电渗析（ED）技术和电去离子技术（EDI）的应用研究

杨飞黄（河北省众联能源环保科技有限公司，河北 石家庄 050031）

电渗析（ED）技术和电去离子技术（EDI）的应用研究

杨飞黄
（河北省众联能源环保科技有限公司，河北 石家庄 050031）

摘 要：电渗析技术是膜分离技术之一，具有低能耗、高效率、连续运行、环境友好等显著优点，在多个行业具有广泛的应用。电去离子技术是在普通电渗析的基础上发展起来的，广泛应用于纯水和超纯水的制备。本文着重介绍了电渗析技术和电去离子技术在水处理、食品和化工等方面的应用，并简要探讨了电渗析技术及其发展前景。

关键词：电渗析；电去离子；离子交换膜；应用

1 电渗析技术的简介

电渗析是在外加直流电场的作用下， 利用离子交换膜的选择透过性， 使离子从一部分水中迁移到另一部分水中的物理化学过程。ED作为一种工业技术，其真正发展时期是从1950年美国人W·Juda发明了对阴、阳离子分别具有选择透过性能的阴、阳离子交换膜后才开始的。我国的ED技术起步于1958年，中科院化学研究所研制出了纸质均相阴、阳离子交换膜，此膜曾用于从自来水ED脱盐制取初级脱盐水。

2 电渗析原理

ED是在直流电场作用下溶液中带电离子通过半透膜的迁移过程，是一种物质分离方法，其中离子交换膜和直流电场是ED分离方法不可缺少的两个条件。电渗析主要用于水溶液脱盐或浓缩。ED脱盐原理如图1所示。

图1是由阳、阴膜交替排列在一对阴、阳电极之间构成的电渗析槽，有10个隔室。将NaCl溶液分别通入这10个隔室中，加直流电压。在电场力作用下，带正电荷的Na+离子和带负电荷的Cl-离子将分别向阴、阳两极移动。因为离子交换膜对离子具有选择透过性，水中所有的Na+离子向阴极移动时和所有的Cl-离子向阳极移动时，2，4，6，8，10室中的Na+离子和Cl-离子分别通过阳膜和阴膜到各自邻室，从而达到脱盐的目的。因此，2，4，6，8，10室称为淡化室或脱盐室，从淡化室汇总出来的水称为淡水或脱盐水；1，3，5，7，9室中的Na+和Cl-离子在迁移过程中被阴阳膜阻挡而留在本室中。这样，它们与来自两边邻室的Na+离子和Cl-离子一道而构成浓缩水，因此，1，3，5，7，9室称为浓缩室，从浓缩室汇总出来的水称为浓水或浓缩水。

图1 ED脱盐的基本原理图

图2 EDI除盐过程示意图

3 电渗析技术的应用

（1）微咸水和咸水脱盐

ED作为发明最早的脱盐技术，除了针对膜污染进行研究，还研制出了倒极电渗析技术。尽管倒极电渗析技术在世界微咸水和咸水脱盐中还发挥作用（如大钦岛苦咸水淡化和沧州农村苦咸水淡化），但是其所占份额相对较少。另外，ED制备的出水水质较差，能耗较高，所以竞争力逐渐减弱；而反渗透虽然能耗低，出水水质好，但是其回收率较低，且浓水易造成二次污染。反渗透-电渗析耦合脱盐突破了回收率的限制，因为使用ED可以有效的缓解浓差极化、降低反渗透膜-水界面的渗透压以及降低能耗。同时这种耦和技术能耗低，可有效避免浓水导致的二次污染。Korngold等发现ED可以将0.2%-2%的浓盐水浓缩到12%-20%，能耗约为1.5-7.1kWh/m3，与蒸发浓缩能耗（25kWh/ m3）相比低的多。

（2）回收金属表面处理工艺废水中的重金属

ED可用于回收金属表面处理工艺废水中的重金属镍，该工艺是由旭硝子公司开发的（Itoi等，1986）。镀镍工艺包括若干步淋洗步骤。在该工艺中，从第一淋洗段流出的溶液浓度高，这样，通常将流出液返回电镀浴并将最后工段的流出液排放掉。为了提高Ni的回收率和降低来自最后淋洗段的废水中Ni含量，将ED段流程设计为在第一淋洗段中收集Ni离子并将其返回到电镀浴中。

（3）化工分离

随着市场对产物纯度要求的日益严格，分离投资和操作费用逐渐增加，废液处理量和处理费用也随之增加。针对适宜的物系ED技术则可以降低分离投入、提高产率以及减少环境污染。ED在化工操作中可以灵活的集成，既可以在反应后进行分离，也可以在反应过程中进行分离。

