电渗析的应用

传统的电渗析到目前为止，今天在商业上是最相关的吗离子交换膜分离过程．电渗析最初是为生产咸淡水的脱盐而开发的饮用水．在这种应用中，电渗析在一定程度上被其他方法所取代膜过程如反渗透和纳滤。然而，海水淡化仍然是电渗析最重要的大规模应用。但电渗析在食品、制药和化学工业以及废水处理中的其他应用正变得越来越重要。另一个大型电渗析的应用是海水的预浓缩，用于生产食盐。表1列出了一些更重要的传统电渗析的大规模工业应用，以及该应用中使用的堆栈和工艺设计以及主要限制。

5.1.1微咸水电渗析脱盐

从微咸水生产饮用水是目前电渗析最大的单一应用。在微咸海水淡化中，电渗析与反渗透直接竞争。但在一定的给水盐成分范围内，电渗析比其他脱盐工艺具有明显的经济优势。电渗析主要用于每天处理能力在100立方米以下到20,000立方米以上的中小型工厂，微咸水盐度为10005000 mgL-1总溶解固体。因为在电渗析两者能源消耗并且所需膜面积随着给水浓度的增加而增加，反渗透被认为对总溶解盐超过10,000 mgL-1的海水淡化具有经济优势。与反渗透相比，电渗析的优点如下:水回收率高，膜的使用寿命长，在高达50°C的高温下运行，由于工艺逆转而引起的膜污染或结垢较少。与反渗透相比，电渗析的缺点是中性有毒成分，如病毒或细菌不能从饲料流中去除。因此,

表1常规电渗析的工业应用

工业应用	堆栈和流程设计	申请状态	限制	关键问题
微咸水脱盐	薄板流动，曲折路径堆叠，反向极性	商业	饲料集中度和成本	缩放、成本
锅炉给水生产	薄板流动，曲折路径堆叠，反向极性	商业	产品水质及成本	成本
废物和加工水处理	单向板流堆叠	商业	膜性能	膜污染
食品脱矿	片状流动或曲折路径堆叠，单向	商业试验阶段	膜的选择性和成本	膜污染，产品损失
食盐生产	单向板流堆叠	商业	成本	膜污染
反渗透盐水浓度	单向板流堆叠	试点阶段	成本	废物处理

图19工业规模的电渗析反式海水淡化装置。照片，由Ionics Incorporated提供。

产品水作为饮用水使用时可能需要后处理程序。尽管电渗析反法对膜污染的敏感性明显低于反渗透法，但仍需要对给水进行一些预处理。特别是铁和锰离子浓度必须保持在0.3和0.05 mgL-1以下。一个典型的大型电渗析海水淡化厂如图19所示。该工厂由美国马萨诸塞州沃特敦的Ionics公司建造，使用Aquamite EDR系统。

5.1.2生产工业用水通过电渗析

根据应用的不同，工业生产用水在总溶解固体和胶体物质方面必须达到一定的质量标准。传统上，沉淀、过滤和离子交换用于工业用水的生产。今天，这些过程被取代或越来越多地与微过滤、反渗透和电渗析结合使用。电渗析技术在工业水处理中的主要应用包括锅炉给水的再脱盐和工业污水的脱盐回用。

5.1.3电渗析废水处理

近年来，水费大幅增加。此外，某些工业废水的排放往往是有问题的和昂贵的，因为高盐浓度或有毒的水成分。这导致了工业废水回用的趋势。工业用水回用的一个典型应用是回收冷却塔放水。电渗析特别适合于这一目的，因为可以实现高达95%的高回收率和高达100,000 mg的高盐水浓度，这不仅降低了给水成本，而且还减少了废水排放。此外，离子交换膜可以在高达50°C的温度下工作，这是大多数冷却系统的范围。

水的回收并不总是治疗的主要目标工业废水．通常情况下，有毒或有价值的成分，如重金属离子被去除，以避免污染环境，并通过回收有价值的材料来节省处理化学品的成本。电渗析的大量有趣应用是在原电工业和金属表面处理过程中。一个典型的例子是从静止冲洗水中回收和浓缩镍，以及从废酸洗溶液中回收HCl、HNO3、HF等酸。电渗析在污水处理中还有许多有趣的应用。其中一些应用只需要相对较小的电渗析装置，例如，处理含有剧毒化合物的化学过程产生的少量废水。在其他应用中，必须处理相当大量的水。这就是造纸和纸浆工业的情况。在这里，电渗析已成功地用于去除氯化钠选择性化学回收硫酸盐纸浆生产周期。

5.1.4食品电渗析加工

在食品和饮料行业，也在生物技术和制药行业，电渗析已经发现了许多应用。其中一些应用可以被认为是最先进的工艺，如乳清的去电离。其他应用，如从蛋白质和糖溶液中去除盐或从发酵中去除盐和有机酸，如乳酸和某些氨基酸，已在中试工厂规模上进行了研究。然而，到目前为止，只有少数应用程序被商业化。传统的许多应用离子交换树脂在食品工业中可以用电渗析代替，提供更好的经济，更简单的操作，更少浪费材料，必须交存。

5.1.5混合工艺电渗析和盐的预浓缩

电渗析在海水淡化中的应用在一定浓度范围内是最经济的diluate，与精矿有关。为了利用电渗析在海水淡化中最有效的操作范围，与其他分离工艺相结合已被证明是非常有效的。然而，非常令人感兴趣的是，在日本，在没有天然盐矿的情况下，用于生产食盐的海水蒸发前的NaCl浓度。因此，对于食盐的生产和作为氯碱生产的原料，使用电渗析作为海水蒸发之前的预浓缩步骤会导致大量的节约能源．在日本，年产能在2万吨到20万吨以上的大型盐厂目前正在运行。电渗析稀释溶液的预浓缩对于从原水来源生产某些盐，如KBr或KI，以及处理某些工业废水以回收有价值或有毒的废水成分也是有意义的。在超纯水的生产中，电渗析与离子交换相结合是非常有效的，并最终导致了超纯水的发展连续电极电离作用过程并能不断再生离子交换作用树脂。另一种应用，目前正在实验室规模上进行研究，是在所谓的膜反应器中集成离子交换膜。在许多化学和生化反应中，超过一定浓度的反应产物或反应副产物会抑制反应。这通常限制了可达到的产品浓度，并需要额外的分离和浓缩步骤。连续去除反应抑制成分往往使连续更经济的生产成为可能。

大量的工作也集中在反向电渗析上，通过在电渗析堆栈中混合浓缩盐溶液(如海水)与河流或地表水来回收能量。虽然这个过程在技术上是可行的，但目前还不经济。

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