）；隔板也许是许多从业者一直都头疼的问题，初期我们也很苦恼，尤其家用场景下的小膜堆，采购的隔板毛刺和公差很大，一次装配便会损坏膜片，还不能可靠密封，所以隔板也只能从新设计制造，我们目前拥有全自动话一体同框隔板制造技术，无毛刺和膜片配伍性好，内部渗漏都在3%以下，无外漏，制造效率是手工隔板的数十倍，材料更适合用于家用水接触，同时可以根据不同的目的进行隔板流道的制造，自动化过程让这一切都变得更容易。

关于电极，家用场景下的水质较好，电流密度较工业膜堆的电流密度有大幅度下降，我们借鉴了电吸附技术中电容电极，结合倒极工艺，实现了非法拉第的电极过程，这在电渗析领域是重要的进步；因此评估中我们彻底的放弃了以钛金属为基底涂附金属氧化物的电极，从原理上选用电吸附式电极，成本大幅度下降，使用更加稳定。

深入研究的人可能会有很多问题，至少在工业膜堆中有很多问题，主要是：膜堆中阴阳两极的电化学反应带来的氯气和氧气氢气等问题在家用设备上要如何克服？隔板和膜片的制作成本如何能降低？膜片是否安全？极化和水解问题是不是会让膜堆变得脆弱不堪？膜片的污染是否能改善？膜堆的寿命是都具有优势？膜堆的成本市场能否接受？显然，在膜堆进入家用市场前，这些是不能回避的问题；对于阴阳极的电化学过程，已经在借鉴电吸附过程的电容式电极（一种活性物质为非金属的电容电极，可以很大程度上避免氧化还原过程，甚至在我们的某些设计中几乎没有赝电容），进行完整周期测试，所以新的电极体系可以实现没有法拉第过程的脱盐，所以也就自然没有气体困扰，同时出水PH不会出现波动；作为电渗析（透）模块的主要部件，膜片和隔板时至今日仍然是工业界内的一大问题，我们创新的制造技术完美的匹配了需求，实现了全自动化的膜片（目前可以应用的主要还是通过基膜制造和后官能团化，成本高和效率低）和隔板制造（依然采用冲裁焊接，毛刺和公差依然是短板），让单片的膜片和隔板更加具有竞争力（如果哪位朋友有兴趣可以随时交流），关于膜片的安全性，这一点也是我们十分关注的问题，制备过程中有50%的膜片采用水作为制备介质，其余使用溶剂的产品后期测试小分子的脱出完全可以符合要求（法国，欧洲等国家在红酒脱酸稳定，乳清脱盐有悠久的应用，安全性并不是问题），极化和水解问题一直是大家无比关注的问题，在家用设备中极化可以通过异型流道（不必担心隔板制造问题，这里只需要修改CAD图就可以轻松完成制造）进行改善，但是更为关键的是膜片和隔板（挤出网的支撑凸点和膜片压紧部位出现低流速微区，尤其在脱盐后段容易造成局部极化，我们通过隔板的流道设计，格网的优化和膜面硬度的微调明显改善这个问题）的配合，在我们工作中比极化更为棘手的问题是碳酸氢根的膜面水解，水解后的碳酸根和氢离子一方面可以在促成结垢，一方面可以使出水PH出现紊乱，这是绝对不能容忍的，新型的电化学过程和隔板设计和稳定电压控制可以解决棘手的水解问题。

膜片的污染是所有的膜分离技术的共同问题，电渗析（透）先天的优势就是膜片对于污染的容忍度明显高于纳滤和反渗透，其次我们可以提供多样的倒极方案（目前依据水质和膜片我们建议采用的10-30分钟的倒极周期），让膜片具有更长的生命周期，显然膜堆寿命将会成为整个系统的优点。

成本是一个产品能否面世的一个十分关键的问题，国内有几家厂商可能泛泛的做完一部分评估以后便十分草率的抛出一个致命的问题，那就是电渗析（透）原件的产品价格会很高，不可接受。

我们认为这是一个很粗糙的结论，显然那是基于目前工业级产品的报价（现在国内除了我们的产品可能也只能找到工业级部件和相关设备），如果是有一定数量的家用产品，在制造成本上（尤其是我们的膜片隔板和电极）会大幅度下降，这是令人振奋的消息，我们也希望分享给大家。

谈到这里，我想为什么会选择电渗析，大家应该都有答案。

但是这并不是说电渗析没有不足，关于电渗析无法脱除有机物的问题也是非常多从业者认为的不足，但是这也是已经是老黄历了，电渗析的淡水是完全可以实现有机物的部分脱除，只是脱除率没有反渗透和纳滤那么高，深入的测试工作表明电渗析可以实现水中有机物的脱除，并且可以通过阴膜的配方调整提高脱除率，谈到这个问题这里是一个非常庞杂体系，如果有机会这将在后面的内容中进行探讨。

这里面还有一个非常繁复的评价工作，这是一项系统性工程，涉及大量的设计和评估结果，远不是三两句话就可以说清楚的，在本篇内容中就不再展开，但是需要强调的是，这项工作的重要性超过前面提到的所有工作。

简单框架包括：1.膜堆的可靠装配，这是所有评估工作的基础；2.不同配方（微调后的系列化膜片）的选择性和电压（电流响应）；3.隔板格网和筛选和膜面硬度的调整；4.有害过程的弱化；5.膜堆污染控制和改善；6.稳定性和重复性；评估工作是一项富有挑战性的工作，但是其中还有无数惊喜伴随，我就不在此赘述。

电渗析的使用场景电渗析技术的现在，我们所能看到的就是在不同场景下面对的需求，电渗析可以进水水质软化，用作中央水处理环节，电渗析可以有效的提高水利用率，为无盐软水提供更加适合的解决方案，为饮用水的水质调控提供可能，为系统的寿命保驾护航；电渗析技术将来会变得更加灵活多变，以电渗析和反渗透或者电渗析和纳滤耦合集成的新型净水模式，当电渗析与与压力驱动膜进行耦合，可以首先对高价态的阳离子进行脱除，淡水直接进入压力驱动膜，作为有力的手段遏制，高价阳离子与有机物的作用，减缓压力驱动膜片表面的污染，有效的提高压力驱动膜的使用效果和使用寿命，同时将电渗析浓水适当的勾兑压力驱动膜淡水，有效的完成对于有机物的去除和对有益矿物质的保留。

家用市场上有很多的场景需要对高硬度的水进行软化（例如洗碗机者洗衣机热水器等等），目前较多采用的仍然是用氯化钠进行置换，形成高钠水，相信未来的发展方向会逐渐的引导和逐步禁止过多的高盐份排出，电渗析技术显然很适合这样的应用场景，同时部分填充阳树脂的电渗析也表现出更加优良的软化性能，无需加药再生。