以电渗析为基础的集成分离技术

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1、以电渗析为基础的集成分离技术∗徐铜文黄川徽中国科学技术大学化学系，合肥230026摘要：电渗析是利用离子交换膜对阴阳离子的选择透过性能，在直流电场的作用下，使阴阳离子发生定向迁移，从而达到电解质溶液的分离、提纯和浓缩的目的，在化工分离、生物分离和水处理中具有广泛的应用。本文除了对这写应用进行综述外，将重点介绍近年来出现的以电渗析为基础的集成分离过程，这些集成主要有：1.电渗析与传统化工单元操作之间的集成：如电渗析＋络合，电渗析＋萃取，电渗析＋吸附，电渗析＋离子交换，电渗析＋吸收＋气提等；2.电渗析与压力驱动膜之间的集成：如压力驱动膜作为电渗析

2、的预处理，电渗析作为压力驱动膜的预处理，电渗析和压力驱动膜互为一体等；3.传统电渗析和双极膜电渗析的集成等。本文将给出诸多工业应用实例，并针对复杂的多种集成工艺进行探讨。关键词：电渗析、双极膜电渗析、离子交换膜、压力驱动膜、集成1.引言电渗析主要有两种，一种是利用离子交换膜对阴阳离子的选择透过性能，在直流电场的作用下，使阴阳离子发生定向迁移，从而达到电解质溶液的分离、提纯和浓缩的目的，又称常规电渗析(CED)[1]；另一种是用双极膜代替阴离子或者阳离子膜，利用水或者其他溶剂（如甲醇）的解离来作为质子和氢氧根或者醇氧根离子的发生源实现一系列的化

3、学反应，在清洁生产和环境保护具有重要的应用，这一过程又称双极膜电渗析（BMED）[1-2]。事实上，无论是CED还是BMED其单独使用的效果远远没有与其他过程集成时的效果好，比如对于海水淡化，反渗透从总的来说能耗就比电渗析低，因为电渗析在处理极低和极高浓度的电解质溶液时是不经济的，但是如果将电渗析作为一个基本的单元与已有的化工单元操作或者膜技术集成，则会显示出更大的优越性，也是膜技术发展的优越性，限于篇幅，本文将以有限的几个例子来说明一下电渗析的集成过程，详情参见作者近期的综述或者专著〔3-5〕。2.电渗析与吸附的集成这一集成技术除了可以用于

4、海水中微量元素的提取外〔３〕，还可用于含重金属离子废水的处理[6]。含重金属离子的废水与络合剂结合通过超滤获得纯水并分离络合剂，结合后+-络合剂通过双极膜产生的H进行再生，双极膜产生的OH与金属离子形成沉淀而作为污泥排∗通讯作者，tel：0551-3601587；email：twxu@ustc.edu.cn,教授，博士生导师。除。该技术的优点是对金属离子的分离高效而快速，处理量不受限制。通过选用专用的络合剂，可以有很高的选择性。3双极膜电渗析＋离子交换EDI（电去离子化）是离子交换和电渗析的真正意义上的集成，它可以利用传统电渗析与离子交换进行

5、耦合，该过程中，混合离子交换树脂从水中提取盐离子并且作为离子迁移的通道。因此，EDI可以在稀溶液去离子化的过程中不会在电阻上耗费很高的电能，是制备超纯水最佳技术，与传统的超纯水制备路线相比，可以节省大量用于离子交换剂再生的酸和碱，过程具有优越性，现在已经得到广泛的商业化应用。不过传统电渗析为基础的EDI也存在着改进的地方，因为对于普通电渗析来说电解质浓度下降后水溶液的电阻就会急剧升高，除此之外，混合离子交换树脂可以通过阳膜或阴膜表+--5面浓差极化产生的H和OH再生。然而，这种水解离因为效率低（t+=4×10-0.11阳膜表H+-面,t-=0

6、.03-0.6阴膜表面），不能满足再生的需要，而且产生的H和OH也会部分在树脂OH再生前直接结合。这些缺点可以通过在双极膜电渗析与离子交换的耦合集成技术得以克服[7]4.双极膜电渗析＋吸收＋气提燃煤、燃油排放的二氧化硫的治理一直是世界性难题，尽管已经有一些成熟的脱硫方法如氨法、双碱法、镁法、碱性硫酸铝法、柠檬酸法和催化氧化法等，但经济效益和环境治理方面存在一些问题，如有价硫损失、副产品销售困难、二次污染问题等。若将双极膜电渗析与传统的吸收结合可以有效地解决这一问题。这一思路早在上世纪70年代末就提出，其基本过程是在传统用碱液（NaOH）吸收的

7、基础上，将吸收液（主要成分NaHSO3）通过双极膜电渗析解离来回收碱。其基本单元是有两张阳膜和一张双极膜构成的两室结构，则在酸室里得到H2SO3溶液，很容易通过气提富集SO2，碱室里主要含Na2SO3和NaOH液，可返回初始工序TM进行吸收尾气，整个过程实现了零排放，不仅回收了有用物质，而且治理了污染，Soxal已将此技术用于工业废气中SO2的脱除。另外，随着人们对脱硫的重视，近年来也涌现出不少新的脱硫方法，如有机胺脱硫被认为是一种很吸引人的方法，该法直接用一种新型有机胺吸收烟气中SO2，用热再生方法进行解吸，有机胺循环利用并可方便地回收有价

8、硫。但在应用过程中发现，由于烟气中的部分SO2因氧化成SO3而与胺形成热稳定性盐，不能用热再生方法进行解吸，不仅降低脱硫效率，造成有机胺的损失；若不把它脱除，也会给