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 一、電滲析技術(shù)歷史淵源

        電滲析技術(shù)的研究始于德國(guó)，1903年，Morse和Pierce把2根電極分別置于透析袋內(nèi)部和外部溶液中，發(fā)現(xiàn)帶電雜質(zhì)能迅速地從凝膠中除去；1924年，Pauli采用化工設(shè)計(jì)的原理，改進(jìn)了Morse的實(shí)驗(yàn)裝置，力圖減輕極化，增加傳質(zhì)速率。但直到1950年Juda**試制成功了具有高選擇性的離子交換膜后，電滲析技術(shù)才進(jìn)入了實(shí)用階段，其中經(jīng)歷了三大革新：具有選擇性離子交換膜的應(yīng)用；設(shè)計(jì)出多隔室電滲析組件；采用頻繁倒極操作模式。隨著離子交換膜各方面的性能及電滲析裝置結(jié)構(gòu)等不斷革新和改進(jìn)，電滲析技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，其應(yīng)用前景也更加廣闊。

       二、電滲析概念和原理

        電滲析(eletrodialysis，簡(jiǎn)稱ED)技術(shù)是電化學(xué)過(guò)程和滲析擴(kuò)散過(guò)程的結(jié)合，在外加直流電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，以電位差為動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過(guò)性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來(lái)，陰、陽(yáng)離子分別向陽(yáng)極和陰極移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)溶液的濃縮、淡化、精制和提純等目的。

        電滲析裝置主要包括電滲析器本體及輔助設(shè)備兩部分。其中電滲析器本體是由膜堆、極區(qū)和夾緊裝置三部分組成的。輔助設(shè)備是指各種料液罐、水泵、直流電源及進(jìn)水預(yù)處理設(shè)備等。

       電滲析中的離子交換膜可分為陽(yáng)離子交換膜(陽(yáng)膜)和陰離子交換膜(陰膜)兩種。離子交換膜的選擇透過(guò)性主要表現(xiàn)在陽(yáng)膜允許陽(yáng)離子透過(guò)而排斥阻擋陰離子，陰膜允許陰離子透過(guò)而排斥阻擋陽(yáng)離子，離子交換膜無(wú)需再生。

        三、電滲析技術(shù)分類

        根據(jù)所采用的離子選擇性通過(guò)膜的種類及操作模式的不同，電驅(qū)動(dòng)膜分離過(guò)程可分為普通電滲析(CED)、雙極膜電滲析(BMED)、電解電滲析(EED)、選擇性電滲析(SED)、填充床電滲析子(EDI)等，其中普通電滲析和雙極膜電滲析是電驅(qū)動(dòng)過(guò)程常見(jiàn)的兩種膜分離工藝。能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)溶液的脫鹽和濃縮過(guò)程稱為CED；采用了雙極膜及普通的陰/陽(yáng)離子交換膜，并能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)料液產(chǎn)酸和產(chǎn)堿的過(guò)程稱為BMED；采用具有一多價(jià)離子選擇能力的離子選擇性通過(guò)膜，實(shí)現(xiàn)溶液中具有不同電荷數(shù)的離子之間分離的過(guò)程稱為SED；采用了具有耐酸耐堿性的陰/陽(yáng)離子交換膜，能夠通過(guò)電極反應(yīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)酸產(chǎn)堿的過(guò)程稱為EED；采用普通的陰/陽(yáng)離子交換膜，并利用能夠輔助離子遷移的離子交換樹(shù)脂來(lái)實(shí)現(xiàn)溶液的脫鹽，從而得到超純水的過(guò)程稱為EDI。

        （一）普通電滲析（CED）

       普通電滲析采用普通陰/陽(yáng)離子交換膜，在電場(chǎng)的作用下，溶液中離子發(fā)生遷移。普通電滲析的膜堆一般由普通陰、陽(yáng)離子交換膜，兩端電極，流道格網(wǎng)及密封墊片組成。施加電場(chǎng)后，淡化室中的陽(yáng)離子在正極的推動(dòng)作用下透過(guò)陽(yáng)離子交換膜向著陰極移動(dòng)，同時(shí)被相鄰隔室的陰離子交換膜所阻礙；淡化室中的陰離子在負(fù)極的推動(dòng)作用下透過(guò)陰離子交換膜向著正極移動(dòng)，同時(shí)被相鄰隔室的陽(yáng)離子交換膜所阻礙，分別在濃縮室發(fā)生聚集，這樣便實(shí)現(xiàn)了溶液的脫鹽和濃縮。

