三室式電滲析法處理廢水的原理分析及其實用價值

趙芳

在水資源匱乏的大環境下，含鹽廢水的處理已成為一個不可忽視的問題。開發經濟高效的含鹽廢水處理工藝，已經成為國內水資源可持續利用的關鍵問題。國際上將廢水“零排放”定義為液體零排放（zero liquid discharge），即工藝廢水經過適當的技術處理后回用，不向環境排放任何液態廢棄物，廢水中的污染物以固態形式排放[1]?！傲闩欧拧奔夹g的關鍵在于含鹽廢水的濃縮減量，目前主要有蒸發、膜蒸餾、正滲透和電滲析等技術。而電滲析，與其它技術相比，具有投資少、能耗低、技術成熟和濃縮濃度高等優點，同時，電滲析技術作為一種膜法水處理技術，由于其對分離組分的選擇性高，原水回收率高，不污染環境等優點，正受到越來越多的關注，成為目前水處理的熱點之一。

電滲析（ED）技術是在離子交換法的基礎上發展起來的除鹽方法，是膜分離技術的一種，它的工作原理是將陰、陽離子交換膜交替排列于正負電極之間。并用特制的隔板將其隔開，組成除鹽（淡化）和濃縮兩個系統，在直流電場作用下，利用離子交換膜的選擇透過性（其實質是反擴散）[2]，一部分水淡化，一部分水濃縮，把電解質從溶液中分離出來，從而實現溶液的濃縮、淡化、精制和提純。

電滲析設備有兩室式電滲析池，三室式電滲析池，還有多室式電滲析池。陳日耀等[3]研究采用陰陽離子雙隔膜三室式電解槽，以鐵為陽極，石墨作陰極，采用電滲析技術處理氨氮廢水。如垃圾滲濾液中含有高濃度氨氮，將垃圾滲濾液中氨氮富集到陰極液中，以化學沉淀法去除，經處理后氨氮濃度可降至200mg/L 以下.程昊等[4]采用改性殼聚糖、海藻酸鈉雙隔膜電滲析處理垃圾滲濾液，滲濾液中氨氮濃度從 1392mg/L 降至 169mg/L，陰極室氨氮濃度為1063mg/L，經進一步處理陰極室廢水可達標排放.以上研究表明，電滲析可作為垃圾滲濾處理的一種技術，且去除氨氮效果較好，不會產生其他污染.

利用三室式電滲析法的原理不僅在處理廢水上取得較好的效果，而且還體現在近幾年的化學試題中，像利用三室式電滲析法處理含NH4NO3廢水的原理圖像試題在（2019屆山東聊城高三化學二模）中考查過;三室式電滲析法處理廢水的原理知識甚至還滲透到高考的命題中，與高考銜接。比如（2016年新課標1卷 11）三室式電滲析法處理含廢水的原理如圖所示，采用惰性電極，ab、cd均為離子交換膜，在直流電場的作用下，兩膜中間的和可通過離子交換膜，而兩端隔室中離子被阻擋不能進入中間隔室。下列敘述正確的是（??）

A.通電后中間隔室的離子向正極遷移，正極區溶液增大

B.該法在處理含廢水時可以得到和產品

C.負極反應為，負極區溶液降低

D.當電路中通過1電子的電量時，會有的生成

【答案】B

【解題思路】直流電作用下電解硫酸鈉溶液，由于鈉離子與硫酸根在水溶液中均不放電，因此其本質為電解水。

【解析】A、電流從正極流出，負極流入，為陰離子，其移動方向應與電流相反，因此向正極區（陽極）移動。正極區發生氧化反應，電極反應為，則正極附近酸性增強，pH下降。故A項錯誤。

B、負極區（陰極）的電極反應為，剩余，中間區域的遷移到負極區，得到;正極區的電極反應為，余下，中間區域的遷移到正極區，得到，故B項正確。

C、負極區發生還原反應：，負極附近堿性增強，pH升高，故C錯誤。

D、由正極區的電極反應可知，轉移電子與產生氧氣的物質的量之比為4：1，因此轉移電子時會有氧氣生成，故D項錯誤。

【考查方向】本題主要考查電解池工作原理的知識

【易錯點】對電解池電子轉移分析錯誤

【點評】電化學是化學能與電能轉化關系的化學。電解池是把電能轉化為化學能的裝置，它可以使不能自發進行的化學反應借助于電流而發生。與外接電源正極連接的電極為陽極，與外接電源負極連接的電極為陰極。陽極發生氧化反應，陰極發生還原反應。若陽極是活性電極（除Au，Pt，C之外的電極），則電極本身失去電子，發生氧化反應;若是惰性電極（Au，Pt，C等電極），則是溶液中的陰離子放電，放電的先后順序是S2ˉ>Iˉ>Brˉ>Clˉ>OHˉ>含氧酸根離子，陰極則是溶液中的陽離子放電，放電的先后順序是Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+，與金屬活動順序表剛好相反。溶液中的離子移動方向符合：同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引的原則，即陽離子向陰極區移動，陰離子向陽極區移動。掌握電解池反應原理是本題解答的關鍵。本題難度適中。

電滲析在苦咸水及海水淡化、化工分離、食品行業、生物工程、醫藥等領域中取得了巨大的進展，突顯了其利用價值。電滲析技術是目前所有膜分離過程中唯一設計化學化學變化的分離過程。在許多領域與其它方法相比，它能有效的將生產過程與產品的分離過程融合起來，具有其他方法不可比擬的優勢。比如新出現的四室電滲析器提取乳酸技術，不但將乳酸從發酵液中分離出來，同時將它由鈣鹽轉化成了酸的形式，與傳統工藝相比工序簡單，耗能少，產率高。因此電滲析在節能和促進傳統技術的升級方面具有很大的潛力。隨著科技發展，電滲析設備的制造水平提高，設備成本大大降低，電滲析技術固有的抗污染性，高化學性等優點，再加上雙極膜電滲析技術、反滲透與電滲析相結合技術 [5] 的發展，電滲析技術將會煥發新的活力及競爭力！

參考文獻：

[1]?Dani Jennifer Barrington，Goen Ho. Towards zero liquid discharge：The use of water auditing to identify water conservation measures [J]. Journal of Cleaner Production，2014，66（1）：571 - 576.

[2]?Galama A H，Saakes M，et al.Post.Seawater predesalination with electrodialysis[J]. Desalination，2014，342：61 ～ 69.

[3]?陳日耀，陳震，耿亞敏，等.陰陽離子雙隔膜三室電解槽電滲析處理垃圾滲濾液[J].應用化學，2009，26（11）：1336-1340.

[4]?程昊.改性殼聚糖、海藻酸鈉雙隔膜電滲析處理垃圾滲濾液[J].科學技術與工程，2009，9（10）：2832-2833.

[5]?Ronan K，McGovern，et al.The benefits of hybridizing electrodialysis with reverse osmosis[J].Journal of Membrane Science，2014，469：326 ～ 335.

（作者單位：河南省信陽市第二高級中學）