5.1　电渗析

电渗析属于膜分离技术，是水处理工艺和化工过程的一个操作单元。

5.1.1　原理与功能

（1）基本原理

电渗析是一种在电场作用下使溶液中的离子通过膜进行传递的过程。根据所用膜的不同，电渗析可分为非选择性膜电渗析和选择性膜电渗析两类，非选择性膜电渗析是指在电场力的作用下，阴、阳离子都能通过膜，而颗粒较大的胶体粒子不能透过膜的过程，因此多用于提纯溶胶。

电渗析过程是以下面两个基本条件作为基础的。一是水中离子是带电的。在直流电场作用下，水中阴、阳离子做定向迁移，根据同性相斥、异性相吸的原则，阳离子向阴极方向移动。阴离子向阳极方向移动。二是离子交换膜具有选择透过性。离子交换膜分为阳离子交换膜（简称阳膜）和阴离子交换膜（简称阴膜），阳膜只允许阳离子透过，相反，阴膜只允许阴离子透过。

电渗析过程的基本原理如图5-1所示。在阳极和阴极之间交替地放置着若干张阳膜和阴膜，膜和膜之间形成隔室，其中充满含盐水，当接通直流电后，各隔室中的离子进行定向迁移，由于离子交换膜的选择透过作用，①、③、⑤隔室中的阴、阳离子分别迁出，进入相邻隔室，而②、④、⑥隔室中的离子不能迁出，还接受相邻隔室中的离子，从而①、③、⑤隔室成为淡水室，②、④、⑥隔室成为浓水室。阳、阴电极与膜之间形成的隔室分别为阳极室和阴极室。电极的电化学反应为：

阳极　　

2Cl^--2eCl₂↑　　　H₂OH⁺+OH^-

4OH^--4eO₂↑+2H₂O

阴极　　　

H₂OH⁺+OH^-　　2H⁺+2eH₂↑

由上可见，阳极发生氧化反应，产生气体O₂和Cl₂，极水呈酸性，因此，选择阳极材料时应考虑其耐氧化性和耐腐蚀性；阴极发生还原反应，产生气体H₂，极水呈碱性，当水中含有Ca²⁺、Mg²⁺、、时，易产生水垢，在运行时应采取防垢和除垢措施。

（2）特点及应用范围

电渗析具有以下几个特点：a.电渗析只能将电解质从溶液中分离出去（脱盐），不解离的物质不能被分离，解离度小的也难以被分离，如水中的硅酸根和硼等。电渗析也不能去除有机物、胶体物质、微生物、细菌等；b.电渗析使用直流电，设备操作简便，不需酸、碱再生，有利于环境保护；c.电渗析的耗电量基本与原水含盐量成正比，原水含盐量在200～5000mg/L范围内，制取成初级纯水的能源消耗较其他脱盐方法低，因此，制水成本也低；d.电渗析过程靠水中的离子来传递电流，因此，电渗析不能将水中的离子全部去除干净，单独使用电渗析不能制取高纯水。

电渗析的应用范围：a.海水、苦咸水淡化制取饮用水或工业用水；b.自来水脱盐制取初级纯水；c.电渗析与离子交换组合制取高纯水；d.化工过程中产品的浓缩、分离、精制；e.废水废液的处理回收等。

5.1.2　技术与装备

（1）脱盐方式

电渗析的除盐方式随其目的不同而异，一般可分为直流式、循环式和部分循环式三种。

①直流式　原水经多台单级或多台多级串联的电渗析器后，一次脱盐达到给定的脱盐要求，直接排出成品水。该方式具有连续出水、管道布置简单等优点，缺点是操作弹性小，对原水含盐量发生变化时的适应性较差。该流程是国内常用流程之一，常采用给定电压操作，根据进水、产水量及产品水水质等要求，可采用单系列多台串联或多系列并联的流程，适用于中、大型脱盐场地，如图5-2所示。

②循环式　如图5-3所示，将一定量的原水注入淡水循环槽内，经电渗析器多次反复除盐，当循环除盐到给定的成品水水质指标后，输送至成品水槽。该方式适用于脱盐难度大，并要求成品水水质稳定的小型脱盐水站。该流程的适应性较强，既可用于高含盐量水的脱盐，也适用于低含盐量水的脱盐，特别适用于用水水质经常变化的场合，能始终提供合格的成品水。例如流动式野外淡化车、船用脱盐装置等多采用此流程。其次是小批量工业产品料液的浓缩、提纯、分离和精制也常用此方式。但需要较多的辅助设备，动力消耗较大，且只能间歇供水。

③部分循环式　部分循环式是直流式和循环式相结合的一种方式（如图5-4所示），一方面，使溶液在混合水池内循环；另一方面，补充原水使水池内的水量保持稳定。在这种方式下，混合水池内流速不受产水量的影响。该方式的优点是膜可保持稳定状态，而装置可以适应任何进料情况，当然需要再循环系统，因此设备和动力消耗都会增加。

