1. 引言
在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類日常生活中，水資源是*的生命要素，地球上的水資源大約有2.5%～3.5% 是淡水，而在這部分水中僅有0.3%～0.8% 的水是人類所能直接利用的，*
有12億人口處于缺水狀態(tài)，而又有五億人口處于缺水的邊緣。我國水資源問題主要表現(xiàn)為人均占有量低、分布不均以及污染嚴(yán)重等方面。我國淡水資源總量雖居*六，但人均占有量僅居*109位。目前我國有110個城市嚴(yán)重缺水，主要分布在華北、東北、西北和沿海地區(qū)。水資源的分布不均，以及水資源日益匱乏，促使人類尋求各種脫鹽技術(shù)，用先進(jìn)的技術(shù)來調(diào)節(jié)水資源的質(zhì)量和數(shù)量，使水資源能夠滿足人們生存和發(fā)展的需要。膜分離技術(shù)作為在20 世紀(jì)興起的一種分離技術(shù)，在上世紀(jì)60年代從實驗室到工業(yè)，得以長足的發(fā)展。目前為止，在很大程度上，已經(jīng)緩解了缺水問題。電滲析技術(shù)作為一種膜法水處理技術(shù)，由于其對分離組分的選擇性高，原水回收率高，不污染環(huán)境等優(yōu)點，正受到越來越多的關(guān)注，成為目前水處理的熱點之一。
2. 電滲析的原理
電滲析技術(shù)是在離子交換法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的除鹽方法，是膜分離技術(shù)的一種，它的工作原理相對于反滲透、納濾、超濾、微濾來講，推動力不是壓力差，而是電位差。它將陰、陽離子交換膜交替排列于正負(fù)電極之間。并用特制的隔板將其隔開，組成除鹽（淡化）和濃縮兩個系統(tǒng)，在直流電場作用下，利用離子交換膜的選擇透過性（其實質(zhì)是反擴(kuò)散），一部分水淡化，一部分水濃縮，把電解質(zhì)從溶液中分離出來, 從而實現(xiàn)溶液的濃縮、淡化、精制和提純。與其它膜分離技術(shù)相比，電滲析只需要稍微做預(yù)處理，并且不受壓力的影響，即可以得
到高質(zhì)量的水，另外的一個優(yōu)勢是不需要能量的轉(zhuǎn)換，電能可以直接利用，即使在能量的輸入發(fā)生直接變化時，也可以直接利用。
3. 電滲析技術(shù)的發(fā)展及分類
zui早的電滲析技術(shù)始于1950年，當(dāng)時結(jié)合了電滲析和離子交換法的優(yōu)點逐步發(fā)展起來了填充床電滲析（EDI），它具有不用酸堿再生、產(chǎn)水周期長、耗電少等優(yōu)點，實現(xiàn)了持續(xù)深度脫鹽，使電滲析技術(shù)進(jìn)入了實用階段。早期的電滲析技術(shù)被廣泛應(yīng)用于苦咸水和海水淡化、化學(xué)工業(yè)、廢水處理、食品工業(yè)。其中經(jīng)歷了三大革新：（1）具有選擇性離子交換膜的應(yīng)用；（2）設(shè)計出多隔室電滲析組件；（3）采用頻繁倒極操作模式。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，離子交換膜各方面的性能及電滲析裝置結(jié)構(gòu)等不斷革新和改進(jìn)，在石油廢水處理和天然氣、煤層
氣、煙氣脫硫以及生物工程、醫(yī)藥等新領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好效果，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。
幾種電滲析技術(shù)：
（1）倒極電滲析器（EDR）
