电渗析原理与应用简介

1、引言     电渗析（简称ED）是以溶液中的离子选择性地透过离子交换膜为特征的，一种新兴的高效膜分离技术。它是利用直流电场的作用使水中阴、阳离子定向迁移，并利用阴、阳离子交换膜对水溶液中阴、阳离子的选择透过性（即阳膜具有选择透过阴离子而阻挡阳离子通过），使原水在通过电渗析器时，一部分水被淡化，另一部分则被浓缩，从而达到了分离溶质和溶剂的目。     电渗析利用半透膜的选择透过性来分离不同的溶质粒子（如离子）的方法称为渗析。在电场作用下进行渗析时，溶液中的带电的溶质粒子（如离子）通过膜而迁移的现象称为电渗析。利用电渗析进行提纯和分离物质的技术称为电渗析法，它是20世纪50年代发展起来的一种新技术，最初用于海水淡化，现在广泛用于化工、轻工、冶金、造纸、医药工业，尤以制备纯水和在环境保护中处理三废最受重视，例如用于酸碱回收、电镀废液处理以及从工业废水中回收有用物质等。 2、电渗析原理     在外加直流电场作用下，利用离子交换膜的透过性(即阳膜只允许阳离子透过，阴膜只允许阴离子透过)，使水中的阴、阳离子作定向迁移，从而达到水中的离子与水分离的一种物理化学过程。     原理是：在阴极与阳极之间，放置着若干交替排列的阳膜与阴膜，让水通过两膜及两膜与两极之间所形成的隔室，在两端电极接通直通电源后，水中阴、阳离子分别向阳极、阴极方向迁移，由于阳膜、阴膜的选择透过性，就形成了交替排列的离子浓度减少的淡室和离子浓度增加的浓室。与此同时，在两电极上也发生着氧化还原反应，即电极反应，其结果是使阴极室因溶液呈碱性而结垢，阳极室因溶液呈酸性而腐蚀。因此，在电渗析过程中，电能的消耗主要用来克服电流通过溶液、膜时所受到的阻力及电极反应。     例如，用电渗析方法处理含镍废水，在直流电场作用下，废水中的硫酸根离子向正极迁移，由于离子交换膜具有选择透过性，淡水室的硫酸根离子透过阴膜进入浓水室，但浓水室内的硫酸根离子不能透过阳膜而留在浓水室内；镍离子向负极迁移，并通过阳膜进入浓水室，浓水室内的镍离子不能透过阴膜而留在浓水室中。这样浓水室因硫酸根离子、镍离子不断进入而使这两种离子的浓度不断增高；淡水室由于这两种离子不断向外迁移，浓度降低。离子迁移的结果是把电渗析器的两个电极之间隔室变成了溶液浓度不同的浓室和淡室。浓水系统是一个溶液浓缩系统，而淡水系统是一个净化系统。用电渗析法回收镍时，以硫酸钠溶液作为电极液，硫酸钠可减轻铅电极的腐蚀，浓水回用于镀槽，淡水用于清洗镀件。 3、电渗透技术在废水处理中的应用     水是人类赖以生存不可或缺的资源，也是自然生态环境保持良好的重要条件。21世纪对于水资源的需求管理，不能仅考虑满足人类的用水，也必须考虑生态环境的永续。 3. 1 电渗透技术处理硝酸铵冷凝废水的研究     硝酸铵是基本的化学化工原料和农用氮肥， 广泛应用于农业、国防、化工、医药、纺织、轻工等领域。由于历史的原因， 我国传统的硝酸铵生产装置大多技术装备陈旧， 工艺落后， 环保水平偏低， 在生产过程中产生大量的含氮工业废水。特别是由于硝酸铵生产工艺决定由稀硝酸带入的水分在中和、蒸发及结晶过程中以二次蒸汽的形式排出，形成的工艺冷凝液中含有硝酸铵和氨，成为硝酸铵生产的主要污水源。这些冷凝液若直接排放，会使排放水中氨氮含量严重超标，造成地表水体的富营养化，破坏水环境的生态平衡。如直接送回硝酸吸收塔回用又不利于生产安全， 并且还不能全部回收利用。由于缺乏有效的治理措施，一些厂家采用兑水稀释的办法以实现达标排放，耗费大量的水资源。目前，新修订的地方和行业污水排放标准都相继提高了氨、氮标准，并对污染物的排放限值、水污染物基准排水量和排放浓度都做了相应规定，硝酸铵冷凝液的治理及回收利用成为硝酸铵生产企业面临的亟待解决的难题。川化股份有限公司采用24台具有特殊专用膜的电渗析单元所组成电渗析装置，冷凝废水的最大处理量为36 t/h，硝酸铵冷凝废水经电渗析装置循环浓缩、淡化处理后，浓水中硝酸铵体积百分比含量为20%，回收率达96% 以上，合格淡水排放水中氨氮质量分数含量!40mg /L。冷凝废水中氨、硝酸、硝酸铵每年削减或回收的排放量分别为113. 54t、362. 23t、88. 34t 氨氮排放总量从每年的71. 208t减少到10.162t 减少量为61. 046t削减85. 173%，不仅达到了减少硝酸铵废水排放量、消除污染的目的，而且还提高了资源综合利用率，降低了生产成本，取得了显著的环保效益和经济效益。 3. 2 电渗透技术处理氨氮废水的研究     随着我国社会经济的高速发展，各种污染物的排放量急剧增加，对环境尤其是水体造成了严重污染，资料表明，氨氮、磷等是地表水的主要污染物。氨氮废水的超标排放是水体富营养化的主要原因之一。目前在工业上应用的脱氨方法主要有生物脱氮法、吹脱法、折点加氯法、离子交换法等。生物脱氮法适用于处理含有机物的低氨氮浓度废水， 该法技术可靠， 处理效果好，主要应用于含氨化工废水和生活污水的处理。折点加氯法和离子交换法适用于不含有机物的低浓度氨氮的废水处理。对于高浓度无机氨氮废水，如氮肥厂废水等，目前工业应用较多采用吹脱法，但脱氨率仅为70% ，无法达到国家排放标准，且投资大，二次污染严重。唐艳等采用电渗析法处理氨氮废水，对工艺条件进行了优化研究，在实验室条件下得到工艺参数。电渗析电压为55V，进水流量为24L /h，氨氮废水进水电导率为2920 s/ cm， 氨氮浓度为534. 59mg /L。出水室浓水和淡水各占19%和81%，浓水和淡水的电导率分别为14000 s/cm和11. 8 s/cm，氨氮含量分别为2700mg /L 和13mg /L。该电渗析装置处理后的氨氮废水达到排放标准，可以满足回用要求。 4、结语     电渗析技术在膜分离技术领域里是一项比较成熟的技术，由于其具有环保、节能、对原水的水质要求相对较低等优点，而被广泛地用于食品、医药和化工等领域。近年来，随着对传统电渗析过程的改进，使电渗析技术成为新的热门研究领域。而研究离子交换膜的污染规律，建立起有效地缓解和清除膜污染措施，是解决电渗析技术更广泛应用的一个关键问题。笔者认为研究开发具有高化学和热稳定性、高选择渗透性、抗污染强的离子交换膜是未来电渗析技术发展的重要方向。