         電滲析的操作模式可采用恒流、恒壓及脈沖式電流。恒流操作可維持溶液中離子穩(wěn)定的速率進(jìn)行傳質(zhì)過(guò)程，但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容易達(dá)到極限電流密度，在膜的表面發(fā)生水解離；采用恒壓操作時(shí)，膜堆兩端的電流隨著膜堆電阻的增加而減小，因此操作中不易達(dá)到極限電流密度，但是過(guò)程中傳質(zhì)速率較慢，相比于恒流過(guò)程其操作時(shí)間較長(zhǎng)；采用脈沖式的電滲析操作主要為了減少電滲析過(guò)程中的膜污染，特別是當(dāng)處理容易引起膜結(jié)垢的有機(jī)料液體系時(shí)。

        （二）雙極膜電滲析（BMED）

       雙極膜電滲析不同于普通電滲析過(guò)程，其采用了一種能夠在線催化水解離的新型離子交換膜-雙極膜，雙極膜一般由陽(yáng)離子交換膜層、中間水解離催化層及陰離子交換膜疊加而成，在電場(chǎng)的作用下，雙極膜能夠在水解離催化層中發(fā)生水解離，使得水分子在線的轉(zhuǎn)化為H+和OH-，并在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下分別透過(guò)陽(yáng)離子交換膜層及陰離子交換膜層，遷移至與雙極膜接觸的兩側(cè)溶液中。

       利用雙極膜水解離的理論能耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電解過(guò)程，其速率是其的5X107倍，因此，雙極膜得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在生物工程、食品工程及環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域。雙極膜水解離的理論模型很多，其中報(bào)道及引用較多的為第二Wien效應(yīng)，以及弱酸和弱堿基團(tuán)之間的質(zhì)子化和去質(zhì)子化的化學(xué)反應(yīng)模型。其中第二Wien效應(yīng)強(qiáng)調(diào)雙極膜的水解離是靠電場(chǎng)的促進(jìn)作用發(fā)生的，雙極膜的水解離速率與施加的電場(chǎng)有直接的關(guān)系；而化學(xué)反應(yīng)模型強(qiáng)調(diào)了弱酸弱堿基團(tuán)存在的可逆的質(zhì)子化和去質(zhì)子化反應(yīng)對(duì)于水解離的重要性。

        （三）填充床電滲析（EDI）

       填充床電滲析（又稱電去離子技術(shù)，簡(jiǎn)稱EDI）是電滲析和離子交換相結(jié)合的膜分離技術(shù)，通常在電滲析器的淡室隔板中裝填陰、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，結(jié)合離子交換樹(shù)脂和離子交換膜，在直流電場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)去離子過(guò)程的新型水處理技術(shù)。該技術(shù)兼有常規(guī)電滲析連續(xù)操作和離子交換深度脫鹽的優(yōu)點(diǎn)，集中了電滲析和離子交換法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了常規(guī)電滲析過(guò)程容易出現(xiàn)濃差極化，以及離子交換需要再生樹(shù)脂和間歇操作的缺點(diǎn)。目前該技術(shù)主要應(yīng)用于高純水（超純水制備），隨著填充床電滲析技術(shù)研究的進(jìn)一步開(kāi)展，將有助于促進(jìn)該技術(shù)在更廣泛的領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

        填充床電滲析裝置一般由離子交換膜、隔板、電極、夾緊裝置、溶液流道和管路等組成，其中膜堆由淡室和濃室交替排列組合而成，與常規(guī)電滲析不同的是淡室中填充了陰離子和陽(yáng)離子的交換介質(zhì)，如離子交換樹(shù)脂、離子交換纖維以及無(wú)機(jī)離子交換劑等。其工作原理包括離子遷移和樹(shù)脂再生，即在直流電場(chǎng)作用下，淡室水中的正、負(fù)離子沿樹(shù)脂床和離子交換膜構(gòu)成的通道分別向負(fù)極和正極方向遷移，正、負(fù)離子分別透過(guò)陽(yáng)、陰離子交換膜進(jìn)入相鄰的濃室，由此生成淡水和濃水。由于填充交換樹(shù)脂顆粒使電滲析淡室的電導(dǎo)率增加，從而使極化現(xiàn)象減弱和去離子能力提高，出水水質(zhì)提高。當(dāng)超過(guò)極限電流時(shí)，膜和樹(shù)脂附近的界面層發(fā)生極化，使水電離為H+和OH-，可以分別被混合陰、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂吸附，并替代被樹(shù)脂吸附的電解質(zhì)離子，從而使樹(shù)脂得到再生。

