電滲析法

電滲析法是以電位差為推動(dòng)力的膜分離法，用于從水溶液中脫除離子，主要用于苦咸水脫鹽或海水淡化。其膜是導(dǎo)電膜，即陽離子交換膜和陰離子交換膜。

以壓力差為推動(dòng)力的膜分離法，根據(jù)溶質(zhì)粒子的大小及膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)(超濾膜、納濾膜、反滲透膜等)，又可分為超濾、納濾、反滲透等。反滲透法可用于溶劑的純化和溶液濃縮。反滲透法大部分應(yīng)用于水的純化．主要是苦咸水脫鹽或海水淡化。反滲透法的另一個(gè)重要應(yīng)用為制備高純水。

膜是分離技術(shù)的核心。膜材料的化學(xué)性能、結(jié)構(gòu)對(duì)膜分離法起著決定性的作用；一般是高分子材料制成的膜，有纖維素膜、芳香聚酰胺類膜、雜環(huán)類膜、聚砜類膜、聚烯烴類膜和含氟高分子膜等。

膜分離法的特點(diǎn)：① 不發(fā)生相變、常溫進(jìn)行、適用范圍廣(有機(jī)物、無機(jī)物等)、裝置簡(jiǎn)單、易操作和易控制等。②膜法水處理具有適應(yīng)性強(qiáng)、效率高、占地面積小、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。所以，國(guó)內(nèi)外已把電滲析法、反滲透法或膜分離法與離子交換相結(jié)合的方法應(yīng)用于鍋爐水處理。

第一節(jié) 電滲析

電滲析是膜分離技術(shù)的一種，它是在直流電場(chǎng)作用下，以電位差為推動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來，從而實(shí)現(xiàn)溶液的淡化、濃縮、精制或純化的目的。

電滲析的進(jìn)展：對(duì)電滲析基本概念的研究始于20世紀(jì)初，采用動(dòng)物皮、膀胱膜或人造纖維、羊皮紙等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究，但無工業(yè)應(yīng)用價(jià)值；隨著合成樹脂的發(fā)展，1950年，朱達(dá)試制出具有高選擇性的陰、陽離子交換膜后，才奠定了電滲析技術(shù)的實(shí)用基礎(chǔ)；1954年美、英等國(guó)將電滲析首先用于生產(chǎn)實(shí)踐中，淡化苦咸水、制備工業(yè)用水和飲用水。此后，電滲析技術(shù)逐步引入中東和北非。1959年起，前蘇聯(lián)也開始研究和推廣應(yīng)用。日本主要利用電滲析法濃縮制鹽，1969年日本國(guó)內(nèi)食鹽有30％是用離于交換膜電滲析法生產(chǎn)的，1970年才將電滲析技術(shù)用于苦咸水淡化。

一、電滲析基本原理及過程

1. 滲析過程

（1）滲析的原理

滲析是最早被發(fā)現(xiàn)和研究的一種膜分離過程，它是一種自然發(fā)生的物理現(xiàn)象。當(dāng)兩種不同濃度的鹽水用一張滲析膜（半透膜或離子交換膜)隔開時(shí)，濃鹽水中的電解質(zhì)離子就會(huì)穿過膜擴(kuò)散到稀鹽水中去，這種過程稱為滲析過程，亦稱擴(kuò)散滲析。滲析過程的推動(dòng)力是濃度梯度，因此又稱濃差滲析。

圖4-1滲析過程示意圖 圖4-2 濃差滲析回收酸

滲析過程是緩慢進(jìn)行的，隨著鹽分濃度梯度的降低．鹽的擴(kuò)散也逐漸減少，直到膜兩邊濃度相同，建立了平衡，鹽分的遷移也就完全停止。

（2）滲析的應(yīng)用

①　血液透析

②　從酸堿廢液中回收酸堿。

濃差滲析回收酸見圖4-2。料液中由于H2SO4 和FeSO4 的濃度高，其中Fe2+、H+、SO42-均有向滲析液H2O中擴(kuò)散的趨勢(shì)，由于使用陰離子交換膜作滲析膜，因此理論上陰膜只允許SO42- 透過膜進(jìn)入滲析液，而H+ 離子由于水合離子半徑小，遷移速度快，故也能透過膜遷移到滲析液中。 H+和1/2SO42-等摩爾透過膜，以保持溶液的電中性。但是Fe2+ 離子則不透過陰膜。經(jīng)過一段時(shí)間的滲析后，料液中的 H2SO4 即進(jìn)入滲析液中，實(shí)現(xiàn)了 FeSO4和 H2SO4的分離，即可實(shí)現(xiàn)回收廢硫酸的目的。

2. 電滲析過程

電滲析過程是電解和滲析擴(kuò)散過程的組合。電滲析制取淡水的基本過程：利用離子交換膜的選擇透過性，即陽膜理論上只允許陽離子通過，陰膜理論上只允許陰離子通過，在外加直流電場(chǎng)作用下，陰、陽離子分別往陽極和陰極移動(dòng)，它們最終會(huì)于離子交換膜，如果膜的固定電荷與離子的電荷相反，則離子可以通過，如果它們的電荷是相同的．則離子被排斥，從而可以制得淡水。電滲析運(yùn)行時(shí)可能發(fā)生的過程見圖4-3。