倒極電滲析器就是根據(jù)ED 的原理，每隔特定時間（一般為15～20 min），正負(fù)電極極性相互倒換，能自動清洗離子交換膜和電極表面形成的污垢，以確保離子交換膜工作效率的長期穩(wěn)定及淡化水的水質(zhì)水量。EDR包括兩方面內(nèi)容，一是電極極性的倒換，二是電滲析濃淡水進(jìn)出口閥門的切換，可以長期連續(xù)生產(chǎn)合格的淡水。當(dāng)自動運(yùn)行時，系統(tǒng)無須操作便可自動連續(xù)制水。我國EDR技術(shù)的應(yīng)用始于1985年，倒極電滲析器的使用，大大提高了水回收率，延長了運(yùn)行周期。倒極電滲析的缺點是其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜, 故障排除較困難，抗干擾性較差，對安裝地點環(huán)境要求較高，使得倒極電滲析的應(yīng)用在一定程度上受到限制。
（2）填充床電滲析器（EDI）
填充床電滲析器（EDI）是將電滲析與離子交換法結(jié)合起來的一種新型水處理方法，通常是在電滲析器的淡室隔板中裝填陰、陽離子交換樹脂，結(jié)合離子交換膜，在直流電場作用下實現(xiàn)去離子過程的水處理技術(shù)。填充床電滲析的zui大特點是利用水解離產(chǎn)生的H+ 和OH-，自動再生填充在電滲析器淡水室中的混床離子交換樹脂上，從而實現(xiàn)了持續(xù)深度脫鹽。它集中了電滲析和離子交換法的優(yōu)點，提高了極限電流密度和電流效率。由于填充床電滲析中填充的離子交換劑具有降低膜堆電阻、促進(jìn)離子傳輸?shù)奶攸c，一些研究者采用該技術(shù)用于去除廢水中的金屬離子，如從NiSO4溶液中去除Ni2+，處理含Cu2+以及Cr6+ 的溶液。填充床電滲析技術(shù)具有高度先進(jìn)性和實用性，在電子、醫(yī)藥、能源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，可望成為純水制造的主流技術(shù)。
（3）液膜電滲析器（EDLM）
電滲析器中的固態(tài)離子交換膜用具有相同功能的液態(tài)膜來代替，就構(gòu)成液膜電滲析工藝。目前液膜電滲析在國內(nèi)研究較少，但是它能夠?qū)⒒瘜W(xué)反應(yīng)、擴(kuò)散過程和電遷移三者結(jié)合起來，再加上國外大量液膜技術(shù)研究的成功經(jīng)驗，未來將有廣闊的應(yīng)用前景。張瑞華等人利用半透性玻璃紙將液膜溶液包封制成薄層狀的隔板，然后裝入小型電滲析器中進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)做了一系列實驗研究：濃縮和提取化合物（提取鋨、濃縮鉑系金屬、硫氰酸鋅及硫氰酸鑭，回收硫酸和提取硫酸）、合成高純物質(zhì)（合成高純高錸酸銨）、脫鹽（脫除NaCl）。
研究表明，液膜電滲析比傳統(tǒng)的電滲析具有更加的分離效果。
（4）雙極膜電滲析器（EDMB）
雙極膜是一種新型離子交換復(fù)合膜，在直流電場作用下，雙極膜可將水離解，在膜兩側(cè)分別得到氫離子和氫氧根離子，能夠在不引入新組分的情況下將水溶液中的鹽轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的酸和堿。尤其是以雙極膜技術(shù)為基礎(chǔ)的水解離領(lǐng)域成為電滲析工業(yè)中新的增長點, 也是目前增長zui快和潛力zui大的領(lǐng)域之一。目前雙極膜電滲析工藝主要應(yīng)用在酸、堿制備領(lǐng)域，也涉及到環(huán)境、化工、生物、食品、海洋化工和能源等各個領(lǐng)域。另外，在發(fā)展清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)過程中所起到的作用日益顯著。
