电渗析技术的简介.doc

电渗析技术的简介一、电渗析技术简介及其发展背景电渗析(eletrodialysis,简称ED)技术是膜分离技术的一种,它将阴、阳离子交换膜交替排列于正负电极之间,并用特制的隔板将其隔开,组成除盐(淡化)和浓缩两个系统,在直流电场作用下,以电位差为动力,利用离子交换膜的选择透过性,把电解质从溶液中分离出来,从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯。电渗析技术的研究始于德国,1903年,Morse和Pierce把2根电极分别置于透析袋内部和外部溶液中,发现带电杂质能迅速地从凝胶中除去;1924年,Pauli采用化工设计的原理,改进了Morse的实验装置,力图减轻极化,增加传质速率。但直到1950年Juda首次试制成功了具有高选择性的离子交换膜后,电渗析技术才进入了实用阶段,其中经历了三大革新:(1)具有选择性离子交换膜的应用;(2)设计出多隔室电渗析组件;(3)采用频繁倒极操作模式。现在离子交换膜各方面的性能及电渗析装置结构等不断革新和改进,电渗析技术进入了一个新的发展阶段,其应用前景也更加广阔。电渗析器由隔板、离子交换膜、电极、夹紧装置等主要部件组成。离子交换膜对不同电荷的离子具有选择透过性。阳膜只允许通过阳离子,阻止阴离子通过,阴膜只允许通过阴离子,阻止阳离子通过。在外加直流电场的作用下,水中离子作定向迁移。由于电渗析器是由多层隔室组成,故淡室中阴阳离子迁移到相邻的浓室中去,从而使含盐水淡化。在食品及医药工业,电渗析可用于从有机溶液中去除电解质离子,在乳清脱盐、糖类脱盐和氨基酸精制中应用得都比较成功。电渗析作为一种新兴的膜法分离技术,在天然水淡化,海水浓缩制盐,废水处理等方面起着重要的作用,已成为一种较为成熟的水处理方法。二、几种电渗析技术1倒极电渗析( EDR) 倒极电渗析就是根据ED 原理,每隔一定时间 (一般为1520 min) ,正负电极极性相互倒换,能 自动清洗离子交换膜和电极表面形成的污垢,以确 保离子交换膜工作效率的长期稳定及淡水的水质水 量。在20 世纪80 年代后期,倒极电渗析器的使用, 大大提高了电渗析操作电流和水回收率,延长了运 行周期。EDR 在废水处理方面尤其有独到之处,其 浓水循环、水回收率最高可达95 %。2 液膜电渗析( EDLM) 液膜电渗析是用具有相同功能的液态膜代替固 态离子交换膜,其实验模型就是用半透玻璃纸将 液膜溶液包制成薄层状的隔板,然后装入电渗析器 中运行。利用萃取剂作液膜电渗析的液态膜,可能 为浓缩和提取贵金属、重金属、稀有金属等找到高效 的分离方法,因为寻找对某种形式离子具有特殊选 择性的膜与提高电渗析的提取效率有关。提高电渗 析的分离效率,直接与液膜结合起来是很有发展前 途的。例如,固体离子交换膜对铂族金属(锇、钌等) 的盐溶液进行电渗析时,会在膜上形成金属二氧化 物沉淀,这将引起膜的过早损耗,并破坏整个工艺过 程,应用液膜则无此弊端。3 填充床电渗析( EDI) 填充床电渗析( EDI) 是将电渗析与离子交换法 结合起来的一种新型水处理方法,它的最大特点是 利用水解离产生的H+ 和OH- 自动再生填充在电渗 析器淡水室中的混床离子交换树脂,从而实现了持 续深度脱盐。它集中了电渗析和离子交换法的优 点,提高了极限电流密度和电流效率。1983 年Ke2 dem. o. 及其同事们提出了填充混合离子交换树脂 电渗析过程除去离子的思想 ,1987 年,Mlillpore 公司推出了这一产品 。填充床电渗析技术具有 高度先进性和实用性,在电子、医药、能源等领域具 有广阔的应用前景,可望成为纯水制造的主流技术。4 双极性膜电渗析( EDMB) 双极膜是一种新型离子交换复合膜,它一般由 层压在一起的阳离子交换膜组成,通过膜的水分子 即刻分解成H+ 和OH- ,可作为H+ 和OH- 的供应 源。