王鳳俠 衛(wèi)新來(lái) 劉俊生

摘 要：本文介紹了電滲析的原理及影響因素，總結(jié)了電滲析技術(shù)在處理高鹽廢水、氨氮廢水、重金屬?gòu)U水、放射性廢水、有機(jī)廢水等方面的應(yīng)用，并對(duì)電滲析技術(shù)在廢水處理應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望.

關(guān)鍵詞：電滲析;廢水處理;離子交換膜

中圖分類(lèi)號(hào)：X703.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1673-260X（2019）12-0036-06

地球上的淡水資源占水資源的2.5%-3.5%，其中人類(lèi)能使用的更少，僅占0.3%-0.8%[1].我國(guó)人均水資源占有量?jī)H為世界人均水資源占有量的1/4，且我國(guó)的城市67%以上存在缺水問(wèn)題[2].我國(guó)水資源有限，廢水的回收再利用在一定程度上能緩解我國(guó)水資源的短缺.廢水中含有鹽、重金屬、放射性物質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)、病毒、微生物等，不經(jīng)處理的廢水排放，不僅浪費(fèi)資源，還會(huì)污染周?chē)h(huán)境，會(huì)對(duì)動(dòng)物和人產(chǎn)生危害.

傳統(tǒng)的廢水處理方式以氧化還原法、生化處理法、蒸發(fā)濃縮技術(shù)等為主[3]，但這些方法存在高投資、操作繁瑣、處理?xiàng)l件不易滿足、能耗高等缺點(diǎn).與傳統(tǒng)的廢水處理方法相比，電滲析技術(shù)反應(yīng)條件溫和、易操作，裝置簡(jiǎn)單易于自動(dòng)化，不需要再外加試劑，是一種非常高效的廢水處理技術(shù)[4，5].電滲析技術(shù)是在外加電場(chǎng)的作用下，使不同的電荷的離子透過(guò)離子交換膜達(dá)到不同物質(zhì)分離的技術(shù)[6-8].

電滲析技術(shù)可應(yīng)用在濕法冶金、化工分離、化學(xué)反應(yīng)、輕工與食品加工、海水脫鹽、工業(yè)廢水處理等方面[9，10].按廢水的性質(zhì)分類(lèi)，電滲析技術(shù)可處理高鹽廢水、氨氮廢水、重金屬?gòu)U水、放射性廢水、有機(jī)廢水等[11-15].電滲析技術(shù)能量消耗低，易操作，試劑消耗少，是一種環(huán)境友好的分離技術(shù).

1 電滲析技術(shù)的原理及影響因素

電滲析處理的過(guò)程中，帶有電荷的離子選擇性通過(guò)離子交換膜，陰陽(yáng)離子的定向遷移，從而達(dá)到鹽分脫離或某些產(chǎn)物的純化[16，17].溶液中帶正電荷的組分在電流作用下向負(fù)電荷移動(dòng)，帶負(fù)電荷的則相反，溶液中不帶電荷的組分不受電位差的推動(dòng)的影響[18].電滲析反應(yīng)器內(nèi)有多組交替安置的陰陽(yáng)離子交換膜組件，在外加電場(chǎng)作用下將淡鹽室?guī)щ姾山M分遷移到濃鹽室.電滲析過(guò)程示意圖，如圖1所示.

電滲析技術(shù)的傳質(zhì)推動(dòng)力是電能，電壓、電流的大小是電滲析技術(shù)的關(guān)鍵[19].若電流過(guò)小，則達(dá)不到預(yù)期效果，若電流過(guò)大極有可能造成極化現(xiàn)象，被處理溶液的帶電離子不能迅速補(bǔ)充到離子交換膜與溶液之間，離子濃度趨于零，則停滯層大量水會(huì)被電離產(chǎn)生H+和OH-.范愛(ài)勇[20]等用雙極膜電滲析從琥珀酸鈉中分離琥珀酸，實(shí)驗(yàn)探索了不同的操作電流對(duì)琥珀酸濃度、電流效率以及能耗等的影響，結(jié)果表明在2.0A的電流下操作最佳，對(duì)1L濃度為0.5mol/L的琥珀酸鈉進(jìn)行處理后產(chǎn)生的琥珀酸質(zhì)量濃度約52.55g/L，平均能耗為3.24kW·h/kg，電流效率可達(dá)88%.

