三室式电渗析法处理废水的原理分析及其实用价值

赵芳

在水资源匮乏的大环境下，含盐废水的处理已成为一个不可忽视的问题。开发经济高效的含盐废水处理工艺，已经成为国内水资源可持续利用的关键问题。国际上将废水“零排放”定义为液体零排放（zero liquid discharge），即工艺废水经过适当的技术处理后回用，不向环境排放任何液态废弃物，废水中的污染物以固态形式排放[1]。“零排放”技术的关键在于含盐废水的浓缩减量，目前主要有蒸发、膜蒸馏、正渗透和电渗析等技术。而电渗析，与其它技术相比，具有投资少、能耗低、技术成熟和浓缩浓度高等优点，同时，电渗析技术作为一种膜法水处理技术，由于其对分离组分的选择性高，原水回收率高，不污染环境等优点，正受到越来越多的关注，成为目前水处理的热点之一。

电渗析（ED）技术是在离子交换法的基础上发展起来的除盐方法，是膜分离技术的一种，它的工作原理是将阴、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，利用离子交换膜的选择透过性（其实质是反扩散）[2]，一部分水淡化，一部分水浓缩，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。

电渗析设备有两室式电渗析池，三室式电渗析池，还有多室式电渗析池。陈日耀等[3]研究采用阴阳离子双隔膜三室式电解槽，以铁为阳极，石墨作阴极，采用电渗析技术处理氨氮废水。如垃圾渗滤液中含有高浓度氨氮，将垃圾渗滤液中氨氮富集到阴极液中，以化学沉淀法去除，经处理后氨氮浓度可降至200mg/L 以下.程昊等[4]采用改性壳聚糖、海藻酸钠双隔膜电渗析处理垃圾渗滤液，渗滤液中氨氮浓度从 1392mg/L 降至 169mg/L，阴极室氨氮浓度为1063mg/L，经进一步处理阴极室废水可达标排放.以上研究表明，电渗析可作为垃圾渗滤处理的一种技术，且去除氨氮效果较好，不會产生其他污染.

利用三室式电渗析法的原理不仅在处理废水上取得较好的效果，而且还体现在近几年的化学试题中，像利用三室式电渗析法处理含NH4NO3废水的原理图像试题在（2019届山东聊城高三化学二模）中考查过;三室式电渗析法处理废水的原理知识甚至还渗透到高考的命题中，与高考衔接。比如（2016年新课标1卷 11）三室式电渗析法处理含废水的原理如图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的和可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。下列叙述正确的是（  ）

A.通电后中间隔室的离子向正极迁移，正极区溶液增大

B.该法在处理含废水时可以得到和产品

C.负极反应为，负极区溶液降低

D.当电路中通过1电子的电量时，会有的生成

【答案】B

【解题思路】直流电作用下电解硫酸钠溶液，由于钠离子与硫酸根在水溶液中均不放电，因此其本质为电解水。

【解析】A、电流从正极流出，负极流入，为阴离子，其移动方向应与电流相反，因此向正极区（阳极）移动。正极区发生氧化反应，电极反应为，则正极附近酸性增强，pH下降。故A项错误。

B、负极区（阴极）的电极反应为，剩余，中间区域的迁移到负极区，得到;正极区的电极反应为，余下，中间区域的迁移到正极区，得到，故B项正确。

C、负极区发生还原反应：，负极附近碱性增强，pH升高，故C错误。

D、由正极区的电极反应可知，转移电子与产生氧气的物质的量之比为4：1，因此转移电子时会有氧气生成，故D项错误。

【考查方向】本题主要考查电解池工作原理的知识

【易错点】对电解池电子转移分析错误

【点评】电化学是化学能与电能转化关系的化学。电解池是把电能转化为化学能的装置，它可以使不能自发进行的化学反应借助于电流而发生。与外接电源正极连接的电极为阳极，与外接电源负极连接的电极为阴极。阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应。若阳极是活性电极（除Au，Pt，C之外的电极），则电极本身失去电子，发生氧化反应;若是惰性电极（Au，Pt，C等电极），则是溶液中的阴离子放电，放电的先后顺序是S2ˉ>Iˉ>Brˉ>Clˉ>OHˉ>含氧酸根离子，阴极则是溶液中的阳离子放电，放电的先后顺序是Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+，与金属活动顺序表刚好相反。溶液中的离子移动方向符合：同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引的原则，即阳离子向阴极区移动，阴离子向阳极区移动。掌握电解池反应原理是本题解答的关键。本题难度适中。

电渗析在苦咸水及海水淡化、化工分离、食品行业、生物工程、医药等领域中取得了巨大的进展，突显了其利用价值。电渗析技术是目前所有膜分离过程中唯一设计化学化学变化的分离过程。在许多领域与其它方法相比，它能有效的将生产过程与产品的分离过程融合起来，具有其他方法不可比拟的优势。比如新出现的四室电渗析器提取乳酸技术，不但将乳酸从发酵液中分离出来，同时将它由钙盐转化成了酸的形式，与传统工艺相比工序简单，耗能少，产率高。因此电渗析在节能和促进传统技术的升级方面具有很大的潜力。随着科技发展，电渗析设备的制造水平提高，设备成本大大降低，电渗析技术固有的抗污染性，高化学性等优点，再加上双极膜电渗析技术、反渗透与电渗析相结合技术 [5] 的发展，电渗析技术将会焕发新的活力及竞争力！

参考文献：

[1] Dani Jennifer Barrington，Goen Ho. Towards zero liquid discharge：The use of water auditing to identify water conservation measures [J]. Journal of Cleaner Production，2014，66（1）：571 - 576.

[2] Galama A H，Saakes M，et al.Post.Seawater predesalination with electrodialysis[J]. Desalination，2014，342：61 ～ 69.

[3] 陈日耀，陈震，耿亚敏，等.阴阳离子双隔膜三室电解槽电渗析处理垃圾渗滤液[J].应用化学，2009，26（11）：1336-1340.

[4] 程昊.改性壳聚糖、海藻酸钠双隔膜电渗析处理垃圾渗滤液[J].科学技术与工程，2009，9（10）：2832-2833.

[5] Ronan K，McGovern，et al.The benefits of hybridizing electrodialysis with reverse osmosis[J].Journal of Membrane Science，2014，469：326 ～ 335.

（作者单位：河南省信阳市第二高级中学）