圖4-3 電滲析運(yùn)行時(shí)可能發(fā)生的過程

(1) 反離子遷移

離子交換膜具有選擇透過性。反離子遷移是電滲析運(yùn)行時(shí)發(fā)生的主要過程，也就是電滲析的除鹽過程，反離子遷移效應(yīng)大于0.9。

(2) 同名離子遷移

與膜上固定基團(tuán)所帶電荷相同的離子穿過膜的現(xiàn)象。即濃水中陽離子穿過陰膜，陰離子穿過陽膜，進(jìn)入淡室的過程，就是同名離子遷移。

這是由于離子交換膜的選擇透過性不可能達(dá)到100％。當(dāng)膜的選擇性固定后，隨著濃室鹽濃度增加，這種同名離子遷移影響加大。

(3) 電解質(zhì)濃差擴(kuò)散

由于膜兩側(cè)溶液濃度不同，在濃度差作用下，電解質(zhì)由濃室向淡室擴(kuò)散，擴(kuò)散速度隨濃度差的增高而增大。

(4) 水的滲透

在電滲析過程中，由于淡室水濃度低，基于滲透壓的作用，會(huì)使淡室的水向濃室滲透。

濃度差愈大，水的滲透量也愈大，這一過程會(huì)使淡水產(chǎn)量降低。

(5) 水的電滲透

反離子和同名離子，實(shí)際上都是以水合離子形式存在，在遷移過程中攜帶一定數(shù)量的水分子遷移，這就是水的電滲透。隨著溶液濃度的降低，水的電滲透量急驟增加。

(6) 水的壓滲

當(dāng)濃室和淡室存在著壓力差時(shí)，溶液由壓力大的一例向壓力小的一側(cè)滲漏，稱為水的壓滲，因此操作時(shí)應(yīng)保持兩側(cè)壓力基本平衡。

(7) 水的電離

電滲析運(yùn)行時(shí)，由于電流密度相液體流速不匹配，電解質(zhì)離子未能及時(shí)地補(bǔ)充到膜的表面，而造成淡室水的電離生成H+和0H-離子，它們可以穿過陽膜和陰膜。

對(duì)電滲析各過程的評(píng)價(jià)

電滲析器在運(yùn)行時(shí)，同時(shí)發(fā)生著多種復(fù)雜過程：

反離子遷移是電滲析除鹽的主要過程,其它都是次要過程。

這些次要過程會(huì)影響和干擾電滲析的主要過程：

– 同名離于遷移和電解質(zhì)濃差擴(kuò)散與主過程相反，會(huì)影響除鹽效果；

– 水的滲透、電滲透和壓滲會(huì)影響淡室產(chǎn)水量，也會(huì)影響濃縮效果；

– 水的電離會(huì)使耗電量增加，導(dǎo)致濃室極化結(jié)垢，從而影響電滲析的正常遠(yuǎn)行。

因此必須選擇優(yōu)質(zhì)離子交換膜和最佳的電滲析操作條件，以便消除或改善這些次要過程的影響。

3. 電滲析法脫鹽的基本原理

把陽離子交換膜和陰離子交換膜交替排列于正負(fù)兩個(gè)電極之間，并用特制的隔板將其隔開，組成脫鹽(淡化)和濃縮兩個(gè)系統(tǒng)。

當(dāng)向隔室通入鹽水后，在直流電場(chǎng)作用下，陽離子向陰極遷移，陰離子向陽極遷移，但由于離子交換膜的選擇透過性，而使淡室中的鹽水淡化，濃室中鹽水被濃縮，實(shí)現(xiàn)脫鹽目的。

電滲析法原理示意圖

電滲析上兩極的反應(yīng)——以NaCl溶液為例

在陽極上：2Cl- - 2e → Cl2↑

H2O → H+ + OH-

4OH- - 4e → O2 + 2H2O

產(chǎn)生的氯氣又有一部分溶于水中：

Cl2 + H2O → HCl + HClO

HClO →HCl + [O]

陽極反應(yīng)有氧氣和氯氣產(chǎn)生，氯氣溶于水又產(chǎn)生HCl及初生態(tài)氧[O]，陽極呈酸性反應(yīng)，應(yīng)當(dāng)注意陽極的氧化和腐蝕問題。

在陰極上： H2O --→ H+ + OH-

H+ + 2e --→ 2H2↑

Na+ + OH- --→ NaOH

在陰極室由于H+離子的減少，放出氫氣，極水呈堿性反應(yīng)，當(dāng)極水中含有Ca2+、Mg2+和CO32-等離子時(shí)，會(huì)生成CaCO3和Mg(OH)2等沉淀物，在陰極上形成結(jié)垢。

在極室中應(yīng)注意及時(shí)排除電極反應(yīng)產(chǎn)物，以保證電滲析過程的安全運(yùn)行，考慮到陰膜容易損壞，并為了防止Cl-離子透過陰膜進(jìn)入陽極室，所以在陽極附近一般不用陰膜，而改用陽膜或惰性多孔保護(hù)膜。

4. 電滲析技術(shù)的特點(diǎn)

(1) 能量消耗低。

電滲析除鹽過程中，只是用電能來遷移水中的鹽分，而大量的水不發(fā)生相的變化，其耗電量大致與水中的含鹽量成正比，尤其是對(duì)含鹽量為數(shù)千mg/L的苦咸水，其耗電量更低。