在電滲析過(guò)程中流量過(guò)小處理效率較低，也會(huì)造成膜堆沉淀，流量過(guò)大會(huì)對(duì)膜堆造成很大的沖擊，縮短膜的壽命.通常增大流量，處理效率會(huì)增大，處理時(shí)間會(huì)縮短.隨著流量的增大，流速變大，使脫酸濃縮兩室的溶液攪拌更加激烈，膜與溶液間的界面層的停滯層厚度變薄，易發(fā)生極化.劉穎[21]等對(duì)電滲析過(guò)程運(yùn)行參數(shù)和工藝進(jìn)行綜合優(yōu)化，探討結(jié)果表明當(dāng)?shù)髁繛?50L/h，濃水流量為120L/h，采用一級(jí)兩段膜堆構(gòu)型，兩段膜對(duì)數(shù)比為27/23時(shí)，電滲析系統(tǒng)的脫鹽率可達(dá)90%，有望實(shí)現(xiàn)低能耗海水淡化.電滲析裝置運(yùn)行中操作電壓、電流、流量、溶液初始濃度等均會(huì)對(duì)電滲析的工作效率產(chǎn)生影響，選擇合適的條件不僅會(huì)提高電滲析工作效率、增加膜的使用壽命還可降低能耗.

2 電滲析技術(shù)的應(yīng)用

2.1 高鹽廢水資源化利用

高鹽廢水通常指總?cè)芙夤腆w物（TDS）質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%的廢水，廢水中含大量的Cl-、SO42-、Na+、Ca2+、Mg2+等離子[22].高鹽廢水多產(chǎn)生于金屬冶煉、煤轉(zhuǎn)化、化工、制藥等產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中.高鹽廢水含有多種鹽類(lèi)，若不經(jīng)過(guò)處理直接排放，會(huì)造成土壤鹽堿化[23-25].

較成熟的處理高鹽廢水的方法有蒸發(fā)濃縮法、熱濃縮法、生化法、膜分離法等[26-30].蒸發(fā)濃縮設(shè)備簡(jiǎn)單，容易操作，該工藝技術(shù)適用于高鹽廢水中COD相對(duì)較低、鹽分易結(jié)晶的廢水，其工藝流程較長(zhǎng)、能耗高、處理效率低.熱濃縮法操作簡(jiǎn)單，淡水水質(zhì)好，但有些設(shè)備初期投入成本大，熱能利用率低.當(dāng)含鹽量高于2%時(shí)，不宜選用生化法[31]，高鹽廢水含有較高的化學(xué)需氧量，較少的生化需氧量，并且有些廢水含有較多的有毒物質(zhì)，宜先除去較多的鹽分，再選擇合適的生化處理方法.膜分離法由于其不需要外加化學(xué)物質(zhì)，是一種新興高效的廢水處理方法，處理高鹽廢水的膜分離方法有電滲析、反滲透技術(shù)等.與其他膜分離法相同，電滲析同樣有膜易污染、進(jìn)水水質(zhì)有要求的技術(shù)難題.但同時(shí)電滲析技術(shù)由于其操作簡(jiǎn)單、能耗低、污染小等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)年來(lái)成為處理廢水的一種高效的工藝.

吸附劑是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常用到的一類(lèi)物質(zhì)，一些吸附劑再生過(guò)程會(huì)產(chǎn)生高濃度含廢水.離子交換樹(shù)脂吸附水中的離子，降低水中的硬度、堿度和陰陽(yáng)離子，離子交換樹(shù)脂再生廢水中含有高鹽和高氯離子，對(duì)污水處理有較大的沖擊性，應(yīng)選用合適的處理方法對(duì)廢水進(jìn)行處理.王慧等[32]采用頻繁倒極電滲析法處理離子交換樹(shù)脂再生廢水，其工藝對(duì)再生廢水的脫鹽率、氯離子、總硬度的去除率分別為85.46%、91.13%、59.38%，對(duì)鹽分有脫除效率的同時(shí)氯離子能達(dá)到回用水標(biāo)準(zhǔn).

在稀土廠生產(chǎn)過(guò)程中每天排放的廢水中硫酸銨平均濃度為50000mg/L，氯化銨平均濃度為 60000mg/L左右，若不對(duì)這類(lèi)廢水進(jìn)行處理不僅浪費(fèi)銨資源和水資源，更會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染.薛德明[33]等嘗試用離子交換膜電滲析法對(duì)硫酸銨廢水進(jìn)行濃縮回收，研究表明這類(lèi)銨鹽呈現(xiàn)良好的電滲析脫除性能和濃縮性能，在一定條件下銨鹽濃度可達(dá)到5mg/L以下，高鹽濃縮液可作為液體銨肥直接利用，淡化水可達(dá)標(biāo)排放或經(jīng)過(guò)深度處理作為回用水.

