電滲析在反滲透濃鹽水資源化中的試驗研究

文_郭境忠 崔殊杰 陳旭 顧小紅

1.國電福州發電有限公司 2.北京朗新明環保科技有限公司南京分公司

1 電滲析工藝介紹

電滲析是利用離子交換膜進行濃鹽水脫鹽淡化的方法。離子交換膜是一種功能性膜，分為陰離子交換膜和陽離子交換膜（簡稱陰膜和陽膜）。陽膜只允許陽離子通過，陰膜只允許陰離子通過，這就是離子交換膜的選擇透過性。在外加電場的作用下，水溶液中的陰、陽離子會分別向陽極和陰極移動，如果中間再加上一種交換膜，就可能達到分離濃縮的目的。電滲析法就是利用了這樣的原理。

電滲析是在直流電場作用下，利用離子交換膜的選擇透過性，帶電離子透過離子交換膜定向遷移，從水溶液和其他不帶電組分中分離出來，從而實現對溶液的濃縮、淡化、精制和提純的目的。

2 電滲析技術基本原理

電滲析技術（ED）是一種以直流電為驅動力進行脫鹽和濃縮的技術，其原理是將陽離子膜和陰離子膜進行交錯放置，中間通過隔板多層層積，并在其兩端配置一對電極。陽極側的陰離子交換膜和陰極側的陽離子交換膜所隔開的空間稱為脫鹽室（D 室）；與此相反，陽極側的陽離子交換膜和陰極側的陰離子交換膜所隔開的空間叫做濃縮室（C 室）。在電滲析槽中，D 室和C 室交錯配置，向脫鹽室供給原液時，陽離子向陰極移動，并通過陽離子交換膜移動至右側相鄰的C 室。由于C 室的陰極側被陰離子交換膜隔開，因此可以組織陽離子繼續向右側D 室移動。陰離子以同樣的方式從D 室向左側相鄰的C 室移動。這樣就形成了在D 室進行脫鹽，在C 室進行濃縮的電滲析效果。

電滲析技術在反滲透濃鹽水的濃縮處理中具有良好的離子富集性能。與傳統的離子交換樹脂工藝相比，電滲析技術最大的優點是無需進行離子交換樹脂那樣的再生操作，因此能夠大量減少藥劑的使用量，減少酸堿廢水的排放量，有利于保護生態環境。電滲析系統設備簡單，操作簡便，基本實現全自動運行，維護工作量少，出水水質穩定。

電滲析設備中交替排列著許多陽膜和陰膜，分割成小水室。當原水進入這些小室時，在直流電場的作用下，溶液中的離子就做定向遷移。陽膜只允許陽離子通過而把陰離子截留下來；陰膜只允許陰離子通過而把陽離子截留下來。結果使這些小室的一部分變成含離子很少的淡水室，出水稱為淡水。而與淡水室相鄰的小室則變成聚集大量離子的濃水室，出水稱為濃水。從而使離子得到了分離和濃縮，水便得到了凈化，電滲析基本原理見圖1。

電滲析和離子交換相比，有3 個不同點：①分離離子的工作介質雖均為離子交換樹脂，但前者是呈片狀的薄膜，后者則為圓球形的顆粒。②從作用機理來說，電滲析屬于離子截留置換，離子交換膜在過程中起到離子選擇透過和截阻作用。而離子交換屬于離子轉移置換，離子交換樹脂在過程中發生離子交換反應。所以更精確地說，應該把離子交換膜稱為離子選擇性透過膜。③電滲析的工作介質不需要再生，但消耗電能；而離子交換的工作介質必須再生，但不消耗電能。

電滲析設備是在電滲析的除鹽室中填充陰陽離子交換劑，利用電滲析過程中極化現象對離子交換填充床進行電化學再生，它兼有電滲析技術的連續除鹽和離子交換技術深度脫鹽的優點，又避免了電滲析技術濃差極化和離子交換技術中的酸堿再生等帶來的問題。

