废水处理之 | 电渗析法处理废水详解
电渗析概念及原理
1.1 概念
利用半透膜的选择透过性来分离不同溶质粒子的方法叫透析。透析在电场作用下进行时，溶液中带电溶质粒子透过膜迁移的现象叫电透析。利用电透析来净化和分离物质的技术叫电透析。它是20世纪50年代发展起来的新技术，最初用于海水淡化，现在已广泛应用于化工、轻工、冶金、造纸、制药等工业。尤其在制取纯水和处理环保方面的三废，如酸碱回收、电镀废液处理、从工业废水中回收有用物质等，受到重视。
1.2 原理
电渗析的基本工作原理是在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，将电解质从溶液中分离出来，从而达到溶液脱盐、浓缩、精制或净化的目的。电渗析原理图如图1-1所示。
电渗析装置通常由离子交换膜、电极和夹持装置三部分组成。电渗析过程的本质是两股液流之间电解质离子的转移，其中一股液流失去电解质成为脱盐液，另一股液流获得电解质成为浓缩液。因此，电渗析过程中脱盐溶液中的离子基于两个基本条件：
1、在直流电场作用下，溶液中的阴离子、阳离子作定向运动；
2.离子交换膜的选择性渗透性使溶液中的离子能够作为反离子迁移。
电渗析过程的电极与膜组成的隔室称为电极室，其中发生的电化学反应与普通电极反应相同。氧化反应发生在阳极室，阳极水呈酸性，阳极本身易腐蚀。还原反应发生在阴极室，阴极水呈碱性，阴极上易结垢。
文献报道及专利申请情况
2.1 专利申请
我们利用CNKI对近十年来用于处理酸碱溶液的电渗析技术的专利申请情况（国内专利）进行检索并汇总，结果如图2-1所示。
从检索结果中我们可以看到，关于电渗析技术在酸性/碱性溶液中的应用的专利申请数量非常少，近十年来，关于电渗析在酸性废水中的应用的专利数量约为19件，关于电渗析在碱性废水中的应用的专利数量约为22件，而且，关于电渗析在碱性废水中的应用的相关专利是近五年才出现的。
2.2 文献出版
使用CNKI检索并汇总近十年来发表的有关电渗析技术处理酸碱溶液的文章（国内期刊），结果如图2-2所示。
从搜索结果中我们可以看到，关于电渗析技术在酸/碱溶液中的应用发表的文章并不多，但有增加的趋势。
以上结果表明，电渗析技术在酸/碱废水中的应用是一项新技术，可作为工业水处理的储备技术、前瞻性技术。
电渗析技术的多种应用
3.1中高温电渗析工艺
电渗析器的进水温度对脱盐率影响很大，随着温度升高，水的粘度下降，从而加速水中离子的扩散，膜和溶液的电导率增大，有利于离子迁移和离子交换膜的渗透，从而提高电流密度，降低处理成本，提高脱盐率。但温度升高的上限也由电渗析器的耐受能力决定，当温度升高到40-50℃时，阴离子交换膜容易分解，聚氯乙烯隔板也容易变形。另外，当水温低于5℃时，电渗析脱盐率明显下降，已接近破坏离子交换膜的温度。因此，电渗析器的温度一般控制在5-40℃的中高温范围内。
3.2 逆电渗析（EDR）工艺
EDR工艺是我国基于ED原理于1982年开发成功的新工艺，它每隔一定时间（一般15-20分钟）将正负极极性反转（频繁反转），这样可以自动清洗离子交换膜和电极表面的污垢，保证淡水的质量和数量，保证离子交换膜的稳定运行和浓水的最少排放。反转电渗析原理如图3-1所示。
EDR系统由电渗析本体、整流器、自动反转系统三部分组成，反转操作程序如下：
1、改变直流电源电极极性，使浓缩室、稀释室互换，离子流就会反转；
2、切换进出水阀门，使浓、稀溶液室供水、排水系统互换；
3、极性转换持续1-2分钟后，将不合格的淡水返回浓水系统，然后浓淡水各行其道，恢复正常运行。
3.3 电渗析双极膜（EDMB）工艺
EDMB工艺是一种独特的电渗析工艺，它通常由阳离子和阴离子交换膜堆叠而成，这两层膜的孔道形成一个含水的中间层，在电场作用下，可能存在的离子首先从中间层迁移出来，然后经解离水的作用，在膜的阴、阳两面分别生成H+离子和OH-离子。它的最大特点是可以与其他阴离子交换膜、阳离子交换膜巧妙地组合，形成许多独特的双极膜电渗析工艺。与电解脱水法相比，能耗大大降低，并可从盐溶液中生成等摩尔的酸和碱。因此，该技术可用于废酸、废碱等物质的再生利用，降低物耗、能，减少废弃物排放，消除环境污染，为某些酸、碱的分离制备提供了新途径。双极膜电渗析示意图如图3-2所示。
