電滲析（ED）技術和電去離子技術（EDI）的應用研究

摘 要：電滲析技術是膜分離技術之一，具有低能耗、高效率、連續運行、環境友好等顯著優點，在多個行業具有廣泛的應用。電去離子技術是在普通電滲析的基礎上發展起來的，廣泛應用于純水和超純水的制備。本文著重介紹了電滲析技術和電去離子技術在水處理、食品和化工等方面的應用，并簡要探討了電滲析技術及其發展前景。

關鍵詞：電滲析；電去離子；離子交換膜；應用

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A

1 電滲析技術的簡介

電滲析是在外加直流電場的作用下， 利用離子交換膜的選擇透過性， 使離子從一部分水中遷移到另一部分水中的物理化學過程。ED作為一種工業技術，其真正發展時期是從1950年美國人W·Juda發明了對陰、陽離子分別具有選擇透過性能的陰、陽離子交換膜后才開始的。我國的ED技術起步于1958年，中科院化學研究所研制出了紙質均相陰、陽離子交換膜，此膜曾用于從自來水ED脫鹽制取初級脫鹽水。

2 電滲析原理

ED是在直流電場作用下溶液中帶電離子通過半透膜的遷移過程，是一種物質分離方法，其中離子交換膜和直流電場是ED分離方法不可缺少的兩個條件。電滲析主要用于水溶液脫鹽或濃縮。ED脫鹽原理如圖1所示。

圖1是由陽、陰膜交替排列在一對陰、陽電極之間構成的電滲析槽，有10個隔室。將NaCl溶液分別通入這10個隔室中，加直流電壓。在電場力作用下，帶正電荷的Na+離子和帶負電荷的Cl-離子將分別向陰、陽兩極移動。因為離子交換膜對離子具有選擇透過性，水中所有的Na+離子向陰極移動時和所有的Cl-離子向陽極移動時，2，4，6，8，10室中的Na+離子和Cl-離子分別通過陽膜和陰膜到各自鄰室，從而達到脫鹽的目的。因此，2，4，6，8，10室稱為淡化室或脫鹽室，從淡化室匯總出來的水稱為淡水或脫鹽水；1，3，5，7，9室中的Na+和Cl-離子在遷移過程中被陰陽膜阻擋而留在本室中。這樣，它們與來自兩邊鄰室的Na+離子和Cl-離子一道而構成濃縮水，因此，1，3，5，7，9室稱為濃縮室，從濃縮室匯總出來的水稱為濃水或濃縮水。

3 電滲析技術的應用

（1）微咸水和咸水脫鹽

ED作為發明最早的脫鹽技術，除了針對膜污染進行研究，還研制出了倒極電滲析技術。盡管倒極電滲析技術在世界微咸水和咸水脫鹽中還發揮作用（如大欽島苦咸水淡化和滄州農村苦咸水淡化），但是其所占份額相對較少。另外，ED制備的出水水質較差，能耗較高，所以競爭力逐漸減弱；而反滲透雖然能耗低，出水水質好，但是其回收率較低，且濃水易造成二次污染。反滲透-電滲析耦合脫鹽突破了回收率的限制，因為使用ED可以有效的緩解濃差極化、降低反滲透膜-水界面的滲透壓以及降低能耗。同時這種耦和技術能耗低，可有效避免濃水導致的二次污染。Korngold等發現ED可以將0.2%-2%的濃鹽水濃縮到12%-20%，能耗約為1.5-7.1kWh/m3，與蒸發濃縮能耗（25kWh/m3）相比低的多。

（2）回收金屬表面處理工藝廢水中的重金屬

ED可用于回收金屬表面處理工藝廢水中的重金屬鎳，該工藝是由旭硝子公司開發的（Itoi等，1986）。鍍鎳工藝包括若干步淋洗步驟。在該工藝中，從第一淋洗段流出的溶液濃度高，這樣，通常將流出液返回電鍍浴并將最后工段的流出液排放掉。為了提高Ni的回收率和降低來自最后淋洗段的廢水中Ni含量，將ED段流程設計為在第一淋洗段中收集Ni離子并將其返回到電鍍浴中。

