电渗析工艺简介

今天的主题是电渗析工艺，主要从原理与分离特性、组成结构和工艺计算这几个方面来进行介绍。内容可能有点长，可以分开阅读。

电渗析原理与过程

电渗析原理

在直流电场的作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中的阴、阳离子的选择透过性，分离溶质和水，此过程即为电渗析。

电渗析结构

电渗析过程

通过阳极和阴极在装置两侧施加直流电场，阴、阳离子交换膜则交替排列在阳极和阴极之间，两种膜之间用特制的隔板隔开，隔板内则有水流的通道。

在阴离子交换膜和阳离子交换膜之间通入含盐水，在直流电场的作用下，水中的阴阳离子就会发生移动，其中阳离子向阴极方向移动，阴离子向阳极方向移动：

电渗析 离子移动过程

但是由于阳离子交换膜只允许阳离子通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过，这样就会使一部分隔室内的离子浓度减少，这样的隔室也称为淡室，淡室中出水为淡水；而另一部分隔室的离子浓度则会增加，称之为浓室，出水为浓水。

在整个过程中，除了含盐水得到淡化外，电极室还会发生电极反应：

电渗析种电极室内的反应

阴极室内溶液呈碱性，当水中含有高浓度硬度离子时，还可能会结垢；阳极室通常呈酸性，可能会对电极产生腐蚀作用。

离子交换膜的选择透过性

电渗析工艺对水中阴、阳离子的选择性，与所采用的离子交换膜的选择透过性室密切相关的。

与离子交换树脂类似，离子交换膜由基膜和活性基团两大部分组成，其中基膜为立体网状结构的高分子化合物，活性基团则是由具有交换作用的离子和与基膜相连的固定离子所组成的。

离子交换膜根据基团带电的不同，分为阴离子交换膜和阳离子交换膜：

阴阳离子交换膜

然后我们以阳膜为例，介绍一下离子交换膜选择透过性的机理：

阳离子交换膜结构

在阳膜中有高浓度的带负电的固定离子，这些固定离子是与基膜相结合的，因为电中性的原因，这些负电荷会被周围流动的反离子（正离子）平衡；由于静电的相斥作用，阳膜中的固定离子将会阻止同电荷离子（负离子）进入阳膜内。

因此在电渗析的过程中，只有反离子才可能会在电场的作用下进入膜内，然后移动并渗透通过膜，而膜内可移动的同电荷离子的浓度则很低。

以上机理的主要内容，也就是英国物理化学家Donnan（译作道南或唐南）在1911年论述的Donnan排斥效应。离子交换膜则是以这种效应为基础，选择性的让离子通过。

作为离子交换膜重要的性质，还是以阳膜为例，我们再看一下选择透过性的表征方式：

阳膜的选择透过性表征方式

如果想要较高的选择透过性，那么需要t+‘=1，即P+=100%但是这个要求太过于理想化了，毕竟现实很骨感，一般来说，实际使用中阳膜对阳离子选择透过率＞0.9，对阴离子的选择透过率＜0.1就可以了。

电渗析器的构造与组装

电渗析器构造

说完了电渗析的原理和交换膜的分离特性之后，我们再来看一下电渗析器的构成。电渗析器的主体包括膜堆、极区和紧固装置：

电渗析器的构成

除此之外，还有一些诸如料液槽、直流电源、水泵及预处理设备等附属设备。

下面是电渗析器的结构示意图：

电渗析器的结构

其中极区是提供电渗析电源的主要设备，常用材质为不锈钢、石墨等；膜堆则由交替排列的阴、阳离子交换膜和交替排列的浓、淡室隔板组成，也可以说是若干个膜对的集合体。而这个膜对则是电渗析中的脱盐的基本单元：

膜对的结构

膜对由一对阴、阳离子交换膜和一对浓、淡水隔板简体排列组成。隔板通常为隔网（类似编织网），其主要作用是隔开阴、阳离子交换膜，形成淡水室和浓水室。根据在电渗析器内不同的位置，隔板又分为淡水隔板和浓水隔板，两者之间的差异主要是不同的配水孔和流水道位置。

电渗析装置工作模式

下面是一个膜对构成的电渗析装置，我们看一下其中淡水和浓水在其内部的流动情况：

电渗析淡水与浓水的流动情况

原水由右侧的两个孔分别流入浓水室和淡水室，淡水室和浓水室中的离子在电场的作用下发生移动，阴、阳离子分别向阳极和阴极方向移动，由于离子交换膜的选择透过性，浓水室中的离子浓度不断增加，淡水室中的离子浓度不断降低，形成的淡水和浓水则会从左侧的出水孔流出。

电渗析装置组装

说完了电渗析器的构造和基本工作方式，我们再看一下电渗析其的组装方式。在此之前，我们先介绍两个概念，分别是“级”和“段”，一级指的是一对正、负电极之间的膜，一段指的是具有同一水流方向并联的膜。

电渗析装置不同的组装方式会有不同的效果。增加级数可以降低两个电极之间的电压，降低装置的供电要求；增加段数则可以增加水的停留时间，提高脱盐的效率。如下则是几种常见的组装方式：