圖1 電滲析基本原理圖

3 電滲析工藝流程

電滲析設備的工作過程一般分為3 個階段：①離子交換過程，淡水室中的離子交換樹脂對水中電解質離子的交換作用，達到去除水中離子的目的。②離子選擇性遷移，在外電場作用下，水中電解質沿樹脂顆粒構成的導電傳遞路徑遷移到膜表面并透過離子交換膜進入濃水室。③電化學再生過程，存在于樹脂、膜與水相接觸的擴散層中的極化作用使水解離為H+和OH-，他們除部分參與負載電流外，大多數對樹脂起再生作用，從而使離子交換、離子遷移、電再生三個過程相伴發生，相互促進，實現了連續去除離子的過程。

總體流程如下：反滲透濃鹽水通過濃鹽水提升泵，輸送至過濾器，經過過濾預處理以后，進入預脫鹽罐，通過預脫鹽循環泵提升至電滲析槽，在電滲析槽內進行循環，進行脫鹽和濃縮處理，經過電滲析槽的鹽分濃縮以后，濃縮液進入濃縮液罐，通過濃縮液循環泵輸送至電滲析槽進行循環處理。另外，陽極液罐內添加固體Na2SO4，通過陽極液循環泵輸送至電滲析槽進行循環處理；陰極液罐內添加鹽酸（HCl），通過陰極液循環泵輸送至電滲析槽進行循環處理。

脫鹽液罐內的脫鹽液（淡水）溢流出來，作為電滲析的產水可以回用至現有水處理脫鹽系統，濃縮液罐內的濃縮液（濃水）溢流出來，作為鹽分含量更高的濃縮后的濃鹽水，可以輸送至現有電解次氯酸鈉系統，作為電解次氯酸鈉的原液進行資源化利用。

4 電滲析工藝試驗步驟

4.1 開機前的準備工作

首先檢查電滲析器的管路系統是否接錯，接頭處是否扎牢、擰緊，電路系統是否接好。

4.2 開機運行

先打開電滲析器的濃水排放閥，然后打開總進水閥及濃水、淡水和極水閥門，再打開過濾器進出水閥，開啟配套水泵，使壓力平衡上升，至水中無氣泡，達到所需流量后，方可通電，通電時電壓，電流要緩慢向上調，運行3 ～5min 測水質合格后，淡水回用至現有水處理脫鹽系統，濃水資源化利用至現有次氯酸鈉系統。

4.3 停機

停機時，首先將管路水排放，關閉淡水出水閥，同時將電壓調至零，切斷電源，關閉配套水泵即可。

4.4 酸洗

當發現電滲析器進水壓力明顯上升及脫鹽率有所下降時，必須用酸洗的方法來處理，一般采用2%～3%稀鹽酸用鹽酸泵循環打入電滲析器。酸洗時，不能通電，首先關閉總進水閥和淡水出水閥，同時關閉濃水排放閥，開啟進水閥，進酸閥、回酸閥、鹽酸泵進出水閥，暫時關閉進極水閥，啟動鹽酸泵50min 后，打開進極水閥門，待稀鹽酸溶液打完后，用清水沖洗至pH 值6 ～7即可投入運行，生產淡水，濃縮后的濃鹽水進行資源化利用。

5 電滲析工藝試驗結果

電滲析器的膜片采用均相膜，電阻小，能耗低。

電滲析器產生的淡水，電導率可以降為100μs/cm 以下，可以回用于前端反滲透工藝的進水，滿足反滲透濃鹽水資源化利用的要求。

電滲析器濃縮后的濃鹽水的含鹽量可以達到20%左右，可以滿足后續電解次氯酸鈉的資源化利用的要求。

電滲析系統設備簡單，操作簡便，基本實現全自動運行，維護工作量少，而且出水水質穩定。

6 結論

采用上述電滲析資源化利用濃鹽水的新方法后，本實用新型與傳統離子交換樹脂工藝相比具有以下優點。

電滲析系統無需進行離子交換樹脂那樣的再生操作，因此能夠大量減少藥劑的使用量，降低系統由于投加藥劑所增加的運行費用，而且能夠減少酸堿廢水的排放量，有利于保護生態環境。

電滲析系統設備簡單，操作簡便，基本實現全自動運行，減輕運行人員的勞動強度，維護工作量少，而且出水水質穩定。

本研究可以促進濃鹽水的水資源化利用，節約水資源，緩解沿海電廠的淡水供水不足、改善沿海電廠周邊的生態環境、最大限度地滿足生產和生活需要。