3.4 填料床电渗析（EDI）工艺
填料床电渗析又称电去离子，是将离子交换膜与离子交换树脂结合在一起，在直流电场作用下，除去水中已电离或可电离物质的一种新型水处理技术。它利用电渗析过程中的极化现象，对离子交换填料床进行电化学再生。它巧妙地结合了电渗析连续除盐和离子交换树脂深度除盐两种方法的优点，而克服了它们的缺点，即电渗析过程中的浓差极化现象和离子交换的化学再生过程。一般水中含盐量为（50-/L）时均可使用，对含盐量低的水更适用。此法基本能除去水中所有离子，因此在高纯水制备及放射性废水处理中有着广泛的用途。EDI工艺原理如图3-3所示。
3.4 离子交换膜电渗析技术及其应用
基于离子交换膜的电渗析技术及应用如表3-1所示。
电渗析技术在废水处理中的应用
电渗析技术自上世纪五十年代问世以来，已有近五十年的发展历史。目前，电渗析技术已广泛应用于海水淡化、苦咸水淡化、超纯水制备、工业废水回收再利用以及化工过程中的物质分离、浓缩、净化和精制等。例如，用电渗析处理一些电镀溶液，回收氧化铝生产中的碱、铝和工业用水，回收废酸水中的酸，处理含有剧毒氰化物的废水，以及自来水脱氯等。
电渗析可用于处理废酸、废碱及含盐废水。污染控制与资源循环利用国家重点实验室研究了利用离子膜电解处理环氧丙烷氯醇尾气碱洗废水。在电解电压5.0V下，经过3h循环处理，废水COD去除率可达78%，废水中碱回收率可达73.55%，为后续生化单元起到了良好的预处理作用。齐鲁石化公司采用电渗析处理浓度为3%～15%的高浓度复合有机酸废水，无废渣，无二次污染，所得浓缩液含酸20%～40%，可循环使用，出水中酸含量可降至0.05%～0.3%。四川化工有限公司采用专用电渗析装置处理浓缩废水，最高处理量可达36t/h。浓水中硝酸铵体积分数为20%，回收率大于96%，达标淡水排放水中氨氮质量分数≤40mg/L。工业排放的稀醋酸废水中醋酸含量小于1%。回收废水中稀醋酸的方法有萃取分离、生化处理、吸附和电膜分离等。ED法可将废水中醋酸浓度从2.5%浓缩到20%。双极膜ED法可有效去除含0.2质量%醋酸的废水中的醋酸，废水中醋酸浓度可浓缩到36%以上。采用改进型异相膜ED处理化纤厂脱酸水，酸盐可浓缩至200g/L，多余的部分可采用多效蒸发回收。电渗析浓缩后的H2SO4、ZnSO4溶液可返回凝固浴回用。废水经脱盐处理后溶解固体降至0.7g/L以下，且无硬度，返回生产作洗涤水使用。在电流密度24mA/cm2、浓水-淡水浓缩比约10时，膜的盐迁移量约为0.4kg/(m2∙h)。浓缩时溶液迁移量为/(m2·h)，脱盐时平均为396mL/(m2·h)。浓缩1t盐电耗为，回收水温为(35±2)℃的软化水电耗为10~13kW·h/m3水。波兰的Kafal公司采用电渗析法，将硫酸钠废水电化学分解为硫酸和氢氧化钠，产物可全部返回工艺流程，此法已实现工业化。日本的Toru等采用电渗析法回收铝印刷板表面的酸性废水，并申请了专利。
另外，由于产品和生产工艺的原因，排放的工业废酸中往往含有各种金属离子，电渗析法也能实现金属离子和废酸的回收，对于含有铜、铁、镍离子的硫酸废水，即使硫酸质量浓度高达200g/L，金属离子质量浓度也高达59%。
但需要注意的是，电渗析对进水有一定的要求，这是因为进水中的一些有害成分会对电渗析造成危害，主要表现在以下四个方面：
1、设备水流通道、缝隙发生堵塞。水流阻力变化不均匀也会造成浓水室与淡水室水压不等，严重时会造成膜面破裂。水中夹带的砂粒也会对膜造成机械损伤。
2、当水流经电渗析分离器时，水中的悬浮物粘附在膜表面，成为离子迁移的障碍，造成膜阻力增大，水质恶化。电渗析膜是细菌的有机营养物，如果水中的细菌转移到膜表面繁殖，也会出现上述后果。
3、当水中极性有机物被膜吸附时，会改变膜的极性，造成膜的选择渗透性下降，膜电阻增大。
4、高价金属离子（如铁、锰等）会使离子交换膜中毒；游离氯会引起阳离子膜的氧化，当进水硬度较高时，会导致极化沉淀和结垢。
因此，进入电渗析装置的水的主要处理对象是天然水中的悬浮物和胶体物，包括无机物、有机物和细菌。
参考
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