(2) 藥劑耗量少．環(huán)境污染小

常規(guī)的離子交換處理水時(shí)，樹脂失效后需用酸、堿進(jìn)行再生，再生后生成大量酸、堿再生廢液，水洗時(shí)還要排放大量酸、堿性廢水。

電滲析法處理水時(shí)，僅酸洗時(shí)需要少量的酸。因此電滲析法是耗用藥劑少，環(huán)境污染小的一種除鹽手段。

(3) 對(duì)原水含鹽量變化適應(yīng)性強(qiáng)

電滲析除鹽可按需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。產(chǎn)水量可按需要從每日幾m3至上萬m3變化?？筛鶕?jù)設(shè)計(jì)一臺(tái)電滲析器中的段數(shù)、級(jí)數(shù)或多臺(tái)電滲析器的串聯(lián)、并聯(lián)或不同除鹽方式(直流式、循環(huán)式或部分循環(huán)式)來適應(yīng)。

(4) 操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化

電滲析器一般是控制在恒定直流電壓下運(yùn)行，不需要通過頻繁地調(diào)節(jié)流速、電流及電壓來適應(yīng)水質(zhì)、溫度的變化。因此，容易做到機(jī)械化、自動(dòng)化操作。

(5) 設(shè)備緊湊耐用．預(yù)處理簡(jiǎn)單

電滲析器是用塑料隔板、離子交換膜及電極組裝而成，其抗化學(xué)污染和抗腐蝕性能均良好，隔板相膜多層更加在一起，運(yùn)行時(shí)通電即可制得淡水，因此設(shè)備緊湊耐用。

由于電滲析中水流是在膜面平行流過，而不需透過膜，因此進(jìn)水水質(zhì)不像反滲透控制的那樣嚴(yán)格，一般經(jīng)砂濾即可，相對(duì)而言預(yù)處理比較簡(jiǎn)單。

(6) 水的利用率較高

電滲析器運(yùn)行時(shí)，濃水和極水可以循環(huán)使用，與反滲透相比，水的利用率較高，可達(dá)到70％～80％，國(guó)外可高達(dá)90％。廢棄的水量少，再利用和后處理都比較簡(jiǎn)單。

電滲析的缺點(diǎn)

電滲析只能除去水中的鹽分．而對(duì)水中有機(jī)物不能去除，某些高價(jià)離子和有機(jī)物還會(huì)污染膜。電滲析運(yùn)行過程中易發(fā)生濃差極化而產(chǎn)生結(jié)垢(用頻繁倒極電滲析可以避免)，這些都是電滲析技術(shù)較難掌握而又必須重視的問題。

與反滲透相比，由于它的脫鹽率較低，裝置比較龐大且組裝要求高，因此它的發(fā)展不如反滲透快。

二、電滲析器的結(jié)構(gòu)及設(shè)備

電滲析器由交替排列的膜和隔板以及兩端電極組裝而成。

在電滲析器中，一張陰膜、淡水隔板、陽膜、濃水隔板組成一個(gè)膜對(duì)，若干膜對(duì)組合成膜堆；一對(duì)電極之間的膜堆稱為一級(jí)，淡水水流方向相同的膜堆稱為段。

根據(jù)對(duì)水量和水質(zhì)的要求，可采用一級(jí)一段、多級(jí)一段、一級(jí)多段和多級(jí)多段的不同組合方式。

電滲析器的主要部件和輔助設(shè)備

1. 離子交換膜

離子交換膜，又稱離子選擇透過性膜。它是由對(duì)離子具有選擇透過性的高分子材料制成的薄膜。

按膜中的活性基團(tuán)可分為：

陽離子交換膜(簡(jiǎn)稱陽膜)：強(qiáng)酸性磺酸型陽膜，活性基團(tuán)為-SO3H或-SO3Na等，其反離子為H+或Na+等；

陰離子交換膜(簡(jiǎn)稱陰膜)：強(qiáng)堿性季銨型陰膜，活性基團(tuán)為-N(CH3)3OH或-N(CH3)3Cl等，其反離子為OH-和Cl-等。

離子交換膜是一種高聚物電解質(zhì)薄膜，當(dāng)浸入電解質(zhì)溶液后，其中的活性集團(tuán)在溶劑的作用下發(fā)生離解：

產(chǎn)生的反離子進(jìn)入水溶液，在膜上留下帶有一定電荷的固定基團(tuán)。由于磺酸基團(tuán)和季銨基團(tuán)具有親水性，使膜在水中溶脹，膜體結(jié)構(gòu)變松，從而形成細(xì)微、彎曲和貫通膜兩面的通道，使通道中留下帶有一定電荷的固定基團(tuán)而形成內(nèi)電場(chǎng)。在外電場(chǎng)作用下，由于內(nèi)電場(chǎng)存在．離子交換膜只允許與其內(nèi)電場(chǎng)電荷相反的離子通過，而與內(nèi)電場(chǎng)電荷相同的離子不能通過。離子交換膜的這種選擇透過性，是電滲析除鹽的基礎(chǔ)。

