1電滲析概念與原理
1.1概念
利用半透膜的選擇透過性來分離不同的溶質(zhì)粒子的方法稱為滲析。在電場作用下進行滲析時,溶液中的帶電的溶質(zhì)粒子通過膜而遷移的現(xiàn)象稱為電滲析。利用電滲析進行提純和分離物質(zhì)的技術(shù)稱為電滲析法,它是20世紀50年代發(fā)展起來的一種新技術(shù),最初用于海水淡化,現(xiàn)在廣泛用于化工、輕工、冶金、造紙、醫(yī)藥工業(yè),尤以制備純水和在環(huán)境保護中處理三廢最受重視,例如用于酸堿回收、電鍍廢液處理以及從工業(yè)廢水中回收有用物質(zhì)等。
1.2原理
電滲析基本工作原理是在直流電場的作用下,以電位差為推動力,利用離子交換膜的選擇透過性,把電解質(zhì)從溶液中分離出來,從而實現(xiàn)溶液的淡化、濃縮、精制或純化的目的。電滲析原理圖如圖1-1所示。
電滲析裝置通常由離子交換膜、電極和夾緊裝置三部分組成。電滲析過程的實質(zhì)是電解質(zhì)離子在兩股液流間的傳遞,其中一股液流失去電解質(zhì),成為淡化液,另一股液流得到電解質(zhì),成為濃縮液。因此,電滲析過程脫鹽溶液中的離子以兩個基本條件為依據(jù):
1.在直流電場的作用下,使溶液中的陰、陽離子作定向移動;
2.離子交換膜的選擇透過性使溶液中的離子作反離子遷移。
電滲析工藝的電極和膜組成的隔室稱為極室,其中發(fā)生的電化學反應與普通的電極反應相同。陽極室內(nèi)發(fā)生氧化反應,陽極水呈酸性,陽極本身容易被腐蝕。陰極室內(nèi)發(fā)生還原反應,陰極水呈堿性,陰極上容易結(jié)垢。
2文獻報道及專利申請狀況
2.1專利申請情況
利用中國知網(wǎng)對近十年內(nèi)電滲析技術(shù)用于處理含酸/堿溶液的專利申請情況進行了檢索并匯總(國內(nèi)專利),結(jié)果如圖2-1所示。
從檢索結(jié)果可知,有關(guān)電滲析技術(shù)在含酸/堿溶液方面的應用,申請的專利很少。近十年來,電滲析在酸液廢水中應用的專利大概有19項,而電滲析在堿液廢水中的應用大概有22項,并且電滲析在堿液廢水中應用的相關(guān)專利是在近5年內(nèi)才出現(xiàn)的。
2.2文獻發(fā)表情況
利用中國知網(wǎng)對近十年內(nèi)電滲析技術(shù)用于處理含酸/堿溶液的文章發(fā)表情況進行了檢索并匯總(國內(nèi)期刊),結(jié)果如圖2-2所示。
從檢索結(jié)果可知,有關(guān)電滲析技術(shù)在含酸/堿溶液方面的應用,發(fā)表的文章也不多,但呈現(xiàn)出增多的趨勢。
以上結(jié)果說明電滲析技術(shù)在含酸/堿廢水中的應用屬于新技術(shù),可以作為工業(yè)水處理的儲備和前瞻性技術(shù)。
3電滲析技術(shù)的各種應用
3.1中高溫電滲析工藝
電滲析器進水溫度對脫鹽率的影響很大。隨溫度升高,水的黏性下降,從而水中離子的擴散加快,膜及溶液的電導率上升,有利于離子遷移和透過離子交換膜,從而提高電流密度,降低處理費用,增加脫鹽率。但溫度的升高上限還要由電滲析器的耐受程度決定,當溫度升至40-50℃時,陰離子交換膜易分解,聚氯乙烯隔板也易變形。此外,水溫低于5℃時,電滲析脫鹽率明顯下降,且接近損壞離子交換膜的溫度。所以電滲析器溫度一般控制在5-40℃的中高溫范圍內(nèi)。
