电渗析技术研究现状与进展黄万抚

过滤与分离Journa一。fFiltartion&Separation2003Vol.13No.4电渗析技术研究现状与进展黄万抚,罗凯,李新冬(南方冶金学院,江西赣州341000)摘要:简述了电渗析技术的几种类型究现状和发展前景进行了综述。关键词:电渗析;离子交换膜;应用中图分类号:TQ028.7+4文献标识码:A并对电渗析技术在水处理、食品和化工方面应用的研文章编号:1005一8265(2003)04一0()20一041概述电渗析(ED)技术川是膜分离技术的一种,它是将阴、阳离子交换膜交替排列于正负电极之间,并用特制的隔板将其隔开,组成除盐(淡化)和浓缩两个系统,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,把电解质从溶液中分离出来,从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯。电渗析技术的优点是:①能量消耗低。②药剂耗量少,环境污染小。③对原水含盐量变化适应性强。④操作简单易于实现机械化、自动化。⑤设备紧凑耐用,预处理简单。⑥水的利用率高。电渗析也有它自身的缺点,它在运行过程中易发生浓差化极而产生结垢;并与RO相比,脱盐率较低。2电渗析技术发展简述电渗析技术的研究始于本世纪初的德国2I],1903年,Mosre和iPerce把两根电极分别置于透析袋内部和外部的溶液中发现带电杂质能迅速地从凝胶中除去;1924年,Pauh采用化工设计的原理,改进了Mosre的试验装置,力图减轻极化,增加传质速率,直至50年代离子交换膜的制造进人工业化生产后,电渗析技术才进人实用阶段。其中经历了三大革新:①具有选择性离子交换膜的应用团;②设计出许多层电渗析组件冈;③采用倒换电极的操作式阎。目前电渗析技术已发展成一个大规模的化工单元过程,在膜分离领域占有重要地位。广泛用于苦咸水脱盐领域,在某些地区已成为饮用水的主要生产方法。随着具有更好的选择性、低电阻、热稳定性、化学稳定性和机械性能的新型离子交换膜的出现,电渗析在水处理、食品、医药和化工领域的应用前景将更加广阔。3几种常见的电渗析过程3.1倒极电渗析(EDR)EDR为电渗析的应用前景提供了一个重要方向围,根据ED原理,每隔一定时间(一般为巧~20min),正负电极极性相互倒换(频繁倒极),能自动清洗离子交换膜和电极表面形成的污垢、以确保离子交换膜效率的长期稳定性及淡水的水质水量。在废水处理方面的应用有其独到之处,EDR浓水循环,水回收率最高可达95%,它的服役寿命长,管理简单,与其他方法相比更有竞争力。浙江某糖厂锅炉用水先采用ED处理,原水为深井水.含有大量菌类和原生物,运行40h,ED压降增加近一倍,膜对电阻增加近2倍。而改用EDR后,运行4Oh,压降仅增加1月O,膜对电阻仅增加15/。32填充电渗析(EDI)填充床电渗析(EDI),它是将电渗析与离子交换法结合起来的一种新型水处理方法,它集中了电渗析和离子交换法的优点,并克服了它们各自的缺点,提高了极限电流密度和电流效率的作用。1983年Kedem..o及其同事们提出了填充混合离子交换树脂电渗析过程除去离子思想17],1987年Mlillpore公司推出了这一产品181。在该过程中,粒子交换树脂颗粒填充在电渗析器的淡化室内外,被离子交换树脂吸附的离子在电场作用下不断迁移入浓水室,这样离子交换树脂不需要再生,而原料液中的离子几乎可完全被除去。收稿日期:2003一10一13作者简介:黄万抚(1962一),男,教授,主要从事矿业废水治理和矿物加工技术的研究.2003Vol.13No.4过滤与分离JournalofFiltration&Separation3.3液膜电渗析(EDLM)如果能将电渗析装置中的固态粒子交换膜用液膜来代替,就可以做成液膜电渗析(EDLM),它对于浓缩和提纯贵金属、重金属、稀有金属等,可能是一种高效分离方法。提高电渗析的分离效率,直接与液膜结合起来是很有发展前途的。