(3) 離子交換膜是電滲析器中的關(guān)鍵材料，故對(duì)離子交換膜的物理、化學(xué)和電化學(xué)性能有一定的要求：

① 具有較高的選擇透過性

溶液的濃度增高時(shí)，離子交換膜的選擇透過性下降。

陽離子交換膜對(duì)陽離子的選擇性遷移數(shù)應(yīng)大于0.9，對(duì)陰離子遷移數(shù)應(yīng)小于0.1。

② 較好的化學(xué)穩(wěn)定性

耐化學(xué)腐蝕、耐氧化、耐一定溫度、耐輻射和抗水解的性能。

③ 離子的反擴(kuò)散和滲水性較低

無論是同名離子遷移，還是濃差擴(kuò)散及水的各種滲透過程，都不利于水的脫鹽，或引起脫鹽率下降。

④ 具有較高的機(jī)械強(qiáng)度

膜應(yīng)光滑平整，無針孔，厚度均勻。在受到一定壓力或拉力時(shí)，不會(huì)發(fā)生變形裂紋，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和韌性。

⑤ 具有較低的膜電阻

膜的電阻應(yīng)小于溶液的電阻，否則由膜本身所引起的電壓降增大不利于最佳電流條件，使電滲析效率下降。

可通過減少膜的厚度，提高膜的交換容量和降低膜的交聯(lián)度來降低膜電阻。

膜的原料豐富、價(jià)格低廉、工藝簡(jiǎn)單。

膜的處理中的注意事項(xiàng)：

組裝前對(duì)膜的處理：將膜放在操作溶液中浸泡24～48小時(shí)，使之與膜外溶液平衡，然后才裁減打孔。

膜的尺寸應(yīng)比隔板周邊小1mm，比隔板水孔大1mm。

停運(yùn)后，應(yīng)在電滲析器中充滿溶液，防止膜發(fā)霉變質(zhì)或干燥收縮變形甚至破裂。

2. 隔板

它置于陽膜、陰膜之間，起著分隔和支撐陽膜、陰膜的作用，并形成水流通道，構(gòu)成濃、淡水室。隔板上有進(jìn)出水孔、配水槽和集水槽、流水道。

隔板材料為聚氯乙烯、聚丙烯、合成橡膠等非導(dǎo)體材料，能耐酸堿腐蝕，尺寸穩(wěn)定具有一定的彈性，以便于密封。

根據(jù)水流在隔板中的流動(dòng)狀況，分為有回路和無回路兩類形式。

a.有回路隔板：依靠彎曲而細(xì)長(zhǎng)的通道，達(dá)到以較小流量提高平均流速的效果，并且在膜面引起攪動(dòng)，產(chǎn)生紊流現(xiàn)象。一般只有一個(gè)進(jìn)水孔和一個(gè)出水孔。水流從一個(gè)進(jìn)水孔經(jīng)配水槽進(jìn)入隔板，在流水道中來回流動(dòng)，從另一出水孔流出，因此又稱為折流式隔板。它多用于水量少而除鹽要求較高的水處理中。

b.無回路隔板：使液體沿整個(gè)膜面流動(dòng)，利用不同形式的隔網(wǎng)使液流產(chǎn)生紊流。水流是由一個(gè)或多個(gè)進(jìn)水口經(jīng)配布水槽直線地流過隔板，再由對(duì)應(yīng)的出水口流山，又稱直流式隔板。它多用于水量大而除鹽要求不高的水處理場(chǎng)合。

3. 極區(qū)

向電滲析器輸入直流電，并將濃淡水引入膜堆，以及送入和引出極水。極區(qū)由電極、導(dǎo)水板和極水室組成。

① 電極：電極放在膜堆兩端，連接直流電源后，陽極與陰極間產(chǎn)生的電位差成為電滲析的推動(dòng)力。

電極材料有鈦涂釕、石墨、不銹鋼等。[Cl-]＜100mg/L時(shí)用1Cr18Ni9Ti； [Cl-] ＞100 mg/L時(shí)用鈦涂釕電極或經(jīng)過防腐處理過的細(xì)晶粒石墨電極。

電極應(yīng)具備的條件：化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性好；導(dǎo)電性好，電阻??；機(jī)械性能好，便于加工和裝卸；價(jià)格便宜。

②導(dǎo)水板：引入和導(dǎo)出濃、淡水，也可作引入和導(dǎo)出極水用。

③極水室：由供極水流動(dòng)的隔板構(gòu)成，對(duì)極水室的要求是極水暢通，并能及時(shí)排去電極反應(yīng)產(chǎn)生的氣體和沉淀物，這也是電滲析過程進(jìn)行的必要條件。

4. 壓緊裝置

用來夾極室、保護(hù)室極膜堆的裝置，其作用是使電滲析器在運(yùn)行時(shí)，不致于產(chǎn)生水的內(nèi)漏和外漏現(xiàn)象。有鋼板或槽鋼組合板或鑄鐵壓板兩種。鋼板或槽鋼組合板用螺桿鎖緊；鑄鐵壓板也可用液壓鎖緊。

