电渗析在反渗透浓盐水资源化中的试验研究

文_郭境忠 崔殊杰 陈旭 顾小红

1.国电福州发电有限公司 2.北京朗新明环保科技有限公司南京分公司

1 电渗析工艺介绍

电渗析是利用离子交换膜进行浓盐水脱盐淡化的方法。离子交换膜是一种功能性膜，分为阴离子交换膜和阳离子交换膜（简称阴膜和阳膜）。阳膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过，这就是离子交换膜的选择透过性。在外加电场的作用下，水溶液中的阴、阳离子会分别向阳极和阴极移动，如果中间再加上一种交换膜，就可能达到分离浓缩的目的。电渗析法就是利用了这样的原理。

电渗析是在直流电场作用下，利用离子交换膜的选择透过性，带电离子透过离子交换膜定向迁移，从水溶液和其他不带电组分中分离出来，从而实现对溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的目的。

2 电渗析技术基本原理

电渗析技术（ED）是一种以直流电为驱动力进行脱盐和浓缩的技术，其原理是将阳离子膜和阴离子膜进行交错放置，中间通过隔板多层层积，并在其两端配置一对电极。阳极侧的阴离子交换膜和阴极侧的阳离子交换膜所隔开的空间称为脱盐室（D 室）；与此相反，阳极侧的阳离子交换膜和阴极侧的阴离子交换膜所隔开的空间叫做浓缩室（C 室）。在电渗析槽中，D 室和C 室交错配置，向脱盐室供给原液时，阳离子向阴极移动，并通过阳离子交换膜移动至右侧相邻的C 室。由于C 室的阴极侧被阴离子交换膜隔开，因此可以组织阳离子继续向右侧D 室移动。阴离子以同样的方式从D 室向左侧相邻的C 室移动。这样就形成了在D 室进行脱盐，在C 室进行浓缩的电渗析效果。

电渗析技术在反渗透浓盐水的浓缩处理中具有良好的离子富集性能。与传统的离子交换树脂工艺相比，电渗析技术最大的优点是无需进行离子交换树脂那样的再生操作，因此能够大量减少药剂的使用量，减少酸碱废水的排放量，有利于保护生态环境。电渗析系统设备简单，操作简便，基本实现全自动运行，维护工作量少，出水水质稳定。

电渗析设备中交替排列着许多阳膜和阴膜，分割成小水室。当原水进入这些小室时，在直流电场的作用下，溶液中的离子就做定向迁移。阳膜只允许阳离子通过而把阴离子截留下来；阴膜只允许阴离子通过而把阳离子截留下来。结果使这些小室的一部分变成含离子很少的淡水室，出水称为淡水。而与淡水室相邻的小室则变成聚集大量离子的浓水室，出水称为浓水。从而使离子得到了分离和浓缩，水便得到了净化，电渗析基本原理见图1。

电渗析和离子交换相比，有3 个不同点：①分离离子的工作介质虽均为离子交换树脂，但前者是呈片状的薄膜，后者则为圆球形的颗粒。②从作用机理来说，电渗析属于离子截留置换，离子交换膜在过程中起到离子选择透过和截阻作用。而离子交换属于离子转移置换，离子交换树脂在过程中发生离子交换反应。所以更精确地说，应该把离子交换膜称为离子选择性透过膜。③电渗析的工作介质不需要再生，但消耗电能；而离子交换的工作介质必须再生，但不消耗电能。

电渗析设备是在电渗析的除盐室中填充阴阳离子交换剂，利用电渗析过程中极化现象对离子交换填充床进行电化学再生，它兼有电渗析技术的连续除盐和离子交换技术深度脱盐的优点，又避免了电渗析技术浓差极化和离子交换技术中的酸碱再生等带来的问题。