靖陽(yáng)等[34]以實(shí)際焦化廢水深度處理工程項(xiàng)目產(chǎn)生的反滲透濃水為研究對(duì)象，采用電滲析法處理二級(jí)反滲透廢水，進(jìn)水水質(zhì)TDS為10000-20000 mg/L，出水水質(zhì)TDS為250-500mg/L，電滲析產(chǎn)生的少量的濃水的TDS值已超過(guò)40000mg/L，經(jīng)進(jìn)一步處理可實(shí)現(xiàn)污水零排放.夏敏等[35]研究了雙極膜電滲析技術(shù)在工業(yè)高含鹽廢水中的應(yīng)用，圖2為高含鹽廢水零排放處理流程，其中濃縮和濃縮液處理階段包含電滲析技術(shù).與傳統(tǒng)電滲析不同，雙極膜電滲析能將水快速解離生成H+和OH-，通過(guò)離子交換膜將鹽轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的酸和堿[36-37]，經(jīng)雙極膜電滲析處理的高鹽廢水最終產(chǎn)物為相應(yīng)的酸和堿，使廢水得到資源化利用.電滲析-反滲透技術(shù)連用常作為廢水處理的末端處理工藝，以更低的投資和大致相當(dāng)?shù)哪芎模瑢⒄舭l(fā)水量減少了40%，這也使得零排放系統(tǒng)的整體投資與運(yùn)行能耗進(jìn)一步顯著降低[38].研究表明電滲析可減少高鹽廢水對(duì)環(huán)境污染的同時(shí)能實(shí)現(xiàn)高鹽廢水資源化利用.

2.2 處理氨氮廢水

廢水中含有氨氮易導(dǎo)致廢水富營(yíng)養(yǎng)化，水體富營(yíng)養(yǎng)化后藻類(lèi)及其他微生物大量繁殖，從而導(dǎo)致水中溶解氧的下降，溶解氧下降導(dǎo)致水中生物和植物生存困難，水體出現(xiàn)惡臭腐爛現(xiàn)象.高濃度氨氮廢水中還含有酚類(lèi)、堿和重金屬等物質(zhì)，其危害大，不易處理[39].在生產(chǎn)過(guò)程中氨氮對(duì)金屬銅具有腐蝕性，氨氮在管道中易與微生物形成生物垢，阻塞管道并影響換熱效率[40].處理低氨氮廢水常采用生物硝化反硝化法[41].處理高氨氮廢水常采用吹脫法，其脫氨率僅為70%，無(wú)法達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，且投資大，低溫時(shí)效率低，二次污染嚴(yán)重[42].

為解決碳酸鈷企業(yè)廢水處理過(guò)程中存在氨氮回收利用率低、能耗大的問(wèn)題，柴子緋等[43]采用電滲析對(duì)反滲透濃縮后的廢水繼續(xù)進(jìn)行濃縮，進(jìn)水銨鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%-3%，經(jīng)電滲析處理后質(zhì)量分?jǐn)?shù)在13%左右，高銨鹽廢水經(jīng)蒸發(fā)結(jié)晶產(chǎn)品可外賣(mài)，實(shí)現(xiàn)資源回收利用.有學(xué)者采用電滲析法和PP中空纖維膜法，處理高濃度無(wú)機(jī)氨氮廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電滲析電壓為50V時(shí)，濃水氨氮濃度為3400.0mg/L，淡水為11.5mg/L，淡水出水率為86%[44].楊曉奕[42]等也用電滲析法和PP中空纖維膜法分離回收了氨氮，進(jìn)水濃度2000-3000mg/L，氨氮去除率在85%以上，同時(shí)可獲得8.9%的濃氨水.用此法處理含氨氮的廢水，不僅有效地分離回收了氨氮，且出處理效率高、無(wú)試劑的二次污染，處理后的廢水可以達(dá)標(biāo)排放.

垃圾滲濾液中含有高濃度氨氮，陳日耀等[45]研究采用陰陽(yáng)離子雙隔膜三室電解槽，以鐵為陽(yáng)極，石墨作陰極，采用電滲析技術(shù)，將垃圾滲濾液中氨氮富集到陰極液中，以化學(xué)沉淀法去除，經(jīng)處理后氨氮濃度可降至200mg/L以下.程昊等[46]采用改性殼聚糖、海藻酸鈉雙隔膜電滲析處理垃圾滲濾液，滲濾液中氨氮濃度從1392mg/L降至169mg/L，陰極室氨氮濃度為1063mg/L，經(jīng)進(jìn)一步處理陰極室廢水可達(dá)標(biāo)排放.以上研究表明，電滲析可作為垃圾滲濾處理的一種技術(shù)，且去除氨氮效果較好，不會(huì)產(chǎn)生其他污染.