圖4-4 電滲析器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

5. 電滲析器的輔助設(shè)備

(1) 電滲析器的直流電源

采用無級(jí)調(diào)壓硅整流器或可控硅整流器，直流輸出應(yīng)有正、負(fù)極開關(guān)，或自動(dòng)倒電極裝置。整流器容量(輸出電壓和電流的額定值)是根據(jù)電滲析器所需操作參數(shù)選定，并要有一定裕度，一般直流輸出電壓和電流比正常工作時(shí)大兩倍左右。

(2) 酸洗系統(tǒng)、水箱、水泵

酸洗系統(tǒng)包括酸箱、循環(huán)泵和管道，均應(yīng)耐腐蝕。

(3) 監(jiān)測(cè)儀表

應(yīng)設(shè)置濃、談、極水進(jìn)出口的流量計(jì)和壓力表；電流、電壓表及電導(dǎo)儀、pH計(jì)等。有條件時(shí)，可安裝在線檢測(cè)儀器自動(dòng)測(cè)量、記錄和控制、報(bào)警等系統(tǒng)。新型的頻繁倒極電滲析器(EDR)，對(duì)水流和電流都安裝了控制和保護(hù)系統(tǒng)，可以定時(shí)自動(dòng)倒換電極極性，同時(shí)相應(yīng)地切換濃、淡水的閥門，并在發(fā)生故障時(shí)發(fā)出信號(hào)，將其停運(yùn)。

三、電滲析法水處理除鹽工藝系統(tǒng)

電滲析法水處理除鹽工藝系統(tǒng)可以分兩種：

1.電滲析器本體的工藝系統(tǒng)

選擇經(jīng)濟(jì)合理的電滲析工藝系統(tǒng)(即除鹽方式)，是設(shè)計(jì)電滲析除鹽水處理工藝的一個(gè)重要部分。一般應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)、用水水量、用水水質(zhì)要求等，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

常用的除鹽方式有直流式、循環(huán)式和部分循環(huán)式三種。

（1）直流式除鹽：原水流經(jīng)一臺(tái)或多臺(tái)串聯(lián)的電滲析器后，即能達(dá)到要求的水質(zhì)。適用于產(chǎn)水量和原水濃度恒定的條件。該法的優(yōu)點(diǎn)是可連續(xù)制水、管道簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是定型設(shè)備的出水水質(zhì)隨原水含鹽量而變。

（2）循環(huán)式除鹽：

將原水在電滲析器和水箱中多次循環(huán)，以達(dá)到所需出水的水質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)是不論原水濃度如何變化，都可以將原水處理到要求的任一水平，且流速大，除鹽速度快，電滲析器體積小。其缺點(diǎn)是需設(shè)置循環(huán)水泵和水箱，只能間歇供水，電耗大。適用于制水量小，原水含鹽量高，出水水質(zhì)要求高的小型裝置。

（3）部分循環(huán)式除鹽:

是直流式和循環(huán)式除鹽相結(jié)合的一種方式。在部分循環(huán)式除鹽工藝系統(tǒng)中，電滲析器的出口淡水分成兩路，一路連續(xù)出水供用戶使用；另一路返回電滲析器與水相中水相混，繼續(xù)進(jìn)行除鹽。其特點(diǎn)是用定型設(shè)備，可適應(yīng)不同水質(zhì)和水量的要求。在原水含鹽量變化時(shí)，可調(diào)節(jié)循環(huán)量去保持出水水質(zhì)穩(wěn)定，但系統(tǒng)較復(fù)雜，電耗大。適用于大規(guī)模的水處理系統(tǒng)。

圖4-5 電滲析器的除鹽方式

2. 電滲析器與其他水處理設(shè)備的組合除鹽系統(tǒng)

電滲析一般用于含鹽量較高的苦咸水、高硬度水的部分除鹽，以作深度除鹽的頂處理。

由于電滲析法除鹽有其適用范圍，在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)和除鹽水水質(zhì)要求，與離子交換水處理技術(shù)等相結(jié)合，使其在水處理工藝中各自發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到合理的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，并能穩(wěn)定運(yùn)行。其常用的組合除鹽水處理系統(tǒng)如下。

（1）預(yù)處理-電滲析-離子交換

這種將電滲析器和離子交換器組合使用的系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較早，也較廣泛。

其組合原理是根據(jù)電滲析制水時(shí)，當(dāng)其水的電阻率為20×104 Ω·cm以上時(shí)，電滲析器易極化而無法繼續(xù)適應(yīng)；反之，離子交換卻能適應(yīng)處理低含鹽量的水，可以制取高純水。所以在這種組合水處理系統(tǒng)中，電滲析作為離子交換水處理的前級(jí)處理，用以去除原水中的絕大部分(60％～90％)鹽分，剩下的少部分鹽份再由離子交換進(jìn)一步去除，即可制取除鹽水。

根據(jù)對(duì)除鹽水用水的水質(zhì)要求，離子交換可以是單床、復(fù)床、混合床或其他不同的組合形式。這種系統(tǒng)特點(diǎn)是保證出水水質(zhì)高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，再生劑耗用少．對(duì)原水含鹽量變化的適應(yīng)性強(qiáng)，適用于苦咸水或沿海地區(qū)受海水倒灌影響的情況。

這種組合除鹽水處理系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于電力、化工、輕工、電子等領(lǐng)域。