（3）化工分離

隨著市場對產物純度要求的日益嚴格，分離投資和操作費用逐漸增加，廢液處理量和處理費用也隨之增加。針對適宜的物系ED技術則可以降低分離投入、提高產率以及減少環境污染。ED在化工操作中可以靈活的集成，既可以在反應后進行分離，也可以在反應過程中進行分離。

4 電去離子技術

4.1 電去離子技術簡介

電去離子技術也叫填充床電滲析，英文縮寫EDI，就是在電滲析器的淡水室中裝填陰、陽離子交換劑（包括樹脂、纖維或其它形狀的離子交換材料）的一種電滲析技術。

4.2 電去離子技術原理

EDI技術利用離子交換樹脂和離子交換膜的特點，在直流電場作用下實現連續去除離子以及樹脂再生。它具有以下優良特性：（1）保留了ED可以連續脫鹽和離子交換樹脂可以深度脫鹽的優點；（2）改善濃差極化造成的不良影響；（3）避免了由于使用酸堿再生離子交換樹脂而產生的環境污染。

EDI工作原理如圖2所示。

填充材料的選擇是EDI的關鍵技術，離子交換樹脂和離子交換纖維是EDI膜堆主要的填充材料，具有離子吸附、交換的作用。填充材料應滿足交換容量高、交換速度快、水流阻力小、導電能力強、強度高、無溶出物等性能。

離子交換樹脂的填充方式主要包括：均勻混合式填充、兩層式填充、交錯多層式填充和分置式填充。均勻混合式填充是把陰、陽離子交換樹脂按一定比例（通常為體積比）混合均勻后填充到淡室中。兩層式填充是按水流動的方向把陰、陽樹脂分上、下兩層填充在淡室中。分層式填充是把陰、陽離子交換樹脂分別按照一定厚度交錯排列成許多層填充在淡室中。分置式填充方式是在陽淡水室（陽極板和陽膜直構成的隔室）填充陽離子交換樹脂；在陰淡水室（陰極板和陰膜構成的隔室）填充陰離子交換樹脂，陽膜陰膜之間構成了濃水室，原溶液水流首先經過陽室再進入陰室，產水從陰室流出，濃室進水通過濃室后直接外排，此種填充方式先天的缺陷較多，整體技術不成熟。混合填充、分成填充和分置式填充形式分別如圖3、圖4和圖5所示。

4.3 電去離子技術的應用

（1）純水和超純水的制備

傳統的純水制備方法主要有蒸餾和離子交換，蒸餾方法能耗高，效率低；離子交換方法需要消耗大量的酸堿溶液和清洗水，勞動強度大。EDI過程不僅可以使離子交換樹脂進行連續電再生，同時可減少環境污染，而且設備結構簡單、操作方便、高效節能、勞動強度低、出水純度高。

（2）化工產品的純化與濃縮

Myriam等采用填充纖維織物的EDI裝置純化含P2O5濃度11%的工業磷酸溶液，處理5h后，濃縮工業磷酸中P2O5濃度高達58%，而且除Fe金屬離子外，Mg2+、Cr3+、Cd2+、Zn2+等離子的去除率均達到30%，為更高濃度的工業磷酸分離純化奠定了堅實的基礎。

綜上所述，隨著新型離子交換膜及離子交換樹脂的開發和利用，必將促進EDI技術將在更多領域得到廣泛應用。如電滲析系統有可能代替氯氣，成為水處理一種新型實用滅菌方法。同時，該技術在皮膚給藥、電滲析排毒儀、海藻中提取碘、絡合酮脫鹽、電泳涂漆和甲基丙烯聚合等方面也具備了一定的研究基礎和應用條件。因此，電滲析技術的應用前景十分廣闊。

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作者簡介：楊飛黃（1981-），男，漢族，河北保定人，碩士研究生，工程師。研究方向：水污染防治、土壤污染防治、工業節能技術等。