图1 电渗析基本原理图

3 电渗析工艺流程

电渗析设备的工作过程一般分为3 个阶段：①离子交换过程，淡水室中的离子交换树脂对水中电解质离子的交换作用，达到去除水中离子的目的。②离子选择性迁移，在外电场作用下，水中电解质沿树脂颗粒构成的导电传递路径迁移到膜表面并透过离子交换膜进入浓水室。③电化学再生过程，存在于树脂、膜与水相接触的扩散层中的极化作用使水解离为H+和OH-，他们除部分参与负载电流外，大多数对树脂起再生作用，从而使离子交换、离子迁移、电再生三个过程相伴发生，相互促进，实现了连续去除离子的过程。

总体流程如下：反渗透浓盐水通过浓盐水提升泵，输送至过滤器，经过过滤预处理以后，进入预脱盐罐，通过预脱盐循环泵提升至电渗析槽，在电渗析槽内进行循环，进行脱盐和浓缩处理，经过电渗析槽的盐分浓缩以后，浓缩液进入浓缩液罐，通过浓缩液循环泵输送至电渗析槽进行循环处理。另外，阳极液罐内添加固体Na2SO4，通过阳极液循环泵输送至电渗析槽进行循环处理；阴极液罐内添加盐酸（HCl），通过阴极液循环泵输送至电渗析槽进行循环处理。

脱盐液罐内的脱盐液（淡水）溢流出来，作为电渗析的产水可以回用至现有水处理脱盐系统，浓缩液罐内的浓缩液（浓水）溢流出来，作为盐分含量更高的浓缩后的浓盐水，可以输送至现有电解次氯酸钠系统，作为电解次氯酸钠的原液进行资源化利用。

4 电渗析工艺试验步骤

4.1 开机前的准备工作

首先检查电渗析器的管路系统是否接错，接头处是否扎牢、拧紧，电路系统是否接好。

4.2 开机运行

先打开电渗析器的浓水排放阀，然后打开总进水阀及浓水、淡水和极水阀门，再打开过滤器进出水阀，开启配套水泵，使压力平衡上升，至水中无气泡，达到所需流量后，方可通电，通电时电压，电流要缓慢向上调，运行3 ～5min 测水质合格后，淡水回用至现有水处理脱盐系统，浓水资源化利用至现有次氯酸钠系统。

4.3 停机

停机时，首先将管路水排放，关闭淡水出水阀，同时将电压调至零，切断电源，关闭配套水泵即可。

4.4 酸洗

当发现电渗析器进水压力明显上升及脱盐率有所下降时，必须用酸洗的方法来处理，一般采用2%～3%稀盐酸用盐酸泵循环打入电渗析器。酸洗时，不能通电，首先关闭总进水阀和淡水出水阀，同时关闭浓水排放阀，开启进水阀，进酸阀、回酸阀、盐酸泵进出水阀，暂时关闭进极水阀，启动盐酸泵50min 后，打开进极水阀门，待稀盐酸溶液打完后，用清水冲洗至pH 值6 ～7即可投入运行，生产淡水，浓缩后的浓盐水进行资源化利用。

5 电渗析工艺试验结果

电渗析器的膜片采用均相膜，电阻小，能耗低。

电渗析器产生的淡水，电导率可以降为100μs/cm 以下，可以回用于前端反渗透工艺的进水，满足反渗透浓盐水资源化利用的要求。

电渗析器浓缩后的浓盐水的含盐量可以达到20%左右，可以满足后续电解次氯酸钠的资源化利用的要求。

电渗析系统设备简单，操作简便，基本实现全自动运行，维护工作量少，而且出水水质稳定。

6 结论

采用上述电渗析资源化利用浓盐水的新方法后，本实用新型与传统离子交换树脂工艺相比具有以下优点。

电渗析系统无需进行离子交换树脂那样的再生操作，因此能够大量减少药剂的使用量，降低系统由于投加药剂所增加的运行费用，而且能够减少酸碱废水的排放量，有利于保护生态环境。

电渗析系统设备简单，操作简便，基本实现全自动运行，减轻运行人员的劳动强度，维护工作量少，而且出水水质稳定。

本研究可以促进浓盐水的水资源化利用，节约水资源，缓解沿海电厂的淡水供水不足、改善沿海电厂周边的生态环境、最大限度地满足生产和生活需要。