图3 混合填充膜堆淡室部分

图4 分层填充膜堆淡室

图5 分置式工作流程

4 电去离子技术

4.1 电去离子技术简介

电去离子技术也叫填充床电渗析，英文缩写EDI，就是在电渗析器的淡水室中装填阴、阳离子交换剂（包括树脂、纤维或其它形状的离子交换材料）的一种电渗析技术。

4.2 电去离子技术原理

EDI技术利用离子交换树脂和离子交换膜的特点，在直流电场作用下实现连续去除离子以及树脂再生。它具有以下优良特性：（1）保留了ED可以连续脱盐和离子交换树脂可以深度脱盐的优点；（2）改善浓差极化造成的不良影响；（3）避免了由于使用酸碱再生离子交换树脂而产生的环境污染。

EDI工作原理如图2所示。

填充材料的选择是EDI的关键技术，离子交换树脂和离子交换纤维是EDI膜堆主要的填充材料，具有离子吸附、交换的作用。填充材料应满足交换容量高、交换速度快、水流阻力小、导电能力强、强度高、无溶出物等性能。

离子交换树脂的填充方式主要包括：均匀混合式填充、两层式填充、交错多层式填充和分置式填充。均匀混合式填充是把阴、阳离子交换树脂按一定比例（通常为体积比）混合均匀后填充到淡室中。两层式填充是按水流动的方向把阴、阳树脂分上、下两层填充在淡室中。分层式填充是把阴、阳离子交换树脂分别按照一定厚度交错排列成许多层填充在淡室中。分置式填充方式是在阳淡水室（阳极板和阳膜直构成的隔室）填充阳离子交换树脂；在阴淡水室（阴极板和阴膜构成的隔室）填充阴离子交换树脂，阳膜阴膜之间构成了浓水室，原溶液水流首先经过阳室再进入阴室，产水从阴室流出，浓室进水通过浓室后直接外排，此种填充方式先天的缺陷较多，整体技术不成熟。混合填充、分成填充和分置式填充形式分别如图3、图4和图5所示。

4.3 电去离子技术的应用

（1）纯水和超纯水的制备

传统的纯水制备方法主要有蒸馏和离子交换，蒸馏方法能耗高，效率低；离子交换方法需要消耗大量的酸碱溶液和清洗水，劳动强度大。EDI过程不仅可以使离子交换树脂进行连续电再生，同时可减少环境污染，而且设备结构简单、操作方便、高效节能、劳动强度低、出水纯度高。

（2）化工产品的纯化与浓缩

Myriam等采用填充纤维织物的EDI装置纯化含P2O5浓度11%的工业磷酸溶液，处理5h后，浓缩工业磷酸中P2O5浓度高达58%，而且除Fe金属离子外，Mg2+、Cr3+、Cd2+、Zn2+等离子的去除率均达到30%，为更高浓度的工业磷酸分离纯化奠定了坚实的基础。

综上所述，随着新型离子交换膜及离子交换树脂的开发和利用，必将促进EDI技术将在更多领域得到广泛应用。如电渗析系统有可能代替氯气，成为水处理一种新型实用灭菌方法。同时，该技术在皮肤给药、电渗析排毒仪、海藻中提取碘、络合酮脱盐、电泳涂漆和甲基丙烯聚合等方面也具备了一定的研究基础和应用条件。因此，电渗析技术的应用前景十分广阔。

参考文献

[1] Valero F， Barceló A， Arbós R. Electrodialysis technology： theory and applications[J]. Desalination， trends and technologies， InTech， 2011： 3-20.

[2] Pellegrino J， Gorman C， Richards L. A speculative hybrid reverse osmosis/ electrodialysis unit operation[J]. Desalination， 2007， 214（1）： 11-30.

[3] Bazinet L. Electrodialytic phenomena and their applications in the dairy industry：a review[J]. BFSN， 2005， 44（7-8）：525-544.

[4] Kunin R， Myers R J. Ion Exchange Resins[M]. New York： John Wiley&Sons， 1950，109.

[5] Walters W R， Weiser D W， Marek L J. Concentration of Radioactive Aqueous Wastes. Electromigration Through Ion-Exchange Membranes[J]. Industrial & Engineering Chemistry， 1955， 47（1）：61-67.

中图分类号：X703

文献标识码：A

作者简介：杨飞黄（1981-），男，汉族，河北保定人，硕士研究生，工程师。研究方向：水污染防治、土壤污染防治、工业节能技术等。