（2）預(yù)處理一離子交換一電滲析

這種組合除鹽系統(tǒng)在電滲析器之前設(shè)置離子交換器(鈉型離子交換器)，其目的是去除原水中易結(jié)垢的硬度離子(鈣、鎂)，防止在電滲析器內(nèi)產(chǎn)生沉淀結(jié)垢，降低除鹽率，而影響正常運(yùn)行。

（3）預(yù)處理一離子交換(軟化)一電滲析一離子交換(軟化)

這種組合系統(tǒng)中，在電滲析前后均有離子交換軟化處理，這是因?yàn)轭A(yù)軟化可以防止電滲析器中的結(jié)垢、堵塞，提高電滲析的除鹽效率；電滲析后的離子交換軟化處理，可進(jìn)一步降低水中的硬度和相對(duì)堿度，以保證中、低壓鍋爐給水的水質(zhì)。

電滲析在水處理方面的應(yīng)用

苦咸水及海水淡化、海水濃縮制鹽、純水的制備、工業(yè)廢水的處理（A.電鍍廢水；B.造紙工業(yè)廢水；C.重金屬廢水）、放射性廢水、離子隔膜電解、在其它方面

極化和極限電流密度

有離子交換膜的極化和電極的極化

膜的極化：在電滲析運(yùn)行過程中，由于反離子在膜內(nèi)遷移速度大于在溶液中的遷移速度，因而淡水室膜面的溶液濃度下降，并與主體溶液形成濃度梯度。當(dāng)工作電流增至一定值時(shí)，淡水室膜面的溶液濃度幾乎下降為零，致使水分子大量電離，使H+和OH-一起傳遞電流的作用，這一現(xiàn)象稱為極化。

當(dāng)?shù)夷っ娴娜芤簼舛葹榱?，則此時(shí)的工作電流稱為極限電流。極限電流與膜的有效面積之比值稱為極限電流密度(ilim)，計(jì)算如下：

式中：ilim --極限電流密度，A/cm2； t- --離子在膜中的遷移數(shù)；

t --離子在溶液中的遷移數(shù)；c --淡水室中水的對(duì)數(shù)平均含鹽量,mmol/L；

δ --膜面擴(kuò)散層厚度，cm； D --離子擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s；

F --法拉第常數(shù)，96500 C/mol。

電滲析器的極限電流密度(ilim)與淡水室中的水流速度有關(guān):

ilim = k·vm·c

c = (cj – cc)/[2.3lg(cj/cc)]

式中: v --淡水室中的水流速度，cm/s；

c --淡水室中水的對(duì)數(shù)平均含鹽量，mmol/L；

m --流速指數(shù)(在0.33-0.90之間)；

k --水力學(xué)系數(shù)(隔板特性綜合系數(shù))；

cj --淡水室進(jìn)水的含鹽量，mmol/L；

cc --淡水室出水的含鹽量，mmol/L。

m與k可通過試驗(yàn)求得。有關(guān)試驗(yàn)表明，在設(shè)備、水溫、水質(zhì)確定時(shí)，v 在5～20cm/s范圍內(nèi)，m與k是常數(shù)。在使用同種離子交換膜時(shí)，m、k值越大的電滲析裝置可獲得較高的除鹽率。

電極極化：主要包括電極表面存在的濃差極化和電化學(xué)反應(yīng)。

電極的濃差極化，是由于電極反應(yīng)放電時(shí)放電離子在電極表面層的濃度低于電極液中的濃度。

3. 極化的危害

電阻增大而增加電耗

淡室中的水電離而消耗電能，且電流效率下降

引起結(jié)垢

4. 穩(wěn)定運(yùn)行的措施

（1）原水的預(yù)處理

原水預(yù)處理的目的是為了避免因電滲析設(shè)備堵塞和膜污染而引起的電滲析器脫鹽率下降、產(chǎn)水量降低和能耗增大。為此應(yīng)對(duì)進(jìn)水采取相應(yīng)的預(yù)處理措施，控制電滲析器的進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到下列要求：

① 濁度 隔板厚度1.5～2.0mm，＜3mg/L,

隔板焊度0.5～0.9mm，＜O.3mg/L；

② 耗氧量 ＜3mg/L(高錳酸鉀煮沸法測(cè)定，以O(shè)2計(jì))；

③ 游離性余氯含量 ＜0.2mg/L；

④ 鐵、錳含量 鐵含量＜0.3mg/L,錳含量＜0.1mg/L；

④ 水溫 5～40℃；

⑤ 淤塞密度指數(shù)(SDI) 頻繁倒極電滲析(EDR)，SDI＜7，

電滲析(ED)，SDI＜3～5。

一般應(yīng)根據(jù)陰板厚度和倒極時(shí)間實(shí)測(cè)出適宜的SDI，一般＜10。

（2）確定合理的操作參數(shù)

電滲析器運(yùn)行中的操作參數(shù)包括流速、壓力、電壓、電流、進(jìn)水水質(zhì)、倒極時(shí)間間隔和酸洗周期等。如果濃水是循環(huán)利用的，還要確定濃水的循環(huán)比例。為了保證電滲析器合理、安全、有效地運(yùn)行，確定合理的操作參數(shù)是非常重要的。

① 流速和壓力

淡水室流速過低，會(huì)造成微量懸浮物沉積，阻力損失增大，各隔室配水不均，膜和水流界面處的擴(kuò)散層過厚，易產(chǎn)生局部極化。但流速也不可過大，這樣會(huì)造成設(shè)備漏水和變形，出水水質(zhì)下降，動(dòng)力消耗增大。