2.3 分離廢水中重金屬

含重金屬的廢水通過(guò)直接食用或經(jīng)過(guò)食物鏈的積累進(jìn)入人和其他生物體內(nèi)，并且不易排出，具有生物富集性，對(duì)人和其他生物具有潛在的危害[47].處理含重金屬的廢水，傳統(tǒng)的中和法需要大量的外加試劑，同時(shí)不能富集回收廢液中的重金屬離子.離子交換樹(shù)脂需頻繁再生樹(shù)脂，產(chǎn)生大量廢液，增加處理成本.離子交換、吸附和膜過(guò)濾是處理重金屬離子廢水常用的方法[48].用于去除各種離子，如Cr3+，Cr6+，Cu2+，Mn2+，Pb2+，F(xiàn)e3+，Ni2+等[49-51].

金銅礦山在開(kāi)采和生產(chǎn)的過(guò)程中產(chǎn)生大量含銅、鐵的酸性廢水，銅堆浸實(shí)驗(yàn)廠排出的廢水的酸度和重金屬含量都較高.陳明等[52]采用電滲析方法處理含銅酸性廢液，在多段電滲析處理后，淡化室中的廢水中Cu2+和H+的去除率分別為97.08%、99.20%，能有效去除大部分的銅離子，同時(shí)濃縮液中富集了Cu2+、Fe3+等離子.Xing Y Q等[53]研究經(jīng)電滲析處理的廢水中Cr6+的濃度由最初的40-100mg/L降低至0.09-0.49mg/L，濃室回收液中Cr6+的濃度達(dá)到6300mg/L.

在處理含鈾工藝廢水，電滲析的作用為濃縮和后級(jí)深度凈化，電滲析進(jìn)水水質(zhì)鈾含量為0.003mg/L，出水水質(zhì)鈾含量為0mg/L，去除率達(dá)到100%[54].楊飛等[55]采用電滲析對(duì)濃縮的鈾多金屬礦選冶廢水進(jìn)行濃縮凈化處理，經(jīng)處理后所含重金屬離子可達(dá)到純凈水的標(biāo)準(zhǔn).

2.4 處理放射性廢水

含放射性物質(zhì)的廢水來(lái)源于工業(yè)產(chǎn)生的廢水、有色冶金產(chǎn)生的廢水、同位素研究產(chǎn)生的廢水及核設(shè)施運(yùn)行中產(chǎn)生廢水等.放射性物質(zhì)不僅對(duì)動(dòng)物及人類(lèi)產(chǎn)生影響，對(duì)農(nóng)作物及植物也會(huì)產(chǎn)生極大影響.傳統(tǒng)的放射性廢水處理主要是過(guò)濾、蒸發(fā)、離子交換等工藝.近年來(lái)隨著膜技術(shù)的發(fā)展，也有人逐漸采用電滲析技術(shù)來(lái)處理放射性廢水[56].

有人采用U靶經(jīng)反應(yīng)堆輻照再冷卻5天后的含裂變同位素溶液，加入到苦咸水中作原廢液進(jìn)行研究，經(jīng)電滲析循環(huán)實(shí)驗(yàn)，其放射性廢水總脫除率在98%左右，放射性物質(zhì)凈化率達(dá)97.6%[57].邵剛等[58]采用二級(jí)電滲析處理低放射性廢水，原水比活度為370-3700Bq/L，經(jīng)二級(jí)電滲析處理后水中比活度為14.8-37Bq/L，低放射性物質(zhì)凈化率為98%.張維潤(rùn)[56]采用二級(jí)四段電滲析處理某基地低放射性廢水，濃水體積減少到原廢水的5%，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果總比活度凈化率98%，凈化水質(zhì)達(dá)到排放要求.用電滲析技術(shù)處理含有Cs、Co、U的廢水，廢水比活度約50Bq/L，凈化水比活度為0.02Bq/L，凈化水可直接排放[59].研究表明電滲析技術(shù)是一種可以應(yīng)用于放射性廢水處理的技術(shù)，其在放射性廢水處理尚處于試用階段，主要受限于電滲析離子膜的穩(wěn)定性.

