电渗析法

电渗析法是利用膜分离技术进行水质净化的一种方法。在直流电场作用下，溶液中的阴、阳离子通过具有离子选择透过性的渗析膜进行定向迁移，从而达到溶液中物质分离的目的。根据渗析膜选择性能的不同，电渗析可分为非选择性膜电渗析和选择性膜电渗析。目前研究和应用选择性膜电渗析较多。盐水淡化（或浓缩）就是利用离子渗析膜的选择透过性，使溶液中阴、阳离子在电场作用下，定向迁移而进行的。
电渗析基本原理 以多层膜电渗析器脱盐为例，如下图所示，阴、阳渗析膜连续交替排列，在膜与膜之间放置具有通道的隔板，组成若干个相互独立的隔室。各室通入含盐的原水，在膜堆的两端设置电板并接上直流电源。在直流电场作用下，1、3室（淡化室）原水中的阳离子透过阳膜C向阳极迁移，进入一侧浓室；同时阴离子透过阴膜A向阴极迁移，进入另一侧浓室。1、3室中离子不断迁移，浓度不断减低，进入淡化室的原水因此被脱盐而淡化。相反在电场作用下，2、4室（浓缩室）中的阳、阴离子在向阴、阳极迁移时分别被阴、阳膜拦阻，而相邻淡化室中的阳、阴离子却源源不断地迁入，以至2、4室中的阳、阴离子浓度不断增加而浓缩。
电渗析的这种行为过程被称为反离子迁移。
电渗析设备的组成 电渗析设备主要由电渗析器和辅助设备两大部分组成。电渗析器又可分成膜堆、极区和夹紧装置三部分；辅助设备包括整流器、水泵、过滤器、计量测压等控制仪表；膜堆是由交替排列的阴、阳离子交换膜和浓、淡室隔板组合而成，是电渗析器脱盐的主要场所。极区包括电极、极水框和保护室，其作用是供给直流电，通入并引出极水，排出电极反应产物等，保证电渗析器正常工作。夹紧装置一般由压紧板及螺杆组成。