        四、電滲析技術(shù)優(yōu)勢(shì)

• 能量消耗低： 電滲析過(guò)程無(wú)相變，運(yùn)行費(fèi)用低，動(dòng)力耗電也較低，經(jīng)濟(jì)效益顯著；常溫運(yùn)行，特別適用于熱敏性的體系，產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定；再生也只耗電，不用酸堿，節(jié)省材料費(fèi)用。

• 使用壽命長(zhǎng)： 裝置預(yù)處理工藝簡(jiǎn)便，設(shè)備經(jīng)久耐用；分離專用膜和電極可用5年以上，隔板可用10 年以上；且操作維修方便。

• 抗污染能力強(qiáng)： 由于電滲析不是過(guò)濾型，具有較強(qiáng)的抗污染能力，對(duì)原水的水質(zhì)要求相對(duì)較低。

• 裝置設(shè)計(jì)靈活： 系統(tǒng)裝置的脫鹽率和原水回收率可根據(jù)需求進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，脫鹽率可達(dá)30%～99%，回收率可達(dá)40%～90%；整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化控制；占地空間小，省略了混床和再生裝置；操作簡(jiǎn)單，噪音低。產(chǎn)水連續(xù)穩(wěn)定，出水質(zhì)量高。

• 環(huán)境污染小： 運(yùn)行時(shí)，工藝過(guò)程潔凈，無(wú)需頻繁用酸、堿或其他藥劑再生；無(wú)需高壓操作，避免了噪音對(duì)環(huán)境的影響； 環(huán)保效益顯著，操作安全性高。

  
  

        五、電滲析技術(shù)的應(yīng)用

        由于電滲析優(yōu)異的脫鹽和濃縮性能，其被廣泛的用于海水淡化、污水處理、環(huán)境保護(hù)及工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。壓力驅(qū)動(dòng)的反滲透、電驅(qū)動(dòng)的電滲析及熱驅(qū)動(dòng)的滲透汽化等都是有效的手段。而采用電驅(qū)動(dòng)的電滲析脫鹽過(guò)程由于其過(guò)程能耗較低、水回收率較高、膜壽命長(zhǎng)、不易引起膜污染等優(yōu)點(diǎn)得到了很廣泛的應(yīng)用。對(duì)于電滲析海水淡化的成本可低至1.2元/噸，有著很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

        電滲析的另一個(gè)特點(diǎn)是使得廢水或物料中的有效成分得以分離純化，主要體現(xiàn)在雙極膜電滲析/普通電滲析過(guò)程對(duì)于有機(jī)酸生產(chǎn)中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的有機(jī)酸的生產(chǎn)與提純工藝路線較長(zhǎng)，需要消耗大量的酸和堿，同時(shí)過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生大量的廢渣，這樣不但操作成本高，而且對(duì)于環(huán)境的污染較嚴(yán)重。因此，通過(guò)利用雙極膜電滲析能夠在線產(chǎn)酸產(chǎn)堿的特點(diǎn)，將發(fā)酵液通入至雙極膜電滲析膜堆，可在線的將有機(jī)酸鹽轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸及堿的副產(chǎn)品，副產(chǎn)品可以回用至發(fā)醇液的pH的調(diào)節(jié)，同時(shí)發(fā)酵液中的未發(fā)酵組分如細(xì)菌、蛋白質(zhì)及葡萄糖等在電場(chǎng)中不發(fā)生移動(dòng)，從而被保留在發(fā)酵液中，因此得到的有機(jī)酸產(chǎn)品純度較高，整個(gè)過(guò)程不再需要引入額外的酸和堿便可高效的將有機(jī)酸進(jìn)行提取。另一方面，由于雙極膜電滲析可實(shí)現(xiàn)發(fā)酵液中有機(jī)酸的在線脫除，因此避免了有機(jī)酸的積累對(duì)于發(fā)酵過(guò)程的抑制效應(yīng)。