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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，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)計的原理，改進(jìn)了Morse的實驗裝置，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，簡稱ED)技術(shù)是電化學(xué)過程和滲析擴散過程的結(jié)合，在外加直流電場的驅(qū)動下，以電位差為動力，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，陰、陽離子分別向陽極和陰極移動，從而實現(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離子交換膜(陽膜)和陰離子交換膜(陰膜)兩種。離子交換膜的選擇透過性主要表現(xiàn)在陽膜允許陽離子透過而排斥阻擋陰離子，陰膜允許陰離子透過而排斥阻擋陽離子，離子交換膜無需再生。

        三、電滲析技術(shù)分類

        根據(jù)所采用的離子選擇性通過膜的種類及操作模式的不同，電驅(qū)動膜分離過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)動過程常見的兩種膜分離工藝。能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)溶液的脫鹽和濃縮過程稱為CED；采用了雙極膜及普通的陰/陽離子交換膜，并能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)料液產(chǎn)酸和產(chǎn)堿的過程稱為BMED；采用具有一多價離子選擇能力的離子選擇性通過膜，實現(xiàn)溶液中具有不同電荷數(shù)的離子之間分離的過程稱為SED；采用了具有耐酸耐堿性的陰/陽離子交換膜，能夠通過電極反應(yīng)實現(xiàn)產(chǎn)酸產(chǎn)堿的過程稱為EED；采用普通的陰/陽離子交換膜，并利用能夠輔助離子遷移的離子交換樹脂來實現(xiàn)溶液的脫鹽，從而得到超純水的過程稱為EDI。

        （一）普通電滲析（CED）

       普通電滲析采用普通陰/陽離子交換膜，在電場的作用下，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。施加電場后，淡化室中的陽離子在正極的推動作用下透過陽離子交換膜向著陰極移動，同時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)極的推動作用下透過陰離子交換膜向著正極移動，同時被相鄰隔室的陽離子交換膜所阻礙，分別在濃縮室發(fā)生聚集，這樣便實現(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)過程，但是在實驗過程中容易達(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，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，但是過程中傳質(zhì)速率較慢，相比于恒流過程其操作時間較長；采用脈沖式的電滲析操作主要為了減少電滲析過程中的膜污染，特別是當(dāng)處理容易引起膜結(jié)垢的有機料液體系時。

        （二）雙極膜電滲析（BMED）

       雙極膜電滲析不同于普通電滲析過程，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-，并在電場的驅(qū)動下分別透過陽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，其中報道及引用較多的為第二Wien效應(yīng)，以及弱酸和弱堿基團之間的質(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)強調(diào)雙極膜的水解離是靠電場的促進(jìn)作用發(fā)生的，雙極膜的水解離速率與施加的電場有直接的關(guān)系；而化學(xué)反應(yīng)模型強調(diào)了弱酸弱堿基團存在的可逆的質(zhì)子化和去質(zhì)子化反應(yīng)對于水解離的重要性。

        （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、陽離子交換樹脂，結(jié)合離子交換樹脂和離子交換膜，在直流電場作用下實現(xiàn)去離子過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，集中了電滲析和離子交換法的優(yōu)點，同時克服了常規(guī)電滲析過程容易出現(xiàn)濃差極化，以及離子交換需要再生樹脂和間歇操作的缺點。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離子的交換介質(zhì)，如離子交換樹脂、離子交換纖維以及無機離子交換劑等。其工作原理包括離子遷移和樹脂再生，即在直流電場作用下，淡室水中的正、負(fù)離子沿樹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)離子分別透過陽、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)超過極限電流時，膜和樹脂附近的界面層發(fā)生極化，使水電離為H+和OH-，可以分別被混合陰、陽離子交換樹脂吸附，并替代被樹脂吸附的電解質(zhì)離子，從而使樹脂得到再生。

        四、電滲析技術(shù)優(yōu)勢

• 能量消耗低： 電滲析過程無相變，運行費用低，動力耗電也較低，經(jīng)濟效益顯著；常溫運行，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)省材料費用。

• 使用壽命長： 裝置預(yù)處理工藝簡便，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： 由于電滲析不是過濾型，具有較強的抗污染能力，對原水的水質(zhì)要求相對較低。

• 裝置設(shè)計靈活： 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，脫鹽率可達(dá)30%～99%，回收率可達(dá)40%～90%；整個系統(tǒng)操作簡單，易于實現(xiàn)機械化和自動化控制；占地空間小，省略了混床和再生裝置；操作簡單，噪音低。產(chǎn)水連續(xù)穩(wěn)定，出水質(zhì)量高。

• 環(huán)境污染小： 運行時，工藝過程潔凈，無需頻繁用酸、堿或其他藥劑再生；無需高壓操作，避免了噪音對環(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)動的反滲透、電驅(qū)動的電滲析及熱驅(qū)動的滲透汽化等都是有效的手段。而采用電驅(qū)動的電滲析脫鹽過程由于其過程能耗較低、水回收率較高、膜壽命長、不易引起膜污染等優(yōu)點得到了很廣泛的應(yīng)用。對于電滲析海水淡化的成本可低至1.2元/噸，有著很強的競爭優(yōu)勢。

        電滲析的另一個特點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/普通電滲析過程對于有機酸生產(chǎn)中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的有機酸的生產(chǎn)與提純工藝路線較長，需要消耗大量的酸和堿，同時過程中還會產(chǎn)生大量的廢渣，這樣不但操作成本高，而且對于環(huán)境的污染較嚴(yán)重。因此，通過利用雙極膜電滲析能夠在線產(chǎn)酸產(chǎn)堿的特點，將發(fā)酵液通入至雙極膜電滲析膜堆，可在線的將有機酸鹽轉(zhuǎn)化為有機酸及堿的副產(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)及葡萄糖等在電場中不發(fā)生移動，從而被保留在發(fā)酵液中，因此得到的有機酸產(chǎn)品純度較高，整個過程不再需要引入額外的酸和堿便可高效的將有機酸進(jìn)行提取。另一方面，由于雙極膜電滲析可實現(xiàn)發(fā)酵液中有機酸的在線脫除，因此避免了有機酸的積累對于發(fā)酵過程的抑制效應(yīng)。