浅探电渗析技术的影响因素及相关应用研究

罗斐 李立 郭海新 程松民

摘要：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的发展，电渗析技术将会焕发新的活力及竞争力。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。

关键词：电渗析;离子;膜技术

1电渗析的原理

电渗析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，它的工作原理相对于反渗透、纳滤、超滤、微滤来讲，推动力不是压力差，而是电位差。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，利用离子交换膜的选择透过性（其实质是反扩散），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。与其它膜分离技术相比，电渗析只需要稍微做预处理，并且不受压力的影响，即可以得到高质量的水，另外的一个优势是不需要能量的转换，电能可以直接利用，即使在能量的输入发生直接变化时，也可以直接利用。

2     电渗析的影响因素

从电渗析的原理可以看出，电渗析需要在直流电场的作用下，以此作为动力，使溶液通过离子交换膜，进行淡化处理，以达到脱盐的目的。以此看出，电压、电流是影响电渗析的重要因素，同时，流量与溶液的初始浓度也是影响淡化效率的重要因素。

2.1  电流

电能是电渗析过程中最主要的传质推动力。因此，电流的大小直接决定着脱盐过程的速率。浓差极化是电渗析过程中一个极为重要的概念。极化是在电渗析过程中，物料在脱盐室、浓缩室流动时，离子交换膜与水之间存在一个滞留层，在直流电场作用下，溶质发生定向迁移，在工作电流增加到一定程度时，主体溶液中的离子不能迅速补充到膜的表面，此时膜表面的离子浓度趋于零，引起滞留层中大量水分子电离，并生成H+和OH—离子来负载电荷，此现象称为极化。而此时的电流密度也达到了一个极限值，称为极限电流。在电渗析过程中，增大电流密度，酸碱浓度会迅速增大，脱盐的效率也会相应增加。因为电流密度增大，所需要的处理时间缩短，同离子渗漏和浓差扩散的量较少，产物浓度略有增加。在电渗析过程中，若使用高电流强度将会得出令人满意的结果，但是伴随着浓差极化的发生，使电流强度的提高受到限制，若操作電流强度高于浓差极化的极限电流强度，往往会出现电流效率下降、能耗上升、pH紊乱、大量气泡产生（水电解）、膜发生沉淀结垢和堵塞等不良现象，严重影响电渗析的正常运行，电渗析效率下降，并且缩短电渗析器的使用寿命。为强化操作过程，必须选择适宜的电流强度。因此，对极限电流的研究是极其重要的。

2.2  电压

由于电极间的电阻一定，当电极两端所加的电压越大，通过溶液的电流就越大，在单位时间内就有更多的阴阳离子通过离子交换膜，脱盐效率也会越大。但是电压过大，电流也会增大，就会出现浓差极化的现象，另一方面，能耗也会增加。在电渗析运行的过程中，必须保证电压的稳定，电压发生变动，会引起水压突然波动，会使电渗析器隔板移动错位，造成隔板变形及漏水，使水处理不彻底，影响后续一系列活动的进行。如果需要切换电压，必须先停止电渗析的运行后再进行更换电压。吴敏对不同电压对出水离子浓度的影响进行探讨，得出结论：在一定范围内，电压越高，淡室的出水中离子含量就越少，离子浓度与电压呈负相关;而浓室的出水中离子含量就越多，离子浓度与电压呈正相关。

2.3  流量

在电渗析过程中若流量超过一定的值，会对膜堆造成很大的冲击，减小膜的寿命，若流量过小，处理效率较低，也会造成膜堆沉淀。但总体来说，增大流量，对溶液的处理时间会变短，提高效率。另外，随着流量的提高，极限电流会增大，因为提高流量，流速变大，使脱酸浓缩两室的溶液搅拌更加激烈，膜与溶液间的界面层的厚度变薄，扩散阻力减小，有利于离子的扩散和迁移，致使极限电流值增大。所以，寻求合适的流量值，对于电渗析过程也是至关重要的。