一般流速5～10cm/s，進(jìn)水壓力不超過0.3MPa為宜。進(jìn)水壓力過高，會(huì)使膜對(duì)變形、漏水；進(jìn)水壓力過低，水流速度就降低；

② 電壓和工作電流

在確定適當(dāng)?shù)牧魉傧?，需要確定在什么直流電壓下運(yùn)行。這個(gè)電壓參數(shù)的選取，應(yīng)為與其相對(duì)應(yīng)的工作電流為極限電流的70%～90%時(shí)的電壓為宜，使其能防止產(chǎn)生極化而造成電流效率降低和結(jié)垢。當(dāng)原水含鹽量、硬度和有機(jī)物含量高時(shí)取低值，反之則取高值。

電滲析器運(yùn)行時(shí)是控制直流電壓而不是控制工作電流。電滲析器有一個(gè)電壓的限值，它是由水溫、濃度、膜對(duì)尺寸和內(nèi)管道面積確定的。電壓超過限值，將有過大電流由電極通過鄰近的膜傳到濃水管道，產(chǎn)生足夠的熱面損壞電極附近的隔板和膜。另一方面由于隨運(yùn)行時(shí)間的增加，膜對(duì)電阻會(huì)有所上升，使電流下降，若為控制一定電流，必定要升高電壓．這樣易超過電壓的限值。

③ 確定倒極周期

定期切換電極，即定期改變電極的極性，使?jié)狻⒌仪袚Q。此時(shí)由于極性的交換，離子遷移方向也改變了，這樣在原陰膜濃水側(cè)生成的少量水垢在變換成淡水室后，會(huì)逐漸溶解，而在另一面沉積起來。定期倒換電極，造成了沉淀水垢的不穩(wěn)定狀態(tài)，可起到減輕結(jié)垢的作用。應(yīng)根據(jù)水質(zhì)和工藝操作條件，確定定時(shí)倒換電極的時(shí)間間隔，一般倒換電極的周期為l～4h。

倒極操作時(shí)，要防止?jié)馑M(jìn)入淡水箱而污染水質(zhì)。

頻繁倒極電滲析是每15～30min自動(dòng)倒換電極一次，并自動(dòng)地操作進(jìn)出水口閥門使?jié)狻⒌髯詣?dòng)切換。

④ 確定酸洗周期

當(dāng)脫鹽率下降5%以后，應(yīng)停機(jī)進(jìn)行酸洗。

采用倒極后，一般能使下降的除鹽率得到恢復(fù)，但運(yùn)行一斷時(shí)間后，除鹽率仍有下降趨勢(shì)，可能是由于局部極化、有機(jī)物污染和泥漿沉積等原因。對(duì)于這種情況應(yīng)輔以酸洗和反沖洗去消除這種影響。

酸洗通常用1%～2%鹽酸進(jìn)行循環(huán)清洗0.5～1h，再用水清洗至出水呈中性。

⑤濃水循環(huán)的濃縮倍率確定

用電滲析法淡化、脫鹽時(shí)，要排掉幾乎和淡水體積相等的濃水和少量的極水。為了提高水的利用率，通常采用濃水循環(huán)的方法。所謂濃縮倍率就是濃水含鹽量與原水含鹽量之比。由物料平衡原理，可得濃縮倍率公式如下

K = ( q + Qε）/q

K值的確定應(yīng)以保證濃水系統(tǒng)不形成碳酸鹽和硫酸鹽垢為原則,同時(shí)也不顯著降低電流效率，應(yīng)根據(jù)原水水質(zhì)和所用的膜，通過試驗(yàn)確定。

濃縮倍率的控制是通過改變給水的補(bǔ)充量來達(dá)到的。我國(guó)濃縮倍率一般為4～5，水的利用率為75%～85%。

五、常見故障

1. 漏水

（1）原因：

a. 隔板、夾緊板、導(dǎo)水板或膜厚度不均、變形；

b.一級(jí)膜對(duì)數(shù)太多，不易緊固；

c.未夾緊或鎖緊時(shí)用力不均勻；

d.運(yùn)行中濃水、淡水、極水壓力不平衡等。

（2）解決方法

重視電滲析器各部件的選材和加工，組裝時(shí)應(yīng)裝齊裝平。鎖緊時(shí)要用力均勻，對(duì)于膜對(duì)數(shù)較多的裝置可采用分次組裝或分次壓緊的辦法。運(yùn)行時(shí)應(yīng)嚴(yán)格操作規(guī)程。對(duì)已變形部件和不合格部件要更換。

2．水流阻力上升、進(jìn)水流量下降

（1）產(chǎn)生原因

原水中懸浮物和膠體物質(zhì)大量沉積在配水槽和離子交換膜面；嚴(yán)重極化產(chǎn)生沉淀

（2）解決方法

應(yīng)設(shè)置必要的預(yù)處理裝置和反沖洗系統(tǒng)，在進(jìn)水管道中設(shè)排污閥，防止啟動(dòng)時(shí)將管道內(nèi)的雜質(zhì)帶入電滲析器中；運(yùn)行時(shí)應(yīng)采取防止極化的措施。