电渗析装置组装方式

一级一段的膜堆都在同一水流的并联方向；

二级一段在两个电极之间增加了一个共电极区，电极间距变短了，可以降低两个电极之间的供给电压；

一级两段在一对电极的中间增加了一个倒向膜板，将膜堆分成了两个同一水流方向的并联膜堆，增加了水流在电渗析中的流动长度，增加了脱盐的效率；

两级两段则是在两级两段的基础上，改变后段的方向，既可以降低电极间电压，又可以增加流动长度，提高脱盐效率。

电渗析工艺计算

在了解了原理和构造之后，最后看一下电渗析的工艺计算，了解一下其中重要的工艺参数。

极限电流密度

在介绍极限电流密度事前，先说一下电渗析过程中普遍存在的一个现象—浓差极化。下图是NaCl溶液在电渗析中的迁移过程：

NaCl溶液在电渗析中的迁移过程

淡水室中加入NaCl溶液，在电场的作用下，淡水室中的Na+和Cl-就会发生迁移，其中Na+透过阳膜向阴极移动，Cl-透过阴膜向阳极移动。

淡水室溶液中的电荷传递是Na+和Cl-共同承担的，因此两者的迁移数可以近似为0.5，但是膜中的迁移数就不是这样了。

以阴膜为例，由于选择透过性，只允许Cl-通过，导致Cl-在阴膜中的迁移数要大于溶液中的迁移数，而为了维持正常的电流传导，就需要使用阴膜边界层的Cl-进行补充，使得边界层和主流层之间呈现一个浓度差（上图中的C-C’，其中C为主流层离子浓度，C‘为边界层离子浓度）。

浓差极化现象

如果增加电流密度，那么这个浓度差也会增加，当电流密度增大到C‘趋向于0时，为了电流传导的维持，水分子就会分解为H+和OH-，其中的OH-就会代替Cl-参与迁移，这种现象就称为浓差极化现象，而此时的电流密度就是极限电流密度。

浓差极化现象出现时，由于部分电能被用于电解水，会降低电流的效率；淡室中电离出的OH-会通过阴膜进入浓室，导致浓室中的pH增大，容易产生结垢，导致膜电阻增大，进而使耗电量增加。

所以，我们是需要避免电渗析装置在极限电流密度条件下进行工作的。首先要计算出这个极限电流密度ilim，它与流速和离子的平均浓度均有关：

极限电流密度计算公式

由上可以看到，隔板的设计，对于极限电流密度的影响是十分重要的。

除了理论计算，极限电流密度还可以通过电压-电流法来进行测定。在进水浓度稳定的前提下，保持浓水、淡水和极室水的流量和进口压力，逐渐提高电压，等设备运行稳定后再测定相应的电流值。

以膜对的电压为纵坐标，电流密度为横坐标，可得膜对电压-电流密度图如下：

膜对电压-电流密度图

当电压较小时，电流密度会随电压的增加呈线性增长，但电压增加到一定数值后，电流密度的增加幅度就会逐渐降低了。其中P点为曲线两端切线的交点，过P电的垂线与与曲线的交点C即为极限电流密度ilim。

通过改变淡水隔板流道的水流速度v，就可以得到该流速下相对应的极限电流密度ilim和淡室中水的对住平均离子浓度C，利用图解法就可以得到Kp和n的值。

当我们得到了极限电流密度，那么在电渗析运行过程中，我们就可以把操作电流密度控制在极限电路密度之下，避免极化现象的发生。

电流效率与电能效率

在电渗析中，实际去除的盐量与理论去除盐量的比值即为电流效率，反映了电渗析中电流的利用效率的高低。

对于实际除盐量和理论除盐量，则可以通过下面的公式进行计算：

实际除盐量与理论除盐量计算

除此之外，还有一个参数为电能效率，即整台电渗析设备脱盐的理论耗电量与实际耗电量的比值，用于衡量电渗析中电能的利用程度。

工作电压

再一个就是电渗析的工作电压，作为重要的操作工艺参数，指的是施加在两个电极之间的操作电压，工作电压为每对电极的极区电压与膜对电压的和：

电渗析工作电压V计算

如果膜对数很多，工作电压就可能会很大，这时根据前面我们说过的电渗析的组装部分的内容，就可以增加串联的电渗析器的级数，来降低电极间的总电压，来减少电渗析对供电设备的要求。

总流程长度

这个参数指的是在给定条件下需要的脱盐流程长度，对于一级一段或多级一段构成的电渗析器，脱盐总流程长度就是隔板流道的总长度，首先我们需要计算平均电流密度i：

平均电流密度i计算公式

其中一个淡室的流量为：

上面两个公式代入电流效率公式中，变换后就可以得到脱盐流程长度的计算公式：

并联膜对数

最有一个参数为电渗析器的并联膜对数，其计算公式为：

其中Q为产水量（L/s）。

结 语

以上就是电渗析工艺的部分内容了