海水淡化技术及应用-电渗析技术的探索

电渗析技术最早在20世纪50年代就广泛用于苦咸水脱盐。随着新型离子交换膜的出现和交换树脂填充床电渗析技术的推出，电渗析技术已呈现出广阔的应用前景。目前，电渗析技术已广泛应用于饮用水、工业废水、医药用水处理以及食品、化学工业等领域，并取得了较好的效果，具有显著的社会效益和经济效益。

（一）电渗析技术在水处理方面的应用

1.工业废水处理

（1）造纸工业废水处理。利用单阳膜等从造纸黑液中回收碱，该法回收纯碱的电耗可稳定在3000kW·h/m3左右，比氯碱厂生产烧碱和黑液燃烧法回收碱的能耗都低。当回收终点黑液pH值为7时，Na+回收率为50％，阳极黑液含Na+5000～7000mg/L，可直接回用于工段。利用电渗析与传统碱回收系统相结合的生产流程，处理稀黑液可得到碱和木质素。在国外，日本用电渗析法进行黑液的浓缩；前苏联用多膜式电渗析器处理黑液回收硫酸钠。在国内，上海轻工设计院曾采用回转式阳极单阳膜电渗析槽进行草木浆碱法蒸煮黑液的实验；北京造纸一厂、四川西泉造纸厂等也进行过碱法和硫酸盐法造纸黑液的电渗析实验。

（2）重金属废水处理。利用电渗析法处理铜铁废水，对含HNO3和HF的废水进行处理，不但回收利用了水和有用资源，而且保护了环境。通过电渗析法从酸洗废液中回收重金属和酸已在工业上应用。电渗析技术可以与离子交换法相结合，废液先进入离子交换系统，除去重金属离子。我国1986年在浙江省邮电印刷厂安装了一套电渗析和离子交换联合设备，用以处理含铜废水，经处理后含铜废水中的Cu2+含量从100mg/L降至1mg/L，pH值为6～7，达到允许排放标准。

（3）电镀废水处理。电镀废水中常含有锌、镉、镍、铜等重金属离子及氰化物等毒性较大的物质，既造成资源浪费又严重污染环境。通过电渗析—离子交换—电渗析组合工艺，既能实现资源的回收利用，又可以减少污染的排放。日本一家精炼钢厂的含硫酸镍、硫酸的废酸液，利用日本旭化成公司生产的具有特殊性能的离子交换膜电渗析装置，实现了镀镍废水的闭路循环。1981年，铁道部北京二七工厂用电渗析法处理电镀含镍废水，废水电导率达1650s/cm，处理后降至400s/cm，可回用于漂洗工艺。另外用电渗析技术处理含铬电镀废水，有效地净化了漂洗废水，使Cr6+离子得到回收，废水中的Cr6+浓度达到国家废水排放标准。

（4）放射性废水处理。放射性废水包括核工业产生的废水和有色冶金工业及同位素研究时产生的废水。它们中均含有大量的放射性元素，不仅对人身体产生辐射危害，对农作物生长也产生极大影响，处理这类废水必须比处理一般性废水严格，一般采取多级处理，而且处理方法要安全可靠。国外用电渗析处理放射性废水，结果表明此项技术是可行的。1971年，前苏联莫斯科放射性废物处理站正式建成处理能力为1.5～4.5m3/h的ED—EDI放射性废水处理工程。我国中科院上海原子核所对这类废水也进行了ED—EDI生产性试验，处理能力为0.5m3/h。

2.医药废水处理

制药厂废水中含有大量的有机物及许多有价值的物质，氨基酸就是其中的一种。目前，国内对这类废水的处理大部分都采用离子交换树脂来脱酸。这样树脂不可避免地要附上一部分氨基酸，树脂再生时这部分氨基酸就作为废液排放掉，造成资源的浪费。关于氨基酸的废水处理，日本曾采用活性污泥法，国内用电渗析处理氨基酸废水。为了达到既净化废水，又回收氨基酸的目的，采用电渗析来处理制药厂酸性氨基酸废水，结果表明：废水氨基酸和COD脱除率均可达80％，低浓浅色废水经一级处理即可达排放标准，浓缩水中氨基酸的浓度是淡水中的20倍，同时浓水中氨基酸浓度可接近其饱和浓度。