因為利用雙極膜電滲析進(jìn)行水解離，比直接電解水要經(jīng)濟(jì)得多，雙極膜電滲析器的優(yōu)點是過程簡單，能效高，廢物排放少。以雙極膜為基礎(chǔ)的水解離技術(shù)已成為電滲析技術(shù)目前研究和應(yīng)用的首要目標(biāo)。另外，為了適應(yīng)不同需求，達(dá)到更優(yōu)的處理效果，出現(xiàn)了多種電滲析組合工藝。如：電滲析—離子交換樹脂工藝、電滲析—超濾工藝、反滲透—電滲析—超濾工藝、沉淀—過濾—電滲析—離子交換工藝等。這些工藝各具特色，不僅提高了產(chǎn)水質(zhì)量，克服了每種單一工藝的缺點，而且有效地降低了成本，表現(xiàn)出了比較大的應(yīng)用優(yōu)勢，又具有比較好的處理效果。因此對各種不同特點的廢水，尋求一個合理的組合工藝來區(qū)別對待也是電滲析技術(shù)發(fā)展的方向。
4. 離子交換膜的種類
根據(jù)膜體結(jié)構(gòu)（或按制造工藝）的不同，離子交換膜分為異相膜和均相膜兩種。均相膜的離子交換樹脂與成膜相合為一體，膜結(jié)構(gòu)中只存在一種相態(tài)，不存在相界面。異相膜的制備需要使用粘合劑，使其具有分相結(jié)構(gòu)，含有離子交換活性基團(tuán)的部分與粘合劑部分具有不同的化學(xué)組成，離子交換基團(tuán)在膜內(nèi)的分布是不均勻和不連續(xù)的。從膜的微觀角度看，均相膜的膜孔徑均勻程度以及離子交換基團(tuán)分布的均勻程度均高于異相膜，但是均相膜厚度和膜內(nèi)孔道長度均小于異相膜。另一方面，膜體結(jié)構(gòu)的不同對水解離過程也產(chǎn)生影響。對于同樣高度的樹脂床層，采用均相膜時其離子傳遞速率較大。由于水中較低的離子濃度和淡化室內(nèi)不同位置離子濃度的差異，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的離子濃度梯度，從而促使了水解離反應(yīng)的發(fā)生和床層樹脂的電再生。
雖然在離子脫除過程中，均相膜離子傳遞速率大，但因均相膜的費(fèi)用較高，在很多應(yīng)用中使用起來不經(jīng)濟(jì)，所以，目前來講，在應(yīng)用中以異相膜為主。
5. 電滲析的影響因素
從電滲析的原理可以看出，電滲析需要在直流電場的作用下，以此作為動力，使溶液通過離子交換膜，進(jìn)行淡化處理，以達(dá)到脫鹽的目的。以此看出，電壓、電流是影響電滲析的重要因素，同時，流量與溶液的初始濃度也是影響淡化效率的重要因素。
5.1 電流
電能是電滲析過程中zui主要的傳質(zhì)推動力。因此，電流的大小直接決定著脫鹽過程的速率。濃差極化是電滲析過程中一個極為重要的概念。極化是在電滲析過程中，物料在脫鹽室、濃縮室流動時，離子交換膜與水之間存在一個滯留層，在直流電場作用下，溶質(zhì)發(fā)生定向遷移，在工作電流增加到一定程度時，主體溶液中的離子不能迅速補(bǔ)充到膜的表面，此時膜表面的離子濃度趨于零，引起滯留層中大量水分子電離，并生成H+和OH-離子來負(fù)載電荷，此現(xiàn)象稱為極化。而此時的電流密度也達(dá)到了一個極限值，稱為極限電流。在電滲析過程中，增大電流密度，酸堿濃度會迅速增大，脫鹽的效率也會相應(yīng)增加。因為電流密度增大，所需要的處理時間縮短，同離子滲漏和濃差擴(kuò)散的量較少，產(chǎn)物濃度略有增加。在電滲析過程中，若使用高電流強(qiáng)度將會得出令人滿意的結(jié)果，但是伴隨著濃差極化的發(fā)生，使電流強(qiáng)度的提高受到限制，若操作電流強(qiáng)度高于濃差極化的極限電流強(qiáng)度，往往會出現(xiàn)電流效率下降、能耗上升、pH 紊亂、大量氣泡產(chǎn)生（水電解）、膜發(fā)生沉淀結(jié)垢和堵塞等不良現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電滲析的正常運(yùn)行，電滲析效率下降，并且縮短電滲析器的使用壽命。