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新型电渗析工艺的技术发展与应用

作者: 来源: 日期:2021/3/3 15:44:01 人气:0

  工业化发展带来的污染促使人们寻求解决水资源短缺的方法,其中水体脱盐是开发利用非常规水资源中最有前途的方法之一,海水是水体脱盐的主要目标物,海水淡化行业的发展也促进了诸如污水处理厂三级废水、地表含盐水、高硝酸盐工业、罐头加工和垃圾填埋场渗滤液处理等高盐废水脱盐技术的发展。

  自20世纪50年代以来,海水淡化技术在提高有机负荷率、减少结垢、提高通量和选择性、降低成本等方面取得了长足的进步。

  脱盐过程分为膜(非相变)脱盐过程和热(相变)脱盐过程,膜脱盐工艺利用膜作为物理屏障从废水中分离污染物,热脱盐工艺则利用能量蒸发出废水中的水分子将污染物转化为固体。

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  近年来,反渗透、电渗析、多效膜蒸馏等技术已广泛应用于海水淡化领域。其中,多级闪蒸淡化、多效蒸发/蒸馏和膜蒸馏属于热淡化,反渗透和电渗析属于膜淡化,不同淡化技术的能耗比较见表1。

  从表1可以看出,膜法海水淡化的能耗低于热法海水淡化。自2000年以来,约70%的海水淡化厂已采用膜过滤。

  大多数热脱盐工艺存在压力高、抗污染和抗氧化能力差、回收率低、能耗高等问题。开发安全、方便、低成本、大容量、可循环利用的海水淡化技术一直是技术创新的核心。在传统的电渗析过程中,没有相变和化学反应,不需要引入化学试剂,能耗低,环境污染小。

  通过进行考察中国近十年来与电渗析技术相关的SCI论文研究发表不同数量可以发现(数据分析来自Web of Science关键词“Ele-ctrodialysis”),论文已经发表企业数量也是逐年不断增加,由2010年的191篇增加到2019年的505篇。

  脱盐技术企业除了被应用于社会生产淡水外,有效去除污水中重金属等有害离子可以实现生活污水净化能力也是脱盐技术的技术发展目标。

  本研究介绍了传统电透析技术的基本原理和技术局限性,以及若干典型新电透析工艺的基本技术原理、设备操作模式和应用范围,以促进电透析技术的发展和研究。

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  01传统电渗析技术

  电渗析装置由直流电场和多对离子交换膜组成。阴阳极交替放置几对阴离子交换膜(aem)和阳离子交换膜(cem),电解质溶液通过电极附近的电极室循环,形成电极冲洗室。

  电渗析技术的基本原理是:利用离子交换膜的选择性透过性,在外界直流电场的作用下,阳离子和阴离子选择性地穿过膜迁移,在离子交换膜形成的隔室内交替形成浓水室和淡水室,实现脱盐。具体原理如图1所示。

  电渗析技术装置设计通常由离子进行交换膜、电源、辅助教学材料(垫片、电极、密封使用垫片)组成。装置中电极系统通常由钛、氧化铝、石墨等碳材料可以制成。

  装置中离子交换膜由活性离子交换基团、固定官能团和疏水底物组成,具有选择透过性,根据膜结构中的固定电荷属性分为阳离子交换膜和阴离子交换膜。

  电渗析传质过程复杂涉及参数多,难以从实验角度对其进行全面深入的研究,因此近年来相关科研人员尝试通过模拟电渗析中的物质分离过程及物质传递过程优化电渗析工艺,电渗析的传质过程包括浓差极化现象、离子交换膜间对流传递、离子定向或过膜的电迁移传递和扩散传递、电解质-膜平衡等过程。


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