电渗析三种不同除盐方式的特点比较见表5-1。

（2）电渗析器的组装形式

电渗析器的组装形式用“级”和“段”来表示，一对电极之间称为一级，水流同向的若干并联隔板称为一段，如图5-5所示，一台电渗析器常有几百个“膜对”，一个膜对包括阳膜、阴膜、隔板甲和隔板乙各一张。在膜对总数确定的条件下，增加级数可以降低电渗析的电压，增加段数可以增加除盐的流程。为了提高水的除盐率，可以采用多级多段的组装方式。电渗析器组装形式一般有一级一段、二级二段、三级三段、四级四段等。

废水电渗析处理设备统称电渗析器，包括压板、电极托板、电极、级框、阳极、阴极、隔板、垫板等部件。将这些部件按一定顺序排列组成电渗析器，如图5-6所示。

其中主要是三大部分：膜堆，是由一对阴、阳膜和一对浓、淡水隔板交替排列组成的基本处理单元；电极区，由电极、极框、电板托板等组成，该区直接连接直流电源，设有进水口、淡水与浓水及极水的出口等；紧固装置，把电极区和膜堆均匀紧固成整体的部件，一般用由槽钢加强的钢板制成。

（3）电渗析器的选择

目前，国内制造的电渗析器大多能满足使用要求，一般可直接选购产品，而不必设计和加工电渗析器本体。

国产标准电渗析器分为3大类型：①DSA型为网状隔板，隔板厚度为0.9mm；②DSB型为网状隔板，隔板厚度为0.5mm；③DSC型为冲格式隔板，隔板厚度为1.0mm，和厚度为0.5mm的冲格薄片组成。

在选择电渗析器时，除电渗析的脱盐率和产水量满足设计要求外，还必须要考虑膜和电极的材质。

离子交换膜是电渗析器的关键部件，各种膜的性能均有所不同。根据国家环境保护行业标准《环境保护产品技术要求　电渗析装置》（HJ/T 334—2006），电渗析阴、阳离子交换膜的主要技术指标应满足表5-2的要求。

电极的材料有石墨、不锈钢、钛涂钌等，应根据原水水质，结合电极强度、耐腐蚀性等因素，选择合适的电极。不同材料电极的特点见表5-3。

（4）电渗析脱盐系统的组成

电渗析的除盐系统主要有以下几种：

①原水→预处理→电渗析→除盐水；

②原水→预处理→软化→电渗析→除盐水；

③原水→预处理→电渗析→反渗透→除盐水；

④原水→预处理→电渗析→离子交换混合→除盐水；

⑤原水→预处理→反渗透→树脂电渗→除盐水。

第①种脱盐系统最简单，可用于海水和苦咸水淡化及除氟、除砷、除硝酸盐。当原水为自来水时，可制取脱盐水，脱盐水含盐量低于普通蒸馏水，脱盐率最高可达99%，脱盐水的电阻率最高可达0.5MΩ·cm。

第②种脱盐系统适合于处理高硬度含盐水。原水如不经预先软化，由于硬度高，容易在电渗析器中结垢。

第③种脱盐系统中，电渗析作为反渗透的预处理。由于预先去除了大部分的硬度和含盐量，可以充分发挥反渗透的优点，使反渗透的水利用率、产水量、使用寿命都有很大的提高。这种脱盐系统常用来生产饮用纯净水。

第④种脱盐系统用于制取高纯水。电渗析可以代替离子交换复床，预先将原水的含盐量降低80%～95%，剩余的少量盐分再由离子交换混合床去除。由于取消了复床，可以减少酸、碱的消耗及再生废液的产生。电渗析-混合床离子交换制取高纯水系统应用广泛。

第⑤种除盐系统采用树脂电渗析工艺制取高纯度水。树脂电渗析亦可称为填充床电渗析，在国外还称为电除离子（electro deionization，简称EDI）或连续除离子（continuous deionization，简称CDI）。

5.1.3　技术选择与产品性能

（1）技术选择与适用范围

技术选择与适用范围见表5-4。

（2）电渗析器的规格和性能

电渗析器的规格和性能见表5-5～表5-7。

（3）电渗析器进水水质要求

水中所含的悬浮物、有机物、微生物、铁和锰等重金属杂质以及形成的胶体物质会造成离子交换膜的污染，降低离子交换膜的选择透过性，还会使隔板布水槽堵塞，电渗析本体阻力增大，流量降低，除盐效率下降。因此，原水进入电渗析之前，必须经过适当的预处理，去除原水中的胶体物质，达到电渗析进水标准。

根据国家行业标准《电渗析技术　脱盐方法》（HY/T 034.4—1994）规定，电渗析器的进水水质应符合表5-8的要求。