為強(qiáng)化操作過程，必須選擇適宜的電流強(qiáng)度。因此，對極限電流的研究是極其重要的。不少學(xué)者對極限電流進(jìn)行了試驗研究。采用雙極膜電滲析從琥珀酸鈉中分離琥珀酸, 實驗中考察了不同的操作電流對琥珀酸濃度、電流效率以及能耗等的影響，通過大量實驗進(jìn)行*技術(shù)參數(shù)的研究，zui后選定在2.0A 的*操作電流下，對1L 濃度為0.5mol/L 的琥珀酸鈉進(jìn)行處理. 此時產(chǎn)生的琥珀酸質(zhì)量濃度可達(dá)52.55g/L，平均能耗為3.24kW·h/kg，電流效率可達(dá)88%。利用電滲析技術(shù)處理糠醛廢水過程中對極限電流進(jìn)行了探討，研究發(fā)現(xiàn)：如果極化現(xiàn)象產(chǎn)生將引起膜表面產(chǎn)生沉淀，使膜電阻明顯增大，電流效率、脫酸率、產(chǎn)水量降低也隨之下降，并且使電滲析器的使用壽命大大降低。
5.2 電壓
由于電極間的電阻一定，當(dāng)電極兩端所加的電壓越大，通過溶液的電流就越大，在單位時間內(nèi)就有更多的陰陽離子通過離子交換膜，脫鹽效率也會越大。但是電壓過大，電流也會增大，就會出現(xiàn)濃差極化的現(xiàn)象，另一方面，能耗也會增加。
在電滲析運(yùn)行的過程中，必須保證電壓的穩(wěn)定，電壓發(fā)生變動，會引起水壓突然波動，會使電滲析器隔板移動錯位，造成隔板變形及漏水，使水處理不*，影響后續(xù)一系列活動的進(jìn)行。如果需要切換電壓，必須先停止電滲析的運(yùn)行后再進(jìn)行更換電壓。對不同電壓對出水離子濃度的影響進(jìn)行探討，得出結(jié)論：在一定范圍內(nèi)，電壓越高，淡室的出水中離子含量就越少，離子濃度與電壓呈負(fù)相關(guān)；而濃室的出水中離子含量就越多，離子濃度與電壓呈正相關(guān)。
5.3 流量
在電滲析過程中若流量超過一定的值，會對膜堆造成很大的沖擊，減小膜的壽命，若流量過小，處理效率較低，也會造成膜堆沉淀。但總體來說，增大流量，對溶液的處理時間會變短，提率。另外，隨著流量的提高，極限電流會增大，因為提高流量，流速變大，使脫酸濃縮兩室的溶液攪拌更加激烈，膜與溶液間的界面層的厚度變薄，擴(kuò)散阻力減小，有利于離子的擴(kuò)散和遷移，致使極限電流值增大。所以，尋求合適的流量值，對于電滲析過程也是至關(guān)重要的。
5.4 溶液初始濃度
在處理一定的鹽溶液時，提高初始濃度和增加極室鹽溶液濃度均能降低操作電壓，從而降低能耗。
對初始濃度對電滲析效果的影響進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果表明，在NaCl的初始濃度為5g/L、電壓為9V的情況下，當(dāng)濃度降至0.5 g/L時需要大約65min，而當(dāng)NaCl的初始濃度為10g/L，其它的條件均不變，在溶液濃度再次降至0.5g/L時，所需時間為160min。總之，初始濃度越小，脫鹽效率越高。
上述各種影響因素之間是互相關(guān)聯(lián)的，通過模擬的L- 谷氨酸進(jìn)行電滲析的分離處理，對影響電滲析器極限電流密度的因素進(jìn)行了探討，闡述了設(shè)備的選用、溫度、流量、溶液濃度等因素之間的關(guān)系，得出電滲析器的極限電流密度分別隨著操作物料流量、操作溫度、物料濃稀相進(jìn)料濃度比的上升而上升的結(jié)論。
6. 電滲析的應(yīng)用
6.1 海水、苦咸水淡化