例如,固体离子交换膜对铂族金属(饿,钉等)的盐溶液进行电渗析时,会在膜上形成金属二氧化物沉淀,这将引起膜的过早损耗,并破坏整个工艺过程,应用液膜则无此弊端。.34高温电渗析用电渗析法进行海水淡化时,由于起耗电量高,处理费用大,因此很难普遍推广应用。高温电渗析的优点在于能使溶液的粘度下降,提高扩散速度,增大溶液和膜的电导,从而可以提高允许密度,提高设备的生产能力或者降低动力消耗,从而降低处理费用。通过实验,高温电渗析对提高电渗析的脱盐效率和对降低能耗的效果是显著的,尤其是对有余热可利用的工厂更为适宜。.35离子隔膜电解离子隔膜电解使将电解和膜分离过程结合起来的一种新工艺,最典型的例子就使氯碱工业过程。在日本采用离子交换膜电解法代替传统的汞法制取高纯度烧碱,这种方法不仅保证烧碱的纯度,同时从根本上消除了汞对环境的污染。我国1996年首次引进日本旭化成公司粒子交换膜生产烧碱装置一套,在盐锅峡化工厂投人生产,生产能力1万口a,随后又引进了日本德山曹达、美国等装置和技术。.36双极性膜电渗析(EDMB)双极性膜由层压在一起的阳离子交换膜、阴离子交换膜及两层膜之间的中间层构成。当在阳极和阴极间施加电压时,电荷通过离子进行传递,如果没有离子存在,则电流将由水解离出的氢离子(H+)和氢氧根离子(OH一)传递。目前双极性膜电渗析工艺的主要领域是从盐溶液中产酸(HZSO4)和碱(NaOH),但浓度(酸最大1一2mol/L,碱最大3一6mol/沙)和纯度两方面都受到限制。现在开发的领域还有废气脱硫、离子交换树脂再生、钾钠的无机过程等。4电渗析技术的应用电渗析技术早在20世纪50年代就广泛用于苦咸水脱盐。随着新型离子交换膜的出现和交换树脂填充床电渗析技术的推出,电渗析技术将再次呈现出广阔的应用前景。目前,电渗析技术已普遍应用于饮用水、工业废水、医药用水处理以及食品、化学工业等领域,并取得了较好的效果,具有显著的社会效益和经济效益。4.1电渗析技术在水处理方面的应用4.1.1工业废水处理(l)造纸工业废水处理陈长春等l10]利用单阳膜等从造纸黑液中回收碱,结果表明该法回收lt纯碱的电耗可稳定在3(X旧kw·h一,左右,比氯碱厂生产烧碱和黑液燃烧回收碱的能耗都低。当回收终点黑液pH值为7时,N+a回收率为50%,阳极黑液含N+a5000一7加om群L,可直接回用于工段。Davyf,’]、Paleologon等【,,J提出了电渗析与传统碱回收系统相结合的生产流程,处理稀黑液得到碱和木质素。在国外,日本用电渗析法进行黑液的浓缩;原苏联用多膜式电渗析器处理黑液回收硫酸钠。在国内,上海轻工设计院曾采用回转式阳极单阳膜电渗析槽进行草木浆碱法蒸煮黑液的实验;北京造纸一厂、四川西泉造纸厂等也进行过碱法和硫酸盐法造纸黑液的电渗析实验。(2)重金属废水处理程祥杉进行了电渗析处理铜铁废水「l3J实验,对含HN03和HF的废水进行的处理,实验取得了较好效果,不但回收利用了水和有用资源,而且保护了环境。通过电渗析法从酸洗废液中回收重金属和酸已在工业上应用。电渗析技术可以与离子交换法相结合,废液先进人离子交换系统,除去重金属离子。我国1986年在浙江省邮电印刷厂安装了一套电渗析和离子交换联合设备,用以处理含铜废水,经处理后的含铜废水从loom盯L降至1mg/IJ,pH值为6一7,达到允许排放标准。(3)电镀废水处理电镀废水中常含有锌、锅、镍、铜等重金属离子及氰化物等毒性较大的物质,既造成了浪费又严重污染环境。通过电渗析一离子交换一电渗析组合工艺,既能实现资源的回收利用,又可以减少污染的排放。日本一家精炼钢厂的含硫酸镍一硫酸的废酸液,利用日本旭化成公司生产的特殊性能的离子交换膜电渗析装置,实现了镀镍废水的闭路循环。1981年铁道部北京二七工厂用电渗析法处理电镀含镍废水,废水电导率达1650林Sc/m,处理后降至400林Sc/m,可回用于漂洗工艺。徐传宁洲用电渗析技术处理含铬电镀废水,有效地净化了漂洗废水,使C产离子得到回收,废水中的C产达到国家废水排放标准。