3.饮用水及过程水的应用

（1）海水及苦咸水淡化。电渗析法脱盐成本与原水含盐量有密切的关系。原水含盐量的增加，则生产单位体积淡水的耗电量增加，单位膜面积上的产水量相应减少，从而使生产淡水成本相应提高。国外有人认为电渗析法淡化成本与处理水的含盐量的0.6次幂成正比。电渗析脱盐的最佳浓度范围是几百至几千毫克每升，一般苦咸水大多在此范围，而海水含盐量是苦咸水的10～20倍。1987年10月，在山东长岛县大钦乡建起了苦咸水淡化饮水站，采用部分循环脱盐工艺，将含盐量为5000mg/L的苦咸水淡化为含盐量为800～500mg/L的饮用水，耗电量为5kW·h/m3。1988年4月，山东潍坊在渤海湾地区建成一座电渗析苦咸水淡化站，将含盐量为3500mg/L的苦咸水淡化到含盐量为500mg/L的饮用水，耗电量为2.4 kW·h/m3。

（2）海水浓缩制盐。利用电渗析浓缩海水制取食盐是电渗析技术的另一用途。日本国内制盐基本上都是用电渗析法。电渗析法制盐与常规盐田法制盐相比有许多优点，如占地面积少，约为盐田法的4％～6％，投资仅为盐田法的20％，常备人员为盐田法的5％～10％，而且不受地理环境、气候的影响，易于实现自动化。制盐用的离子交换膜对Na+离子必须具有高的选择性和耐氧化性，并且价格适宜，日本旭硝子公司就提供了这种膜。我国在西南地区利用盐泉卤水制盐，盐泉卤水冬浓夏淡，采用电渗析浓缩卤水，使NaCl含量稳定提高到120g/L，与原来采用的单纯熬盐法比较，其产量增加而成本降低。(www.xing528.com)

（3）纯水的制备。由含盐浓度为几百毫克每升的原水制取纯水，传统的方法是采用离子交换法。其原水中盐的浓度越低越适于用离子交换法，而原水盐浓度高时，离子交换树脂再生频繁，这样不但要消耗大量酸、碱，还会形成大量酸、碱再生废液污染环境。若采用电渗析法作离子交换的前处理，可脱除原水中大部分盐分，因而可大大减轻后面离子交换的负荷，延长使用周期。把两者的优点结合起来，就产生了很好的技术效果和经济效果，常见的方式有：①原水—前处理—电渗析系统；②原水—前处理—电渗析—离子交换系统。我国电子工业也开始研究用填充床电渗析制取高纯水，首先用电渗析把含盐量为500mg/L的原水降至蒸馏水的水平，再用电渗析制取高纯水，这种方法比原来用离子交换法简单，而且水质纯度高，前景很好。

（二）电渗析技术在食品和化学工业中的应用

电渗析技术在医药和食品工业的应用是近年来的一大热点，发展迅速，其主要应用是利用电渗析脱盐或将某一组分分离、提纯出来。电渗析技术在食品工业中应用规模较大，但在医药工业大多数仍处于实验室规模。

1.食品工业的应用

（1）提取乳酸新技术。乳酸是一种重要的有机酸，食用和医用乳酸一般都采用发酵法制备，由于发酵液组分比较复杂，从发酵液中提取含量较低的产品相当困难。目前采用的是乳酸钙结晶—硫酸酸化工艺，其工艺流程长、消耗化工原料多、污染环境、产率低（一般40％左右）。而四室电渗析器提取乳酸工艺是利用离子交换膜和电场力的作用，将乳酸等电解质离子和发酵液中其他大分子糖以及中性物质等分开，节约原材料，降低成本，改善劳动条件，提高产率（一般80％以上）。该技术还被用于柠檬酸、苹果酸等其他有机酸分离。

（2）在食品精制方面的应用。从海带浸泡液中提取甘露醇通常采用电渗析除盐精制。从20世纪70年代中期至今经过不断的工艺改造，已基本解决膜污染、膜堵塞、电极腐蚀、膜堆漏电等问题。

由制酪厂的漂洗液制取乳酸、脱除葡萄酒中的钾盐、果汁脱酸、糖蜜脱盐精制、对脱蛋白后的乳清进行脱盐等，均可采用电渗析技术。例如，在柠檬酸的脱酸工艺中就使用了由阴离子交换膜装备的叠式膜组件装置，用KOH溶液来对果汁进行电渗析处理，柠檬酸根离子就被氢氧根离子所取代，从而实现脱酸目的。

2.化学工业的应用

（1）利用电渗析分离金属元素的方法有两种，一种是采用电渗析与配位化学结合的方法分离金属离子，如加入EDTA分离Co—Ni离子，现处于实验研究阶段；另一种是利用离子迁移速度的不同来进行分离，如采用Nafion417阳膜对Na—Cs进行分离，分离系数为2～3，该研究也处于实验探索阶段。

（2）无机酸、碱、盐的提纯。采用电渗析法对NaOH进行提纯，先将粗制品通入阳极室，Na+通入阴极室，与阴极水电解产生的OH-生成NaOH得到纯品。