3．淡水水質(zhì)下降

一般電滲析器正常運(yùn)行中，淡水水質(zhì)有一定的下降傾向，通過倒極和定期酸洗可使除鹽率回升。而運(yùn)行中水質(zhì)突然下降，或除鹽率明顯降低則應(yīng)視為故障，水質(zhì)下降的主要原因如下：

(1) 工作電壓過高或倒極、酸洗周期太長(zhǎng)，致使嚴(yán)重極化，造成膜 面沉積水垢，膜堆電阻增加，工作電流下降；

(2) 預(yù)處理不當(dāng)，進(jìn)水帶入的沉積物會(huì)使水流阻力上升，膜電阻增加．從而影響水質(zhì)，進(jìn)水中有機(jī)物對(duì)膜的污染以及細(xì)菌微生物的生長(zhǎng)也會(huì)造成類似的結(jié)果；

(3) 離子交換膜使用時(shí)間過長(zhǎng)，或由于其他原因，如進(jìn)水中氧化物質(zhì)的作用，膜已老化，膜電阻增加；

(4) 組裝時(shí)膜與隔板裝錯(cuò)，運(yùn)行中膜的損壞造成濃、淡水互漏，同時(shí)電流效率也下降；

(5) 電極損壞，電路系統(tǒng)等發(fā)生電氣故障。

4．膜出現(xiàn)脹縮

電滲析器運(yùn)行后，由于膜的質(zhì)量原因，膜會(huì)出現(xiàn)脹縮，通常是陽膜縮短，陰膜變長(zhǎng)，

脹縮差異不大，可用1％～2％鹽酸溶液浸泡、洗凈后．再行組裝。

脹縮太大，則可用純水浸泡陽膜使其伸展：陰膜可用稍濃鹽水浸泡使其收縮后，再行組裝。

七、電滲析最新研究進(jìn)展

1. 倒極電滲析

70 年代以來，美國(guó)Ionics公司推出了倒極電滲析，簡(jiǎn)稱EDR。

我國(guó)從1985年也發(fā)展了自己的EDR系統(tǒng)．1988年我國(guó)還引進(jìn)了美國(guó)Ionics 公司的兩套50m3/h的EDR。EDR的出現(xiàn)是電滲析技術(shù)的一次重大突破，大大推動(dòng)了電滲析技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)展了它的應(yīng)用領(lǐng)域。

（1）EDR原理

ED法由于結(jié)垢問題，因此發(fā)展速度緩慢。EDR的原理和BD法基本是相同的，只是在運(yùn)行過程中，EDR每隔一定的時(shí)間(一般為15～20min)，正負(fù)電被極性相互倒換一次(國(guó)內(nèi)電滲析器一般2～4h倒換一次)，因此稱現(xiàn)行的倒極電滲行為頻繁倒極電滲析。

它能自動(dòng)清洗離子交換膜和電極表面形成的污垢，確保離子交換膜效率的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及淡水的水質(zhì)相水量。

2.填充床電滲析

又稱電脫離子法(Electrodeio-nizationo簡(jiǎn)稱EDI)．它是將電滲析法與離子交換法結(jié)合起來的一種新型水處理方法。

利用電滲析過程中極化現(xiàn)象對(duì)離子交換填充床進(jìn)行電化學(xué)再生，它巧妙地集中了電滲析與離子交換這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，并且克服了它們的缺點(diǎn)，即電滲析過程的極化現(xiàn)象和離子交換的化學(xué)再生過程。

一般水中含鹽量為50～15000mg/L時(shí)都可使用，而對(duì)含鹽量低的水更為適宜。這種方法基本上能夠除去水中全部離子，所以它在制備高純水及處理放射性廢水方面有著廣泛的用途。

填充床電滲析原理

簡(jiǎn)單的三隔室電滲析器，中間淡水室裝有混合陰、陽 離子交換樹脂或裝填離子交換纖維等．兩邊是濃室(與極室在一起)。填充床電滲析的原理見圖4-6。

它的作用原理有以下幾個(gè)過程。

a．電滲析過程：在外電場(chǎng)作用下，水中電解質(zhì)通過離子交換膜進(jìn)行選擇性遷移，從而達(dá)到去除離子的作用。

b．離子交換過程：此過程靠離子交換樹脂對(duì)水中電解質(zhì)離子的交換作用，達(dá)到去除水中的離子。

c．電化學(xué)再生過程：利用電滲析的極化過程產(chǎn)生的H+離子和0H-離子及樹脂本身的水解作用對(duì)樹脂進(jìn)行電化學(xué)再生。

3.高溫電滲析

高溫電滲析的優(yōu)點(diǎn)在于能使溶液的粘度下降，提高擴(kuò)散速度，溶液和膜的電導(dǎo)增大，從而可以提高允許電流密度，提高設(shè)備的生產(chǎn)能力，或者降低動(dòng)力消耗，從而降低處理費(fèi)用。

八、電滲析器在水處理方面的應(yīng)用

首先用于苦咸水淡化，

逐漸擴(kuò)大到海水淡化及制取飲用水和工業(yè)純水的給水處理中，

在重金屬廢水處理、放射性廢水處理等工業(yè)廢水處理中部巳得到應(yīng)用。