常用的海水、苦咸水淡化技術(shù)主要有蒸餾法及膜法。過去，蒸餾技術(shù)在海水淡化市場占據(jù)主流位置，一是因為這種技術(shù)便于結(jié)合水和電的生產(chǎn)，另外，則因為能源補(bǔ)貼有利于這些高能耗的技術(shù)。不過，近年來，大部分新建的淡化水工廠多采用膜處理技術(shù)，膜技術(shù)主要有反滲透、納濾、電滲析等。由于電滲析技術(shù)在能耗方面較低，去鹽效果好，所以較其它幾種處理技術(shù)具有顯著優(yōu)勢。利用電滲析技術(shù)進(jìn)行海水淡化時，由于受海洋環(huán)境和海水特性的影響，海水淡化工程與其它水處理工程相比，在設(shè)計和施工上差異較大。應(yīng)考慮潮位差、風(fēng)浪、微生物和貝類生長、海水濁度的季節(jié)性變化、細(xì)菌繁殖和有機(jī)物等因素的影響。1981年, 我國在西沙永興島成功建成了日產(chǎn)200噸淡化水的電滲析海水淡化站，采用二組10級一次連續(xù)流程，海水原水含鹽35000mg/L，產(chǎn)出淡水含鹽為500 mg/L， 總電耗為16.5 W·h/t。所謂苦咸水是含鹽量為1000mg/L以上的水，而苦咸水淡化就是降低水中的鹽成分使其達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，用于灌溉或工業(yè)用水，甚至可作為飲用水。在苦咸水淡化方面，反滲透和納濾雖然應(yīng)用相對廣泛，但因其脫鹽率是一定的，無法在同一套系統(tǒng)中實現(xiàn)不同原水水質(zhì)、不同出水要求的轉(zhuǎn)換，不易用同一微咸水淡化系統(tǒng)滿足不同作物灌溉用水要求。而電滲析技術(shù)在苦咸水淡化方面提供了一種可行的方法，它可以通過改變電流、電壓，來滿足不同含鹽量水的要求。電滲析技術(shù)*次出現(xiàn)在文獻(xiàn)中，就是由美國的Ionics 公司制成了世界上*臺電滲析裝置，并用于苦咸水淡化，在電滲析技術(shù)對苦咸水淡化過程中，抑制和控制微溶鹽的結(jié)垢沉淀是十分重要的。目前常用的方法有添加阻垢劑、離子交換軟化、加酸去除進(jìn)水中的碳酸根和重碳酸根以及降低水回收率、避免超過溶度積。
6.2 化工行業(yè)
電滲析技術(shù)在化工行業(yè)的應(yīng)用比較成熟，已取得較大成效。電滲析技術(shù)在工業(yè)廢水處理方面的應(yīng)用有電鍍廢水處理、冶金工業(yè)廢水處理、氯堿工業(yè)廢水處理、造紙工業(yè)廢水處理、放射性生產(chǎn)廢水處理等方面的應(yīng)用。利用電滲析技術(shù)淡化頁巖地層水，并對出水進(jìn)行回收利用，證明了電滲析技術(shù)對地層水的脫鹽是切實可行的分離方法。由于雙極膜電滲析較傳統(tǒng)電滲析有很多優(yōu)點：資源可以循環(huán)利用，耗水少，出水鹽含量明顯較少等，可以把雙極性膜電滲析技術(shù)應(yīng)用于脫鹽處理。分別在間歇模式和連續(xù)操作模式下，對雙極膜電滲析（EDBM）與發(fā)酵罐原位集成的可行性進(jìn)行了考查，接著又進(jìn)行了電滲析技術(shù)對氮磷的資源化，結(jié)果證明雙極膜電滲析技術(shù)對氮磷的回收利用是可行的。分別利用傳統(tǒng)電滲析及雙極膜電滲析對ZnO 洗滌液進(jìn)行淡化，主要針對溶液中的氯離子的去除，取得了較為滿意的效果。
另外，電滲析技術(shù)在處理沸點相差較小的物質(zhì)分離時，較反滲透、超濾、微濾比較有優(yōu)勢，如醇類與水的沸點相差較小。若采用傳統(tǒng)的精餾分離或其它膜技術(shù)將十分困難。電滲析具有脫除和濃集離子的雙重功能，在許多應(yīng)用上，電滲析技術(shù)則顯得較為方便并能夠達(dá)到理想的分離效果。
6.3 食品行業(yè)