2.5 分離廢水中有機(jī)物

有機(jī)化合物成分復(fù)雜，有些組分毒性較大，不易降解，易在生物體聚集，有些甚至致癌，研究適宜的去除廢水中有機(jī)物的工藝很有必要.處理有機(jī)廢水的方法有物理法和化學(xué)法、低溫等離子處理技術(shù)、曝氣生物濾池處理，物理法和化學(xué)法處理不徹底且需要外加試劑易造成二次污染，低溫等離子處理技術(shù)、曝氣生物濾池處理的處理?xiàng)l件均受到限制，與此相比電滲析技術(shù)是一種更為高效清潔的處理技術(shù)[60]，特別是在處理含有有機(jī)物的同時(shí)含有其他復(fù)雜成分的廢水時(shí)，電滲析技術(shù)表現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).

農(nóng)藥廢水不僅毒性有機(jī)物殘留量高并且含有大量的鹽分，給農(nóng)藥廢水的處理增加了難度.關(guān)瑩[61]嘗試采用四室電滲析反應(yīng)器對(duì)實(shí)際農(nóng)藥生產(chǎn)二級(jí)處理出水進(jìn)行深度處理，其鹽分脫除率為95.8%，TOC去除率為72.3%，出水水質(zhì)較好，通過(guò)改進(jìn)工藝，采用自制三室多極電解電滲析反應(yīng)器，與傳統(tǒng)電滲析相比可有效降解廢水中的特征有機(jī)污染物三環(huán)唑，同時(shí)降低了能耗.

高COD的有機(jī)廢液通常采用生化處理法，但在含鹽量較高的情況下無(wú)法直接對(duì)COD進(jìn)行生化處理.造紙廢水含有較高的COD和鹽，有人采用微濾-電滲析工藝處理造紙廢水，其出水COD濃度可低于20mg/L[62].Luiz等[63]用電滲析處理高鹽、高有機(jī)物濃度的生物煉制廢水，脫鹽率可達(dá)到96%，有機(jī)物損失0.3%-6.3%.趙則龍[64]采用電滲析技術(shù)分離廢水中3-氯丙烯醇與無(wú)機(jī)鹽，優(yōu)化工藝參數(shù)后，3-氯丙烯醇回收率大于95%.研究表明，電滲析技術(shù)在處理高鹽的高有機(jī)物廢水過(guò)程中，能有效分離廢水中的有機(jī)物.

電滲析與其他處理技術(shù)聯(lián)用處理高含量有機(jī)廢水也受到關(guān)注[65，66].魏江波[67]等采用滲透汽化法-電滲析技術(shù)去除費(fèi)托合成廢水中含氧有機(jī)物.通過(guò)二級(jí)滲透汽化分離，有機(jī)物質(zhì)量可提高約53%，在優(yōu)化條件下，20分鐘內(nèi)廢水中的乙酸的去除率可以達(dá)到91%.電滲析作為預(yù)處理技術(shù)與其他技術(shù)連用可以降低乙酸對(duì)于設(shè)備的腐蝕，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益.

3 結(jié)語(yǔ)與展望

電滲析技術(shù)以其高效經(jīng)濟(jì)等的優(yōu)點(diǎn)正在逐漸在廢水領(lǐng)域內(nèi)得到應(yīng)用.電滲析技術(shù)依托工藝的改進(jìn)和膜材料的創(chuàng)新發(fā)展.在工藝改進(jìn)方面各個(gè)行業(yè)的不同廢水水質(zhì)有其局限性，電滲析技術(shù)的工藝應(yīng)與廢水的性質(zhì)相適宜.電滲析處理技術(shù)作用于廢水中含有電荷的物質(zhì)，因此能同時(shí)處理廢水中多種物質(zhì)，能簡(jiǎn)化廢水處理流程.電滲析能處理不同性質(zhì)的廢水，對(duì)于多種復(fù)雜成分的廢水，電滲析技術(shù)能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì).

電滲析技術(shù)處理廢水對(duì)進(jìn)水水質(zhì)有一定的要求，處理后的水質(zhì)可能并未達(dá)到排水要求，電滲析技術(shù)與其他水處理技術(shù)連用，如電滲析-離子交換樹(shù)脂連用、反滲透-電滲析-超濾連用等技術(shù)也會(huì)受到更多的關(guān)注.開(kāi)發(fā)高性能的離子交換膜是電滲析技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵.對(duì)電性相同，價(jià)態(tài)不同的離子有選擇性的離子交換膜，可以有效提高電滲析分離效率.近年來(lái)我國(guó)新興的膜材料在一定程度上促進(jìn)電滲析技術(shù)的發(fā)展.高選擇性的同時(shí)，耐污性能好的離子交換膜，將會(huì)是電滲析技術(shù)開(kāi)發(fā)和研究的重點(diǎn).電滲析在廢水資源化利用和資源回收方面的應(yīng)用也將會(huì)受到更多的關(guān)注.

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