电渗析工作原理图
A阴膜C阳膜

离子交换膜是用具有离子交换性能的高分子材料制成的薄膜。离子交换膜由基膜和活性基团构成。基膜材料常用聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或聚氯乙烯等高分子化合物。活性基团是由具有交换作用的阴（阳）离子和与基膜连接的阳 （阴） 离子所组成。含酸性活性基团如磺酸基(-SO₃H)、膦酸基(-PO₃H2)、羧酸基(-COOH)及酚基()等的离子交换膜，称为阳离子选择性透过膜，它们能选择阳离子使之透过而不让阴离子透过。含碱性活性基团如季铵碱基[-N(CH₃)₃OH]、伯胺碱基(—NH2)、仲胺碱基(—NHR)、叔胺碱基(—NR2)等的离子交换膜，称为阴离子选择性透过膜，它们能选择阴离子使之透过而不让阳离子透过。
离子交换膜是电渗析器的关键部分，膜性能的好坏将直接影响电渗析器的脱盐效果、电能消耗及使用寿命等技术经济指标。实用的离子交换膜应具备：
❶良好的选择透过性：膜的交换容量(以每克干膜所含交换基团的毫克当量数来表示，mEq/g干膜)和交联度（指构成膜的高分子化合物中所含交联剂的百分率）愈大，则选择透过性愈好。实用离子交换膜的选择透过度要大于90%，既使在高浓度电解质溶液中仍有良好的选择透过性；
❷较小的膜电阻： 膜的导电性将直接影响电渗析器的操作电压和电能消耗，而一台电渗析器往往有数百对膜组成，因此降低膜电阻对提高电渗析运行的经济效益有显著作用；
❸较好的化学稳定性：膜的耐化学腐蚀性、耐氧化性和耐高温性是直接影响膜的使用范围和期限的一个重要因素，一般要求膜在使用环境中至少连续运行一年以上，且其性能很少变化；
❹较高的机械强度：实用膜表面应平整光滑、无孔洞、无裂缝，能适应工作过程中压力的变化而不破裂；
❺较好的尺寸稳定性：膜在溶液中的膨胀性应尽可能小且均匀，并在使用中不因溶液浓度、温度的变化而变形；
❻较低的扩散性能：选用含水率较低、交联度较高的膜，其防扩散性能较好；
❼价格便宜，使用寿命长。隔板是组成膜堆的另一重要部件。它作为膜堆的支撑体，起分隔阴、阳膜的作用，使之保持一定的距离，同时构成浓、淡隔室。此外，作为水流通道，应使两层膜间的水流均匀分布，起到湍流搅拌作用以减少膜表面的滞流层，促进离子扩散，从而提高脱盐效率和降低电能消耗。
电极质量的好坏会直接影响电渗析器的效果和运转周期长短，因此要求材质导电性能好、机械强度高、化学和电化学稳定性强、能耐电极反应产物对其的强烈腐蚀，以及价格低廉、加工方便。
过滤器是电渗析器长期稳定安全运行的主要预处理辅助设备。常用过滤器有砂滤器、废树脂过滤器、活性炭吸附过滤器、微孔管过滤器及超细纤维过滤器等。为防止原水中悬浮物堵塞电渗析器的水流通道和胶体附着在膜上，进入电渗析器的原水必须满足：
❶浑浊度<1.0～3.0mg/L;
❷COD<2.0mg/L;
❸细菌总数≯100个/ml;
❹Fe<0.3mg/L、Mn<0.1mg/L。原水预处理的效果对电渗析器的效率、运转周期和出水水质有很大影响，因此可根据原水水质、处理量及电渗析器的结构组装形式等选择合理的过滤方法及设备。
电渗析器的技术性能及其应用 电渗析器的主要技术性能包括：
❶产水量： 单台电渗析器的淡水产量，m³/h;
❷脱盐率： 经电渗析处理后除去的盐量占原水含盐量的百分比；
❸电流效率： 通入电渗析器的电流在除盐过程中的有效利用率，即从原水中除去等量盐类物质时所需理论耗电量与实际耗电量之比；
❹耗电量：电渗析脱盐时本体直流电耗及动力电耗之和，kWh/m淡水。
影响电渗析器性能的因素是多方面的，其中有原水的物理化学性质；隔板的水力学特性；离子交换膜的选择透过性、膜电位、含水率等膜的物理化学性能； 膜堆组件及电极区组件的材料、形状和几何尺寸等； 预处理的程度、效果以及直流电源的形式等。电渗析运行中的极化和沉淀是电渗析效率下降的重要原因。
五十年代初，电渗析跨入工业应用阶段。随着膜技术的开发和组件性能的不断提高，电渗析技术日趋成熟，显示出下列优点：
❶脱盐范围从每升数十毫克降至每升数百毫克，电渗析法在各种脱盐手段中是最经济合理的，尤其在水资源污染严重，淡水日益匮乏的状况下，电渗析可用于开发生活污水和工业废水作为二次资源；
❷水的回收率可达70～90%，与反渗透法相比，原水利用率较高；
❸电渗析法没有离子交换法的树脂再生问题，可节约大量酸、碱，没有反渗透法的高压噪声问题，也没有蒸馏法的排水、排热问题；
❹与反渗透法相比。电渗析操作方便、方法稳妥，有利于自动化，且设备紧凑、占地小。
电渗析法也存在一些缺点，如：
❶对离解度小的盐类，脱盐效果很差，对非电解质的有机物更是无能为力；
❷当原水含盐量低于200～300mg/L时，膜及溶液的电阻率增加，极限电流密度降低，导致淡水产量降低，单位脱盐量的电耗增加；
❸当原水含盐量过高时，极室很容易产生沉淀，淡水室的膜表面也易极化，影响脱盐效率，增加运转成本，故其脱盐范围小于反渗透法；
❹电渗析的极化沉淀不仅使电流效率下降，电耗增加，而且影响膜的使用寿命、出水水质和电渗析器的正常安全运行；
❺由于离子交换膜尤其是阴膜，具有较高的敏感性，易受悬浮物、微生物、有机物和重金属离子的污染而发生“中毒”，使膜电阻增加，水流不畅，从而影响电渗析器的正常运转。
电渗析可用于海水淡化，工业用水处理、城市污水三级处理，以及电镀、造纸和化纤等工业废水的处理。