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電滲析技術(shù)在食品行業(yè)中的應(yīng)用是近年來的一大熱點，而且發(fā)展非常迅速。
它不僅可以提高產(chǎn)品的純度，而且還能有效地脫除酸、鹽等雜質(zhì)，使食品的質(zhì)量得到保證，并能夠保持原有的營養(yǎng)成分。電滲析技術(shù)在食品方面的應(yīng)用有牛乳、乳清的脫鹽、果汁的去酸、食品添加劑的制備等。利用電滲析技術(shù)對大豆低聚糖溶液進(jìn)行脫鹽，經(jīng)過電滲析處理后，脫鹽率可以達(dá)到96.07%，低聚糖的保留率達(dá)到83.82%。因此認(rèn)為，利用電滲析法對大豆低聚糖的粗提液進(jìn)行脫鹽處理具有一定的可行性，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步在實際工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用。采用電滲析技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的離子交換樹脂工藝對蘋果汁生產(chǎn)過程中所加入的無機(jī)鹽進(jìn)行脫除，取得了滿意的效果。
6.4 醫(yī)藥行業(yè)
目前膜技術(shù)日臻成熟，已開始應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域，如臨床用于血透、血液凈化、親和過濾、腎透等。為醫(yī)藥生產(chǎn)的提取、分離、濃縮、純化一體化工程技術(shù)的解決提供了保證, 為提高醫(yī)藥生產(chǎn)企業(yè)的整體水平奠定了基礎(chǔ)。而電滲析技術(shù)作為膜技術(shù)的一種，在醫(yī)藥工業(yè)方面的應(yīng)用主要有制備制藥用水與注射用水，皮膚給藥工藝，電滲析排毒儀，制備各種藥品等方面。此外，由于一般制藥廠廢水中都含有大量的有機(jī)物及氨基酸等具有回收價值的物質(zhì)，電滲析技術(shù)還可用于制備分離提純甘氨酸（可用作藥物溶劑、緩沖劑解毒劑等）、亞氨基二乙酸（順
鉑類抗癌藥物的重要原料）等各種藥物的原料。制備了P-二茂鐵-SA/ 乙酰基二茂鐵-CS 雙極膜，并利用該雙極膜將五氯吡啶脫氯，成功制備了2,3,5,6- 四氯吡啶，同時也對環(huán)境污染嚴(yán)重的五氯吡啶廢物進(jìn)行了處理。但是電滲析自身的一些局限性，進(jìn)入食品和醫(yī)藥行業(yè)，消毒仍然是一個重要問題，今后在這方面應(yīng)重點研究的課題有:有較好的溫度穩(wěn)定性的膜、較好的雙極膜、蒸汽消毒膜、抗污染膜。
6.5 生物發(fā)酵行業(yè)
電滲析技術(shù)在生物工程方面的應(yīng)用主要有蛋白質(zhì)的分離和氨基酸廢水的處理。電滲析脫鹽速度快，脫鹽率可以很好地控制，蛋白質(zhì)損失少，而且脫鹽的規(guī)模易于擴(kuò)大，電滲析過程中蛋白質(zhì)不是被稀釋,而是在脫鹽的過程中同時被濃縮。鑒于以上優(yōu)點，近年來電滲析技術(shù)在生物工程方面的應(yīng)用越來越廣泛。運(yùn)用電滲析方法對模擬發(fā)酵液進(jìn)行脫鹽處理，在選定的操作條件下，模擬發(fā)酵液的脫鹽率及氨基酸的回收率均>85%，同時可去除絕大部分的乳酸和少量的葡萄糖，從而達(dá)到了很好的分離效果。在生物冶煉過程中進(jìn)行了單一的酸性氨基酸的分離。通過改變脈沖電流密度，成功的對蛋白質(zhì)溶液進(jìn)行了分離實驗。但是，電滲析技術(shù)在用于蛋白質(zhì)等生物大分子的脫鹽時，由于電滲析膜的孔徑較小，基本上所有的生物大分子都不能穿過膜。因此它不能用于分子量較大的蛋白質(zhì)之間的分離。