(4)放射性废水处理放射性废水包括核工业产生的废水和有色冶金工业及同位素研究时产生的废水。它们中均含有大量的放射性元素,不仅对人身体产生辐射危害,对农作物生长也产生极大影响,处理这类废水必须比处理一般性废水严格,一般采取多级处理,而且处理方法要安全可靠。国外有人ll5]用电渗析处理放射性废水,结果表明此项技术是可行的。前苏联莫斯科放射性废物处理站在1971年正式建成,处理能力为1.5一4.5m3h/的过滤与分离JournalofFiltration&Sepaartion2003Voll3No.4ED一EDI放射性废水处理工程。而我国在中科院上海原子核所利用实际的放化实验室低放废水进行的ED-EDI生产性试验,处理能力为500L/h。4.1.2医药废水处理制药厂废水中含有大量的有机物及许多有价值的物质,氨基酸就是其中的一种。目前国内大部分都采用离子交换树脂来脱酸,这样树脂不可避免的要附上一部分氨基酸,树脂再生时这部分氨基酸就作为废液排放掉,造成资源的浪费。关于氨基酸的废水处理,日本曾采用活性污泥法l1q,国内有用电渗析处理模拟氨基酸废水网。为了达到既净化废水,又回收氨基酸的目的,刘跃进等人ll8[采用电渗析来处理制药厂酸性氨基酸废水,结果表明:废水氨基酸和COD脱除率均可达80%,低浓浅色废水经一级处理即可达排放标准,浓缩水中氨基酸的浓度是淡水中的20倍,同时浓水中氨基酸浓度可接近其饱和浓度。4.1.3饮用及过程水的应用(l)苦咸水及海水淡化电渗析法脱盐成本与原水有密切的关系。随着原水浓度的增加,生产单位体积淡水的耗电量增加,单位膜面积上的产水量相应减少,从而使生产淡水成本相应提高。国外有人认为电渗析法淡化成本与处理水中含盐量的.06次幂成正比。电渗析脱盐的最佳浓度范围是几百至几千mg/L,一般苦咸水大多在此范围,而海水含盐量是苦咸水的10一20倍。1987年or月在山东长岛县大钦乡建起了苦咸水淡化饮水站,采用部分循环脱盐工艺,将含盐量为5000m酬L的苦咸水淡化为含盐量为800一500mg/L的饮用水,其耗电量为skw·H/m3淡水。1988年4月山东潍坊在渤海湾地区建成一座日产淡水loom,电渗析苦咸水淡化站,将含盐量为3500mg/L的苦咸水淡化到含盐量为500mg/L饮用水,总耗电量为.24kw/m3淡水,制水成本为1.1元/时。(2)海水浓缩制盐利用电渗析浓缩海水制取食盐是它的另一方面用途。日本国内制盐基本上都是用电渗析法。电渗析法制盐与常规盐田法制盐相比有许多优点,如占地面积少,约为盐田法的4%一6%,投资仅为盐田法的20%,常备人员为盐田法的5%一or%,而且不受地理环境、气候的影响,易于实现自动化。制盐用离子交换膜对N+a离子必须具有高的选择性和耐氧化性,并且价格适宜,日本旭硝子公司就提供了这种膜。我国在西南地区利用盐泉卤水制盐,盐泉卤水冬浓夏淡,采用电渗析浓缩卤水,使NaCI含量稳定提高到1209/L,与原来采用的单纯熬盐法比较,其产量增加而成本降低。(3)纯水的制备由含盐浓度为几百mg/L的原水制取纯水,传统的方法是采用离子交换法。其原水中盐的浓度越低越适于用离子交换法,而原水浓度高时,离子交换法再生频繁,这样不但要消耗大量酸、碱,还会形成大量酸、碱再生废液污染环境。若采用电渗析法作离子交换的前处理,可脱除原水中大部分盐分,因而可大大减轻后面离子交换的负荷,延长使用周期。把两者的优点结合起来,就产生了很好的技术效果和经济效果。常见的方式有:原水一预处理一电渗析系统;原水一预处理一电渗析-离子交换系统。我国电子工业也开始研究用填充床电渗析制取高纯水,首先用电渗析把含盐量为500mg/L的原水降至蒸馏水的水平,再用电渗析制取出高纯水,这种方法比原来用粒子交换法简单,而且水质纯度高,前景很好。.42电渗析技术在食品和化学工业的应用电渗析技术在医药和食品工业的应用是近年来的一大热点,发展迅速,其主要应用是利用电渗析脱盐或将某一组分分离、提纯出来。电渗析技术在食品工业中应用规模较大,但在医药工业大多数仍处于实验室规模。.42.1食品