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电渗析

电渗析

   

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    电渗析(eletrodialysis，简称ED)技术是电化学过程和渗析扩散过程的结合，在外加直流电场的驱动下，以电位差为动力，利用离子交换膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，阴、阳离子分别向阳极和阴极移动，从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯等目的。
    电渗析装置主要包括电渗析器本体及辅助设备两部分。其中电渗析器本体是由膜堆、极区和夹紧装置三部分组成的。辅助设备是指各种料液罐、水泵、直流电源及进水预处理设备等。
    电渗析中的离子交换膜可分为阳离子交换膜(阳膜)和阴离子交换膜(阴膜)两种。离子交换膜的选择透过性主要表现在阳膜允许阳离子透过而排斥阻挡阴离子，阴膜允许阴离子透过而排斥阻挡阳离子，离子交换膜无需再生。
【电渗析技术分类】
    根据所采用的离子选择性通过膜的种类及操作模式的不同，电驱动膜分离过程可分为普通电渗析(CED)、双极膜电渗析(BMED)、电解电渗析(EED)、选择性电渗析(SED)、填充床电渗析子(EDI)等，其中普通电渗析和双极膜电渗析是电驱动过程常见的两种膜分离工艺。能够实现目标溶液的脱盐和浓缩过程称为CED；采用了双极膜及普通的阴/阳离子交换膜，并能够实现目标料液产酸和产碱的过程称为BMED；采用具有一多价离子选择能力的离子选择性通过膜，实现溶液中具有不同电荷数的离子之间分离的过程称为SED；采用了具有耐酸耐碱性的阴/阳离子交换膜，能够通过电极反应实现产酸产碱的过程称为EED；采用普通的阴/阳离子交换膜，并利用能够辅助离子迁移的离子交换树脂来实现溶液的高效脱盐，从而得到超纯水的过程称为EDI。
    （一）普通电渗析（CED）
    普通电渗析采用普通阴/阳离子交换膜，在电场的作用下，溶液中离子发生迁移。普通电渗析的膜堆一般由普通阴、阳离子交换膜，两端电极，流道格网及密封垫片组成。施加电场后，淡化室中的阳离子在正极的推动作用下透过阳离子交换膜向着阴极移动，同时被相邻隔室的阴离子交换膜所阻碍；淡化室中的阴离子在负极的推动作用下透过阴离子交换膜向着正极移动，同时被相邻隔室的阳离子交换膜所阻碍，分别在浓缩室发生聚集，这样便实现了溶液的脱盐和浓缩。
    电渗析的操作模式可采用恒流、恒压及脉冲式电流。恒流操作可维持溶液中离子稳定的速率进行传质过程，但是在实验过程中容易达到极限电流密度，在膜的表面发生水解离；采用恒压操作时，膜堆两端的电流随着膜堆电阻的增加而减小，因此操作中不易达到极限电流密度，但是过程中传质速率较慢，相比于恒流过程其操作时间较长；采用脉冲式的电渗析操作主要为了减少电渗析过程中的膜污染，特别是当处理容易引起膜结垢的有机料液体系时。
   （二）双极膜电渗析（BMED）
    双极膜电渗析不同于普通电渗析过程，其采用了一种能够在线催化水解离的新型离子交换膜-双极膜，双极膜一般由阳离子交换膜层、中间水解离催化层及阴离子交换膜叠加而成，在电场的作用下，双极膜能够在水解离催化层中发生水解离，使得水分子在线的转化为H+和OH-，并在电场的驱动下分别透过阳离子交换膜层及阴离子交换膜层，迁移至与双极膜接触的两侧溶液中。
    利用双极膜水解离的理论能耗要远远低于电解过程，其速率是其的5X107倍，因此，双极膜得到了广泛的应用，特别是在生物工程、食品工程及环境保护领域。双极膜水解离的理论模型很多，其中报道及引用较多的为第二Wien效应，以及弱酸和弱碱基团之间的质子化和去质子化的化学反应模型。其中第二Wien效应强调双极膜的水解离是靠电场的促进作用发生的，双极膜的水解离速率与施加的电场有直接的关系；而化学反应模型强调了弱酸弱碱基团存在的可逆的质子化和去质子化反应对于水解离的重要性。
