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 一、電滲析技術歷史淵源

        電滲析技術的研究始于德國，1903年，Morse和Pierce把2根電極分別置于透析袋內部和外部溶液中，發現帶電雜質能迅速地從凝膠中除去；1924年，Pauli采用化工設計的原理，改進了Morse的實驗裝置，力圖減輕極化，增加傳質速率。但直到1950年Juda**試制成功了具有高選擇性的離子交換膜后，電滲析技術才進入了實用階段，其中經歷了三大革新：具有選擇性離子交換膜的應用；設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構等不斷革新和改進，電滲析技術進入了一個新的發展階段，其應用前景也更加廣闊。

       二、電滲析概念和原理

        電滲析(eletrodialysis，簡稱ED)技術是電化學過程和滲析擴散過程的結合，在外加直流電場的驅動下，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備兩部分。其中電滲析器本體是由膜堆、極區和夾緊裝置三部分組成的。輔助設備是指各種料液罐、水泵、直流電源及進水預處理設備等。

       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、電滲析技術分類

        根據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動過程常見的兩種膜分離工藝。能夠實現目標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，并能夠實現目標料液產酸和產堿的過程稱為BMED；采用具有一多價離子選擇能力的離子選擇性通過膜，實現溶液中具有不同電荷數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，能夠通過電極反應實現產酸產堿的過程稱為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，分別在濃縮室發生聚集，這樣便實現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定的速率進行傳質過程，但是在實驗過程中容易達到極限電流密度，在膜的表面發生水解離；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，因此操作中不易達到極限電流密度，但是過程中傳質速率較慢，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，特別是當處理容易引起膜結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生水解離，使得水分子在線的轉化為H+和OH-，并在電場的驅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溶液中。

       利用雙極膜水解離的理論能耗要遠遠低于電解過程，其速率是其的5X107倍，因此，雙極膜得到了廣泛的應用，特別是在生物工程、食品工程及環境保護領域。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，以及弱酸和弱堿基團之間的質子化和去質子化的化學反應模型。其中第二Wien效應強調雙極膜的水解離是靠電場的促進作用發生的，雙極膜的水解離速率與施加的電場有直接的關系；而化學反應模型強調了弱酸弱堿基團存在的可逆的質子化和去質子化反應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，簡稱EDI）是電滲析和離子交換相結合的膜分離技術，通常在電滲析器的淡室隔板中裝填陰、陽離子交換樹脂，結合離子交換樹脂和離子交換膜，在直流電場作用下實現去離子過程的新型水處理技術。該技術兼有常規電滲析連續操作和離子交換深度脫鹽的優點，集中了電滲析和離子交換法的優點，同時克服了常規電滲析過程容易出現濃差極化，以及離子交換需要再生樹脂和間歇操作的缺點。目前該技術主要應用于高純水（超純水制備），隨著填充床電滲析技術研究的進一步開展，將有助于促進該技術在更廣泛的領域獲得應用。

        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，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、負離子沿樹脂床和離子交換膜構成的通道分別向負極和正極方向遷移，正、負離子分別透過陽、陰離子交換膜進入相鄰的濃室，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率增加，從而使極化現象減弱和去離子能力提高，出水水質提高。當超過極限電流時，膜和樹脂附近的界面層發生極化，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離子，從而使樹脂得到再生。

        四、電滲析技術優勢

• 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，經濟效益顯著；常溫運行，特別適用于熱敏性的體系，產品質量更穩定；再生也只耗電，不用酸堿，節省材料費用。

• 使用壽命長： 裝置預處理工藝簡便，設備經久耐用；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，對原水的水質要求相對較低。

• 裝置設計靈活： 系統裝置的脫鹽率和原水回收率可根據需求進行靈活設計，脫鹽率可達30%～99%，回收率可達40%～90%；整個系統操作簡單，易于實現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。產水連續穩定，出水質量高。

• 環境污染小： 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，避免了噪音對環境的影響； 環保效益顯著，操作安全性高。

  
  

        五、電滲析技術的應用

        由于電滲析優異的脫鹽和濃縮性能，其被廣泛的用于海水淡化、污水處理、環境保護及工業生產等領域。壓力驅動的反滲透、電驅動的電滲析及熱驅動的滲透汽化等都是有效的手段。而采用電驅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點得到了很廣泛的應用。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，主要體現在雙極膜電滲析/普通電滲析過程對于有機酸生產中的應用。傳統的有機酸的生產與提純工藝路線較長，需要消耗大量的酸和堿，同時過程中還會產生大量的廢渣，這樣不但操作成本高，而且對于環境的污染較嚴重。因此，通過利用雙極膜電滲析能夠在線產酸產堿的特點，將發酵液通入至雙極膜電滲析膜堆，可在線的將有機酸鹽轉化為有機酸及堿的副產品，副產品可以回用至發醇液的pH的調節，同時發酵液中的未發酵組分如細菌、蛋白質及葡萄糖等在電場中不發生移動，從而被保留在發酵液中，因此得到的有機酸產品純度較高，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行提取。另一方面，由于雙極膜電滲析可實現發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酵過程的抑制效應。