3.2倒極電滲析(EDR)工藝
EDR工藝是我國根據(jù)ED原理于1982年研制成功的一種新工藝,它每隔一定時間(一般為15-20min),倒換正負電極極性(頻繁倒極),這樣能自動清洗離子交換膜和電極表面的污垢,確保淡水的水質(zhì)水量、離子交換膜穩(wěn)定運行和濃水排放量最少,倒極電滲析原理如圖3-1所示。
EDR系統(tǒng)是由電滲析本體、整流器及自動倒極系統(tǒng)三部分組成,其倒極操作程序如下:
1.轉(zhuǎn)換直流電源電極的極性,使?jié)狻⒌一Q,離子流動反向進行;
2.轉(zhuǎn)換進出水閥門,使?jié)狻⒌业墓┡潘到y(tǒng)互換;
3.極性轉(zhuǎn)換后持續(xù)1-2min,將不合格淡水歸入濃水系統(tǒng),然后濃、淡水各行其路,恢復正常運行
3.3雙極膜電滲析(EDMB)工藝
EDMB工藝是一種獨特的電滲析過程。它通常由陽離子和陰離子交換膜疊合在一起形成,這兩種膜的通道構(gòu)成一個含水的中間層,在電場的作用下,首先將可能存在的離子遷移出中間層,然后通過解離水的作用在膜的陰、陽兩側(cè)分別產(chǎn)生H+離子和OH-離子。其更大的特點是可與其他陰離子交換膜、陽離子交換膜進行巧妙組合,組成許多獨具特點的雙極膜電滲析工藝。與電解脫水法相比,能耗大大降低,并能從鹽溶液中生成等摩爾的酸和堿,所以此技術(shù)可用于廢酸、廢堿等物質(zhì)的再生和利用,降低物質(zhì)和能源的消耗,減低廢物排放,消除環(huán)境污染以及為某些酸和堿的分離與制備提供新的途徑,雙極膜電滲析的圖原理如圖3-2所示。
3.4填充床電滲析(EDI)工藝
填充床電滲析又稱電脫離子法,是將離子交換膜與離子交換樹脂有機地結(jié)合在一起,在直流電場的作用下實現(xiàn)除去水中已電離的或可電離的物質(zhì)的一種新型水處理技術(shù)。它利用電滲析過程中極化現(xiàn)象對離子交換填充床進行電化學再生,它巧妙地集中了電滲析連續(xù)脫鹽與離子交換樹脂深度脫鹽這兩種方法的優(yōu)點,并且克服了它們的缺點,即電滲析過程的濃差極化現(xiàn)象和離子交換的化學再生過程。一般水中含鹽量為(50-15000mg/L)時都可使用,而對含鹽量低的水更為適宜。這種方法基本能夠除去水中全部離子,所以它在制備高純水及處理放射性廢水方面有著廣泛的用途。EDI過程原理如圖3-3所示。
3.4離子交換膜為基礎(chǔ)的電滲析技術(shù)及應用
以離子交換膜為基礎(chǔ)的電滲析技術(shù)及應用如表3-1所示。
4電滲析技術(shù)在廢水處理方面的應用
電滲析技術(shù)自20世紀50年代問世以來,已有近50多年歷史。目前電滲析技術(shù)已廣泛應用于海水淡化、苦咸水淡化、超純水制備、工業(yè)廢水回收再利用,以及化工過程中的物質(zhì)分離、濃縮、提純、精制等,例如用電滲析法處理若干電鍍液,在氧化鋁生產(chǎn)中回收堿、鋁與工業(yè)水回用,從廢酸水中回收酸,處理含劇毒氰化物廢水,自來水脫氯等。具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
