电换向隔板位置对电渗析脱盐性能

电换向隔板位置对电渗析脱盐性能

周子琛

日出东方太阳能股份有限公司江苏连云港222000

摘要：随着我国水资源利用问题的凸显，加强相关技术的研究有很大的必要性。本文就换向隔板位置对电渗析脱盐性能进行了探究，希望可以为今后的相关研究提供一些借鉴。

关键词：换向隔板位置；电渗析；脱盐

1双极膜电渗析工作原理

双极膜（BipolarMembrane，BM）是一种新兴的离子交换膜，是由一张阳膜和一张阴膜缔合在一起形成的，含水率比单独的阳膜或者单独的阴膜都要高。在电场作用下，双极膜的表面会发生水的电解，分别在膜两侧产生氢离子和氢氧根离子，将盐转化为酸碱。由双极膜组成的电渗析装置被称之为双极膜电渗析（BipolarMembraneElectrodialysis，BMED）。双极膜电渗析最常见的的装置是三室双极膜电渗析，膜对是由阳膜、双极膜、阴膜交替组成，双极膜的两侧分别是酸室和碱室，阴阳膜之间是盐室。在电场的作用下，盐室侧的阳离子透过阳膜在双极膜侧的碱室生成碱，盐室侧的阴离子透过阴膜在双极膜侧的酸室生成酸。这样最终会将盐溶液转化为相应的酸碱。

1.1电渗析浓缩工作原理

电渗析技术的关键就是离子交换膜。离子交换膜（IonExchangeMembrane，IEM）通过高分子材料交联形成骨架，活性高分子物质聚合在膜表面，形成带有电荷、具有交换能力的膜。按照膜所带电荷的不同，可以分为阳离子交换膜和阴离子交换膜。阳离子交换膜带有负电荷，只允许阳离子透过，简称阳膜（CationExchangeMembrane，CEM）；阴离子交换膜带有阳电荷，只允许阴离子透过，简称阴膜（AnionExchangeMembrane，AEM）。离子在直流电场作用下，以电场力为驱动力穿过离子交换膜，最终从电解质溶液中分离出来的过程被称之为电渗析（Electrodialysis，ED）。对于电渗析装置而言，膜功能的好坏直接影响整个装置的分离效果和使用寿命。电渗析装置的基本单元是由一个膜对构成的一个淡化室和一个浓缩室，基本组件包括一张CEM、淡水隔板、一张AEM、浓水隔板。工业电渗析通常包括几百个膜对。原水在进入淡化室后，阴阳离子会在电场的作用下迁移透过膜，分别在浓缩室富集，最终的结果就是淡化室浓度降低，浓缩室浓度上升，实现组分分离。

1.2电渗析技术的应用

电渗析技术在应用的过程中，溶液没有相态和物态的改变，离子只是在电场力的作用下进行迁移，能量消耗少，且离子交换膜不需要像离子交换树脂那样频繁再生，也不需要像压力膜一样使用过程中需要施加很大的压力。因此电渗析技术在很多方面都有广泛的应用。

1.3传统电渗析技术的应用

电渗析技术最早发展起来是在海水淡化中存在应用，也可以应用生产盐。后来随着电渗析技术的发展与新型离子交换膜的出现，电渗析技术的应用范围更加广泛。现在电渗析在工业生产的很多方面都有应用（例如：氨基酸或蛋白质的脱盐、盐回收、糖液脱矿、污水处理、脱盐乳清等），电渗析技术在饮用水生产、苦咸水淡化等方面的应用也有发展。电渗析技术在工业废水处理与食品生产中的使用，降低了成本，增加了经济和社会效益。

1.4双极膜电渗析技术的应用

双极膜电渗析具有传统电渗析的功能，也具有传统电渗析所不具有的性能，增加了某些酸、碱制备的新途径。目前双极膜电渗析的出现促进了电渗析技术的发展，是新的发展点。双极膜是双极膜电渗析使用的关键，不同膜材料在不同的条件下可以制备成不同性能和用途的双极膜，例如一二价离子分离膜、低压反渗透膜等。不同性能的双极膜在不同的领域均具有广泛的应用，例如：双极膜电渗析生产无机酸、碱；利用双极膜电渗析回收生物污泥中的磷元素；浓缩、净化、修改食品性能等。