  （三）填充床电渗析（EDI）
   填充床电渗析（又称电去离子技术，简称EDI）是电渗析和离子交换相结合的膜分离技术，通常在电渗析器的淡室隔板中装填阴、阳离子交换树脂，结合离子交换树脂和离子交换膜，在直流电场作用下实现去离子过程的新型水处理技术。该技术兼有常规电渗析连续操作和离子交换深度脱盐的优点，集中了电渗析和离子交换法的优点，同时克服了常规电渗析过程容易出现浓差极化，以及离子交换需要再生树脂和间歇操作的缺点。目前该技术主要应用于高纯水（超纯水制备），随着填充床电渗析技术研究的进一步开展，将有助于促进该技术在更广泛的领域获得应用。
填充床电渗析装置一般由离子交换膜、隔板、电极、夹紧装置、溶液流道和管路等组成，其中膜堆由淡室和浓室交替排列组合而成，与常规电渗析不同的是淡室中填充了阴离子和阳离子的交换介质，如离子交换树脂、离子交换纤维以及无机离子交换剂等。其工作原理包括离子迁移和树脂再生，即在直流电场作用下，淡室水中的正、负离子沿树脂床和离子交换膜构成的通道分别向负极和正极方向迁移，正、负离子分别透过阳、阴离子交换膜进入相邻的浓室，由此生成淡水和浓水。由于填充交换树脂颗粒使电渗析淡室的电导率增加，从而使极化现象减弱和去离子能力提高，出水水质提高。当超过极限电流时，膜和树脂附近的界面层发生极化，使水电离为H+和OH-，可以分别被混合阴、阳离子交换树脂吸附，并替代被树脂吸附的电解质离子，从而使树脂得到再生。
    (四)电渗析技术优势
  • 能量消耗低： 电渗析过程无相变，运行费用低，动力耗电也较低，经济效益显著；常温运行，特别适用于热敏性的体系，产品质量更稳定；再生也只耗电，不用酸碱，节省材料费用。
  • 使用寿命长： 装置预处理工艺简便，设备经久耐用；分离专用膜和电极可用5年以上，隔板可用10 年以上；且操作维修方便。
  • 抗污染能力强： 由于电渗析不是过滤型，具有较强的抗污染能力，对原水的水质要求相对较低。
  • 装置设计灵活： 系统装置的脱盐率和原水回收率可根据需求进行灵活设计，脱盐率可达30%～99%，回收率可达40%～90%；整个系统操作简单，易于实现机械化和自动化控制；占地空间小，省略了混床和再生装置；操作简单，噪音低。产水连续稳定，出水质量高。
  • 环境污染小： 运行时，工艺过程洁净，无需频繁用酸、碱或其他药剂再生；无需高压操作，避免了噪音对环境的影响； 环保效益显著，操作安全性高。
   （五）电渗析技术的应用
    由于电渗析优异的脱盐和浓缩性能，其被广泛的用于海水淡化、污水处理、环境保护及工业生产等领域。压力驱动的反渗透、电驱动的电渗析及热驱动的渗透汽化等都是有效的手段。而采用电驱动的电渗析脱盐过程由于其过程能耗较低、水回收率较高、膜寿命长、不易引起膜污染等优点得到了很广泛的应用。对于电渗析海水淡化的成本可低至1.2元/吨，有着很强的竞争优势。
    电渗析的另一个特点是使得废水或物料中的有效成分得以分离纯化，主要体现在双极膜电渗析/普通电渗析过程对于有机酸生产中的应用。传统的有机酸的生产与提纯工艺路线较长，需要消耗大量的酸和碱，同时过程中还会产生大量的废渣，这样不但操作成本高，而且对于环境的污染较严重。因此，通过利用双极膜电渗析能够在线产酸产碱的特点，将发酵液通入至双极膜电渗析膜堆，可在线的将有机酸盐转化为有机酸及碱的副产品，副产品可以回用至发醇液的pH的调节，同时发酵液中的未发酵组分如细菌、蛋白质及葡萄糖等在电场中不发生移动，从而被保留在发酵液中，因此得到的有机酸产品纯度较高，整个过程不再需要引入额外的酸和碱便可高效的将有机酸进行提取。另一方面，由于双极膜电渗析可实现发酵液中有机酸的在线脱除，因此避免了有机酸的积累对于发酵过程的抑制效应。