双极性膜电渗析突出的优点是过程简单,能效 高,废物排放少。目前双极性膜电渗析工艺的主要 应用领域在酸碱制备。例如,用双极性膜和阳膜配 成的二室膜可以实现有机酸盐(葡萄糖酸钠、古龙酸 钠等) 的转化,同时得到碱(NaOH) ,但浓度(酸最大 浓度2 molL - 1 ,碱最大浓度6 molL - 1 ) 和纯度 两方面都受到限制。现在开发的应用领域还有废气 脱硫、离子交换树脂再生、钾钠的无机过程等。5 无极水电渗析无极水电渗析是传统电渗析的一种改进形式, 它的主要特点是除去了传统电渗析的极室和极水。 例如在装置的电极紧贴一层或多层离子交换膜,它 们在电气上都是相互联接的,这样既可以防止金属 离子进入离子交换膜,同时又防止极板结垢,延长电 极的使用寿命。由于取消了极室,无极水排放,大大 提高了原水的利用率。无极水电渗析于1991 年 问世,在应用过程中技术不断改善,现装置在运行方 式上多采用频繁倒极的形式。目前,无极水全自动 控制电渗析器已在国内20 个省、市使用,近来,还远 销东南亚。三、电渗析技术的特点可以同时对电解质水溶液起淡化、浓缩、分离、提纯作用；可以用于蔗糖等非电解质的提纯，以除去其中的电解质；在原理上，电渗析器是一个带有隔膜的电解池，可以利用电极上的氧化还原效率高。在电渗析过程中，也进行以下次要过程:同名离子的迁移，离子交换膜的选择透过性往往不可能是百分之百的，因此总会有少量的相反离子透过交换膜；离子的浓差扩散，由于浓缩室和淡化室中的溶液中存在着浓度差，总会有少量的离子由浓缩室向淡化室扩散迁移，从而降低了渗析效率；水的渗透，尽管交换膜是不允许溶剂分子透过的，但是由于淡化室与浓缩室之间存在浓度差，就会使部分溶剂分子（水）向浓缩室渗透；水的电渗析，由于离子的水合作用和形成双电层，在直流电场作用下，水分子也可从淡化室向浓缩室迁移；水的极化电离，有时由于工作条件不良，会强迫水电离为氢离子和氢氧根离子，它们可透过交换膜进入浓缩室；水的压渗，由于浓缩室和淡化室之间存在流体压力的差别，迫使水分子由压力大的一侧向压力小的一侧渗透。显然，这些次要过程对电渗析是不利因素，但是它们都可以通过改变操作条件予以避免或控制。四、电渗析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 。 1. 电渗析技术处理苹果酸废水的研究随着我国苹果栽种面积的不断扩大和苹果产量 的快速增长, 我国的苹果加工业得到了蓬勃发展。 脱色脱酸果汁是近年来兴起的苹果汁加工新品种, 它是将经前处理、澄清、超滤后的清汁经脱色树脂吸 附、脱酸树脂深度脱色、脱酸处理, 浓缩后得到的无 色透明、质地纯净的纯天然果糖产品, 在欧美、国内 等市场成为消费的热点, 具有良好的市场前景。在 目前的生产工艺中, 脱色脱酸树脂的NaOH 再生废 液与前处理树脂的酸洗废液中和后直接排放, 这样 不仅对环境造成了严重的污染, 制约了我国苹果汁 加工行业进入良性的可持续发展轨道, 而且浪费了 N aOH 再生废液中大量天然的L- 苹果酸。同时, 由 于原料等条件的限制, 我国现有的苹果浓缩汁多为 低酸果汁, 而国际市场上浓缩苹果汁的价格与酸度 成正比, 酸度每升高1 , 每吨浓缩苹果汁的价格即 可提高100 150 美元。如果能将NaOH 再生废液 中的天然L- 苹果酸脱盐回收, 达到苹果浓缩汁的 质量标准, 就可以将其直接回兑到苹果浓缩汁中, 提 高产品的酸度, 带来巨大的经济效益。叶微微等采 用国产离子交换膜研究了采用电渗析法脱盐回收废 液中的苹果酸, 及其对苹果酸废液脱盐的工艺条件。 将废液pH 调至4. 