2.4  溶液初始浓度

在处理一定的盐溶液时，提高初始浓度和增加盐溶液浓度均能降低操作电压，从而降低能耗。

上述各种影响因素之间是互相关联的，通过模拟的L-谷氨酸进行电渗析的分离处理，对影响电渗析器极限电流密度的因素进行了探讨，阐述了设备的选用、温度、流量、溶液浓度等因素之间的关系，得出电渗析器的极限电流密度分别随着操作物料流量、操作温度、物料浓稀相进料浓度比的上升而上升的结论。

3电渗析的应用

3.1  海水、苦咸水淡化

常用的海水、苦咸水淡化技术主要有蒸馏法及膜法。过去，蒸馏技术在海水淡化市场占据主流位置，一是因为这种技术便于结合水和电的生产，另外，则因为能源补贴有利于这些高能耗的技术。不过，近年来，大部分新建的淡化水工厂多采用膜处理技术，膜技术主要有反渗透、纳滤、电渗析等。由于电渗析技术在能耗方面较低，去盐效果好，所以较其它几种处理技术具有显著优势。利用电渗析技术进行海水淡化时，由于受海洋环境和海水特性的影响，海水淡化工程与其它水处理工程相比，在设计和施工上差异较大。电渗析技术在苦咸水淡化方面提供了一种高效可行的方法，它可以通过改变电流、电压，来满足不同含盐量水的要求。目前常用的方法有添加阻垢剂、离子交换软化、加酸去除进水中的碳酸根和重碳酸根以及降低水回收率、避免超过溶度积。

3.2  化工行业

电渗析技术在化工行业的应用比较成熟，已取得较大成效。电渗析技术在工业废水处理方面的应用有电镀废水处理、冶金工业废水处理、氯碱工业废水处理、造纸工业废水处理、放射性生产废水处理等方面的应用。由于双极膜电渗析较传统电渗析有很多优点：资源可以循环利用，耗水少，出水盐含量明显较少等，可以把双极性膜电渗析技术应用于脱盐处理。王晓林分别在间歇模式和连续操作模式下，对双极膜电渗析（EDBM）与发酵罐原位集成的可行性进行了考查，接着又进行了电渗析技术对氮磷的资源化，结果证明双极膜电渗析技术对氮磷的回收利用是可行的。

3.3  食品行业

随着科学技术的发展，电渗析技术在食品行业中的应用是近年来的一大热点，而且发展非常迅速。它不仅可以提高产品的纯度，而且还能有效地脱除酸、盐等杂质，使食品的质量得到保证，并能够保持原有的营养成分。电渗析技术在食品方面的应用有牛乳、乳清的脱盐、果汁的去酸、食品添加剂的制备等。

3.4  医药行业

目前膜技术日臻成熟，已开始应用于医药领域，如临床用于血透、血液净化、亲和过滤、肾透等。为医药生产的提取、分离、浓缩、纯化一体化工程技术的解决提供了保证，为提高医药生产企业的整体水平奠定了基础。而电渗析技术作为膜技术的一种，在医药工业方面的应用主要有制备制药用水与注射用水，皮肤给药工艺，电渗析排毒仪，制备各种药品等方面。

3.5  生物发酵行业

电渗析技术在生物工程方面的应用主要有蛋白质的分离和氨基酸废水的处理。电渗析脱盐速度快，脱盐率可以很好地控制，蛋白质损失少，而且脱盐的规模易于扩大，电渗析过程中蛋白质不是被稀释，而是在脱盐的过程中同时被浓缩。

参考文献：

[1]   汪凤宝，庞瑞华，蒋友，等.电渗析法处理飞灰及其浸出液的研究进展[J].云南化工，2020，47（01）：21-22.

[2]   刘多阳，宋剑.电渗析法浓缩海水制盐的应用及发展[J].盐科学与化工，2018，47（03）：11-13.