電滲析可以用于廢酸廢堿及含鹽廢水的處理。污染控制與資源化研究重點實驗室對采用離子膜電解法對處理環(huán)氧丙烷氯醇化尾氣堿洗廢水進行了研究。在電解電壓5.0V時,循環(huán)處理3h,廢水COD去除率可達78%,廢水中堿回收率可達73.55%,為后續(xù)生化單元起到良好的預處理作用。齊魯石油化工公司利用電滲析法處理高濃度復合有機酸廢水,濃度為3%~15%,無廢渣及二次污染,得到的濃溶液含酸20%~40%,可以回收處理,出水中含酸量可降至0.05%~0.3%。川化股份有限公司采用特殊電滲析裝置處理冷凝廢水,更大處理量為36t/h,濃水中硝酸銨體積百分比含量為20%,回收率達96%以上,合格淡水排放水中氨氮質(zhì)量分數(shù)含量≤40mg/L。工業(yè)排放的稀乙酸廢水中乙酸的含量在1%以下,回收廢水中稀乙酸的方法有萃取分離法、生化處理法、吸附法以及電膜分離法。ED法可以將廢水中乙酸濃度從2.5%濃縮到20%。雙極膜ED法可以將含質(zhì)量分數(shù)為0.2%乙酸廢水中的乙酸有效清除,廢水中乙酸濃度可以被濃縮到36%以上。用改性異相膜ED處理化纖廠去酸水,可把酸和鹽濃縮到了200g/L,再進行多效蒸發(fā)可回收多余的Na2SO4,經(jīng)ED濃縮的H2SO4和ZnSO4溶液可返回凝固浴再用。廢水淡化后,溶解固體降到0.7g/L以下,無硬度,返回生產(chǎn)用作洗滌水。在電流密度24mA/cm2,濃淡水濃度比在10左右時,膜的鹽遷移量為0.4kg/(m2?h)左右。溶液遷移量濃縮時為1770mL/(m2˙h),脫鹽時平均為396mL/(m2?h)。濃縮1t鹽的耗電量在300kWh,回收水溫在(35±2)℃的軟化水耗電10~13kW˙h/m3水。波蘭Dykuskikafal利用電滲析將硫酸鈉廢水電化學分解成硫酸和氫氧化鈉,產(chǎn)物均可返回流程,該法已工業(yè)化。日本KimuraToru等用電滲析回收了處理鋁印刷板表面的酸性廢水,并申請了專利。
此外,由于產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝的原因,排放的工業(yè)廢酸中常含有各種金屬離子,ED法也可以實現(xiàn)金屬離子和廢酸的回收。對于含銅、鐵、鎳離子的硫酸廢水,即使硫酸質(zhì)量濃度高達200g/L,金屬離子質(zhì)量濃度高達59%。
然而,需要注意的是,電滲析法對進水有一定的要求。這是因為進水中的一些有害成分會對電滲析產(chǎn)生危害,主要表現(xiàn)在以下四個方面:
1.在設(shè)備的水流通道和空隙中產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象,水流阻力的不均勻改變也會使?jié)馑液偷抑械乃畨翰幌嗟龋瑖乐貢r會使膜面破裂。水中夾帶的沙粒也會使膜產(chǎn)生機械性破損。
2.水流通過電滲析隔板時,水中懸浮物附在膜面上,成為離子遷移的障礙,促使膜電阻增加和水質(zhì)惡化。電滲析膜是細菌的有機養(yǎng)料,水中所含細菌轉(zhuǎn)移到膜面上繁殖,也會產(chǎn)生上述后果。
3.水中帶極性有機物被膜吸附后,會改變膜的極性,并促使膜的選擇透過性降低,膜電阻增加。
4.高價金屬離子(如鐵、錳)會使離子交換膜中毒;游離氯使陽膜產(chǎn)生氧化,進水硬度高時會導致極化的沉淀結(jié)垢。
故進電滲析器水的主要處理對象是天然水中的懸浮物質(zhì)和膠體物質(zhì),其中包括無機物質(zhì)、有機物質(zhì)和細菌。