0, 工作电流11A 下循环脱盐2h, 脱盐率达99% 以上, 含N a+ 11821mg / L的废液脱 盐至含N a+ 42. 88mg / L, 其中L - 苹果酸损失 18.94%, 基本达到分离要求, 表明了电渗析对苹果 酸废液的脱盐是切实可行的。 2. 电渗析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. 34,t 氨氮排放总量从每年的71. 208t减 少到10. 162,t 减少量为61. 046 ,t 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. 电渗析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。五、电渗析器应用范围一、工作原理电渗析器除盐的基本原理，是利用离子交换膜的选择透过性。阳离子交换膜只允许阳离子通过，阻档阴离子通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过，在外加直流电场的作用下，水中离子作定向迁移，使一路水中大部份离子迁移到另一路离子水中去，从而达到含盐水淡化的目的。二、应用范围电渗析器具有工艺简单，除盐率高，制水成本低、操作方便、不污染环境等主要优点，广泛应用 于水的除盐，具体应用在如下场合：海水及苦咸水淡化，根据我单位的试验资料，可将含盐量高达60克/升的苦咸水淡化成饮用水，解决沙漠地区的饮用水源。制取软水，（水的电阻率为105欧姆一厘米），可供低压锅炉给水，不需要食盐再生，还可节煤20%左右。深度除盐水及高纯水的前级处理，采用电渗析一离子交换法，扩大了原水适用范围，广泛应用电力、电子、化工、制药、科研化验等场合、降低制水成本50%以上。节省离子交换法再生用酸碱80%左右，延长再生周期五倍以上。用于饮料食品工业的提纯，使啤酒、汽水的质量提高，为创优质名牌产品创造了条件。电渗析器还可用于化工分离，浓缩及工业废水处理回收率。三、构造及组装方式1.构造：电渗析器由膜堆、极区和压紧装置三部分构成。（1）膜块：是由相当数量的膜对组装而成的。膜对：是由一张阳离子交换膜，一张隔板甲（或乙）；一张阴膜，一张隔板乙（或甲）组成。离子交换膜：是电渗析器的关键部件，本厂采用上海化工厂产的异相膜。隔板：分浓、淡水隔板，交替放在阴阳膜之间，使阴膜和阳膜之间保持一定的间隔，沿着隔板平面通过水流，垂直隔板平面通过电流。隔板厚离0.9毫米。（2）极区包括电极、极框和导水板。电极：为连接电源所用，本厂电极采用钛涂钌。极框：放置在电极和膜之间，以防膜帖到电极上去，起支撑作用。（3）压紧装置：是用来压紧电渗析器，使膜堆、电极等部件形成一个整体，不致漏水。2、组装方式：电渗析器的组装是用“级”和“段”来表示，一对电极之间的膜堆称为“一级”。水流同向的每一个膜称为“一段”。增加段数就等于增加脱盐流程，也就是提高脱盐效率，增加膜对数，可提高水处理量。电渗析器的组装方式可根据淡水产量和出水水质的不同要求而调整，一般有以下几种组装形式：一级一段；一级多段；多段一段；多级多段。四、辅助设备电渗析器除本体以外尚须配备整流器、过滤器、酸洗设施，水泵仪表等辅助设备。为方便用户，本厂可提供全套辅助设备和仪表，现将与电渗析器配套的辅助设备列于。说明：（1）适用于原水含盐量800毫克/升，如原水含盐量800毫克/升时，则需根据含盐量调整流器的型号。（2）电渗析器除盐率计算采用DDS-11A型电导仪，配套供给。（3）当采用浓水循环系统时，需配置浓水箱及水泵，浓水箱可用塑料水箱，其容积约相当于淡水量的40%。五、注意事项（1）、水的预处理是保证电渗析器正常运行的因素之一，因此水进入电渗析器前必须进行必要的预处理，保证进入电渗析器的原水水质符合以下指标。a：浊度：3mg/1; b: