淺探電滲析技術的影響因素及相關應用研究

羅斐 李立 郭海新 程松民

摘要：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的發展，電滲析技術將會煥發新的活力及競爭力。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。

關鍵詞：電滲析;離子;膜技術

1電滲析的原理

電滲析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，它的工作原理相對于反滲透、納濾、超濾、微濾來講，推動力不是壓力差，而是電位差。它將陰、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），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。與其它膜分離技術相比，電滲析只需要稍微做預處理，并且不受壓力的影響，即可以得到高質量的水，另外的一個優勢是不需要能量的轉換，電能可以直接利用，即使在能量的輸入發生直接變化時，也可以直接利用。

2???? 電滲析的影響因素

從電滲析的原理可以看出，電滲析需要在直流電場的作用下，以此作為動力，使溶液通過離子交換膜，進行淡化處理，以達到脫鹽的目的。以此看出，電壓、電流是影響電滲析的重要因素，同時，流量與溶液的初始濃度也是影響淡化效率的重要因素。

2.1? 電流

電能是電滲析過程中最主要的傳質推動力。因此，電流的大小直接決定著脫鹽過程的速率。濃差極化是電滲析過程中一個極為重要的概念。極化是在電滲析過程中，物料在脫鹽室、濃縮室流動時，離子交換膜與水之間存在一個滯留層，在直流電場作用下，溶質發生定向遷移，在工作電流增加到一定程度時，主體溶液中的離子不能迅速補充到膜的表面，此時膜表面的離子濃度趨于零，引起滯留層中大量水分子電離，并生成H+和OH—離子來負載電荷，此現象稱為極化。而此時的電流密度也達到了一個極限值，稱為極限電流。在電滲析過程中，增大電流密度，酸堿濃度會迅速增大，脫鹽的效率也會相應增加。因為電流密度增大，所需要的處理時間縮短，同離子滲漏和濃差擴散的量較少，產物濃度略有增加。在電滲析過程中，若使用高電流強度將會得出令人滿意的結果，但是伴隨著濃差極化的發生，使電流強度的提高受到限制，若操作電流強度高于濃差極化的極限電流強度，往往會出現電流效率下降、能耗上升、pH紊亂、大量氣泡產生（水電解）、膜發生沉淀結垢和堵塞等不良現象，嚴重影響電滲析的正常運行，電滲析效率下降，并且縮短電滲析器的使用壽命。為強化操作過程，必須選擇適宜的電流強度。因此，對極限電流的研究是極其重要的。

2.2? 電壓

由于電極間的電阻一定，當電極兩端所加的電壓越大，通過溶液的電流就越大，在單位時間內就有更多的陰陽離子通過離子交換膜，脫鹽效率也會越大。但是電壓過大，電流也會增大，就會出現濃差極化的現象，另一方面，能耗也會增加。在電滲析運行的過程中，必須保證電壓的穩定，電壓發生變動，會引起水壓突然波動，會使電滲析器隔板移動錯位，造成隔板變形及漏水，使水處理不徹底，影響后續一系列活動的進行。如果需要切換電壓，必須先停止電滲析的運行后再進行更換電壓。吳敏對不同電壓對出水離子濃度的影響進行探討，得出結論：在一定范圍內，電壓越高，淡室的出水中離子含量就越少，離子濃度與電壓呈負相關;而濃室的出水中離子含量就越多，離子濃度與電壓呈正相關。

2.3? 流量

在電滲析過程中若流量超過一定的值，會對膜堆造成很大的沖擊，減小膜的壽命，若流量過小，處理效率較低，也會造成膜堆沉淀。但總體來說，增大流量，對溶液的處理時間會變短，提高效率。另外，隨著流量的提高，極限電流會增大，因為提高流量，流速變大，使脫酸濃縮兩室的溶液攪拌更加激烈，膜與溶液間的界面層的厚度變薄，擴散阻力減小，有利于離子的擴散和遷移，致使極限電流值增大。所以，尋求合適的流量值，對于電滲析過程也是至關重要的。

2.4? 溶液初始濃度

在處理一定的鹽溶液時，提高初始濃度和增加鹽溶液濃度均能降低操作電壓，從而降低能耗。

上述各種影響因素之間是互相關聯的，通過模擬的L-谷氨酸進行電滲析的分離處理，對影響電滲析器極限電流密度的因素進行了探討，闡述了設備的選用、溫度、流量、溶液濃度等因素之間的關系，得出電滲析器的極限電流密度分別隨著操作物料流量、操作溫度、物料濃稀相進料濃度比的上升而上升的結論。

3電滲析的應用

3.1? 海水、苦咸水淡化

常用的海水、苦咸水淡化技術主要有蒸餾法及膜法。過去，蒸餾技術在海水淡化市場占據主流位置，一是因為這種技術便于結合水和電的生產，另外，則因為能源補貼有利于這些高能耗的技術。不過，近年來，大部分新建的淡化水工廠多采用膜處理技術，膜技術主要有反滲透、納濾、電滲析等。由于電滲析技術在能耗方面較低，去鹽效果好，所以較其它幾種處理技術具有顯著優勢。利用電滲析技術進行海水淡化時，由于受海洋環境和海水特性的影響，海水淡化工程與其它水處理工程相比，在設計和施工上差異較大。電滲析技術在苦咸水淡化方面提供了一種高效可行的方法，它可以通過改變電流、電壓，來滿足不同含鹽量水的要求。目前常用的方法有添加阻垢劑、離子交換軟化、加酸去除進水中的碳酸根和重碳酸根以及降低水回收率、避免超過溶度積。

3.2? 化工行業

電滲析技術在化工行業的應用比較成熟，已取得較大成效。電滲析技術在工業廢水處理方面的應用有電鍍廢水處理、冶金工業廢水處理、氯堿工業廢水處理、造紙工業廢水處理、放射性生產廢水處理等方面的應用。由于雙極膜電滲析較傳統電滲析有很多優點：資源可以循環利用，耗水少，出水鹽含量明顯較少等，可以把雙極性膜電滲析技術應用于脫鹽處理。王曉林分別在間歇模式和連續操作模式下，對雙極膜電滲析（EDBM）與發酵罐原位集成的可行性進行了考查，接著又進行了電滲析技術對氮磷的資源化，結果證明雙極膜電滲析技術對氮磷的回收利用是可行的。

3.3? 食品行業

隨著科學技術的發展，電滲析技術在食品行業中的應用是近年來的一大熱點，而且發展非常迅速。它不僅可以提高產品的純度，而且還能有效地脫除酸、鹽等雜質，使食品的質量得到保證，并能夠保持原有的營養成分。電滲析技術在食品方面的應用有牛乳、乳清的脫鹽、果汁的去酸、食品添加劑的制備等。

3.4? 醫藥行業

目前膜技術日臻成熟，已開始應用于醫藥領域，如臨床用于血透、血液凈化、親和過濾、腎透等。為醫藥生產的提取、分離、濃縮、純化一體化工程技術的解決提供了保證，為提高醫藥生產企業的整體水平奠定了基礎。而電滲析技術作為膜技術的一種，在醫藥工業方面的應用主要有制備制藥用水與注射用水，皮膚給藥工藝，電滲析排毒儀，制備各種藥品等方面。

3.5? 生物發酵行業

電滲析技術在生物工程方面的應用主要有蛋白質的分離和氨基酸廢水的處理。電滲析脫鹽速度快，脫鹽率可以很好地控制，蛋白質損失少，而且脫鹽的規模易于擴大，電滲析過程中蛋白質不是被稀釋，而是在脫鹽的過程中同時被濃縮。

參考文獻：

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