1.5电渗析脱盐过程中的膜污染现象

在使用电渗析装置对染料废水进行脱盐实验时发现：当实验操作电流为0.5A时，电渗析的运行电压在15min内从8V上升到30V，达到直流电源的上限。这是由于带有负电荷的活性艳蓝（RemazolBrilliantBlueKN-R，RBBR）对阴离子交换膜造成了污染，从而增加了膜的阻力，导致操作电压急剧增加。实验结束后发现，阴离子交换膜的颜色由淡黄色变为蓝色。这是由于带负电荷的RBBR与带着正电荷的阴离子交换膜之间存在静电引力，很容易通过静电作用力吸附到膜的表面，导致膜污染。而阳离子交换膜带有负电荷，与同样带有负电荷的RBBR之间具有静电排斥力，因此阳离子交换膜的颜色没有改变，没有被RBBR污染。在使用电渗析对印染废水进行脱盐处理时出现了膜污染现象。这是由于RBBR分子不能透过膜，在电场力作用下，带有负电荷的RBBR分子迁移到阴离子交换膜表面，并在膜表面堆积形成一层厚的、疏松的污染层，阻挡其他的离子迁移透过膜，因此导致离子交换膜的电阻增高，电渗析运行电压增大，形成凝胶层膜污染。通过电渗析倒极实验以及静态吸附实验发现，RBBR分子形成的膜污染是一种可逆污染，只有在电场力作用下才会形成，仅依靠静电作用力不会导致膜污染。

2换向隔板位置对电渗析脱盐性能分析

2.1换向隔板位置对ED脱盐率的影响分析

换向隔板位置对ED脱盐率的影响如图1。

图1换向隔板位置对ED脱盐率的影响

通过图1可知，在换向隔板位置调整、前后两段膜堆数不相等的情况下，ED膜堆脱盐率随电流的变化规律与膜对数相同时的情况基本一致。在一级二段膜堆构型中，若两段的膜对数保持相同，而淡水盐度却逐段下降。第二段的极限电流密度要高于第一段，考虑实际运行的稳定性，一般需按第二段的极限电流来确定膜堆的运行电流。这样一来，使得第一段的运行电流较低，无法充分发挥膜堆的性能。为了使膜堆较为合理地运行下去，可以调节各段组装膜堆数即换向隔板位置来改变各段中流体速度，使各段电流密度基本一致，从而达到膜堆组装和操作电流的最佳化。经试验可知，在换向隔板位置优化中，当电压在10-50v，淡水流量为150L•h-1，极水流量为36L•h-1，两段膜的对数比例在序号为3~4、3~8、3~9、3~10时，分别为25：25、26：24、27：23、28：22。可见，对换向隔板位置进行适当地调整，能够使第一段膜对数稍微多于第二段，对膜堆的运行是有利的。

2.2换向隔板位置对ED能好的影响

特定情况下，ED膜堆能耗随脱盐率的变化情况一致。但在相同脱盐率的情况下，前后两段膜对数不等的ED膜堆的拖延效果要优于膜对数相等的膜堆[4]。对于相同的淡水脱盐率，ED膜堆的能耗，其相对大小关系是膜对数27：23＞膜对26：24＞膜对数28：22＞膜对数25：25.由此可见，调整换向隔板位置既有利于膜堆的整体运行操作，也使得膜堆的整体性能有了一定的提升。

结束语

总之，换向隔板位置对ED脱盐率有着重要影响。通过和方面的研究，为我国的水处理提供了良好的技术支持。

参考文献：

[1]王郁.电渗析—生化组合方法处理高盐废水[D].天津大学，2013.

[2]王郁，解利昕，李慧，李凭力.电渗析-活性污泥法组合工艺处理高盐废水[J].工业水处理，2014，34（03）：61-64.

[3]刘雪奇，周洪，梅拥军，张圆，崔艾军，高秋月.电渗析对飞机除冰废水脱盐性能的研究[J].水处理技术，2018，44（07）：66-68+82.

[4]李鹏飞，马军，邓桦，刘红斌.扩散渗析-电渗析集成工艺用于丝素蛋白脱盐[J].膜科学与技术，2017，37（06）：90-94+101.