今天的主題是電滲析工藝，主要從原理與分離特性、組成結(jié)構(gòu)和工藝計(jì)算這幾個(gè)方面來進(jìn)行介紹。內(nèi)容可能有點(diǎn)長，可以分開閱讀。

電滲析原理與過程

電滲析原理

在直流電場的作用下，利用陰、陽離子交換膜對溶液中的陰、陽離子的選擇透過性，分離溶質(zhì)和水，此過程即為電滲析。

電滲析結(jié)構(gòu)

電滲析過程

通過陽極和陰極在裝置兩側(cè)施加直流電場，陰、陽離子交換膜則交替排列在陽極和陰極之間，兩種膜之間用特制的隔板隔開，隔板內(nèi)則有水流的通道。

在陰離子交換膜和陽離子交換膜之間通入含鹽水，在直流電場的作用下，水中的陰陽離子就會(huì)發(fā)生移動(dòng)，其中陽離子向陰極方向移動(dòng)，陰離子向陽極方向移動(dòng)：

電滲析 離子移動(dòng)過程

但是由于陽離子交換膜只允許陽離子通過，陰離子交換膜只允許陰離子通過，這樣就會(huì)使一部分隔室內(nèi)的離子濃度減少，這樣的隔室也稱為淡室，淡室中出水為淡水；而另一部分隔室的離子濃度則會(huì)增加，稱之為濃室，出水為濃水。

在整個(gè)過程中，除了含鹽水得到淡化外，電極室還會(huì)發(fā)生電極反應(yīng)：

電滲析種電極室內(nèi)的反應(yīng)

陰極室內(nèi)溶液呈堿性，當(dāng)水中含有高濃度硬度離子時(shí)，還可能會(huì)結(jié)垢；陽極室通常呈酸性，可能會(huì)對電極產(chǎn)生腐蝕作用。

離子交換膜的選擇透過性

電滲析工藝對水中陰、陽離子的選擇性，與所采用的離子交換膜的選擇透過性室密切相關(guān)的。

與離子交換樹脂類似，離子交換膜由基膜和活性基團(tuán)兩大部分組成，其中基膜為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子化合物，活性基團(tuán)則是由具有交換作用的離子和與基膜相連的固定離子所組成的。

離子交換膜根據(jù)基團(tuán)帶電的不同，分為陰離子交換膜和陽離子交換膜：

陰陽離子交換膜

然后我們以陽膜為例，介紹一下離子交換膜選擇透過性的機(jī)理：

陽離子交換膜結(jié)構(gòu)

在陽膜中有高濃度的帶負(fù)電的固定離子，這些固定離子是與基膜相結(jié)合的，因?yàn)殡娭行缘脑?，這些負(fù)電荷會(huì)被周圍流動(dòng)的反離子（正離子）平衡；由于靜電的相斥作用，陽膜中的固定離子將會(huì)阻止同電荷離子（負(fù)離子）進(jìn)入陽膜內(nèi)。

因此在電滲析的過程中，只有反離子才可能會(huì)在電場的作用下進(jìn)入膜內(nèi)，然后移動(dòng)并滲透通過膜，而膜內(nèi)可移動(dòng)的同電荷離子的濃度則很低。

以上機(jī)理的主要內(nèi)容，也就是英國物理化學(xué)家Donnan（譯作道南或唐南）在1911年論述的Donnan排斥效應(yīng)。離子交換膜則是以這種效應(yīng)為基礎(chǔ)，選擇性的讓離子通過。

作為離子交換膜重要的性質(zhì)，還是以陽膜為例，我們再看一下選擇透過性的表征方式：

陽膜的選擇透過性表征方式

如果想要較高的選擇透過性，那么需要t+‘=1，即P+=100%但是這個(gè)要求太過于理想化了，畢竟現(xiàn)實(shí)很骨感，一般來說，實(shí)際使用中陽膜對陽離子選擇透過率＞0.9，對陰離子的選擇透過率＜0.1就可以了。

電滲析器的構(gòu)造與組裝

電滲析器構(gòu)造

說完了電滲析的原理和交換膜的分離特性之后，我們再來看一下電滲析器的構(gòu)成。電滲析器的主體包括膜堆、極區(qū)和緊固裝置：

電滲析器的構(gòu)成

除此之外，還有一些諸如料液槽、直流電源、水泵及預(yù)處理設(shè)備等附屬設(shè)備。

下面是電滲析器的結(jié)構(gòu)示意圖：

電滲析器的結(jié)構(gòu)

其中極區(qū)是提供電滲析電源的主要設(shè)備，常用材質(zhì)為不銹鋼、石墨等；膜堆則由交替排列的陰、陽離子交換膜和交替排列的濃、淡室隔板組成，也可以說是若干個(gè)膜對的集合體。而這個(gè)膜對則是電滲析中的脫鹽的基本單元：

膜對的結(jié)構(gòu)

膜對由一對陰、陽離子交換膜和一對濃、淡水隔板簡體排列組成。隔板通常為隔網(wǎng)（類似編織網(wǎng)），其主要作用是隔開陰、陽離子交換膜，形成淡水室和濃水室。根據(jù)在電滲析器內(nèi)不同的位置，隔板又分為淡水隔板和濃水隔板，兩者之間的差異主要是不同的配水孔和流水道位置。

電滲析裝置工作模式

下面是一個(gè)膜對構(gòu)成的電滲析裝置，我們看一下其中淡水和濃水在其內(nèi)部的流動(dòng)情況：

電滲析淡水與濃水的流動(dòng)情況

原水由右側(cè)的兩個(gè)孔分別流入濃水室和淡水室，淡水室和濃水室中的離子在電場的作用下發(fā)生移動(dòng)，陰、陽離子分別向陽極和陰極方向移動(dòng)，由于離子交換膜的選擇透過性，濃水室中的離子濃度不斷增加，淡水室中的離子濃度不斷降低，形成的淡水和濃水則會(huì)從左側(cè)的出水孔流出。

電滲析裝置組裝

說完了電滲析器的構(gòu)造和基本工作方式，我們再看一下電滲析其的組裝方式。在此之前，我們先介紹兩個(gè)概念，分別是“級(jí)”和“段”，一級(jí)指的是一對正、負(fù)電極之間的膜，一段指的是具有同一水流方向并聯(lián)的膜。

電滲析裝置不同的組裝方式會(huì)有不同的效果。增加級(jí)數(shù)可以降低兩個(gè)電極之間的電壓，降低裝置的供電要求；增加段數(shù)則可以增加水的停留時(shí)間，提高脫鹽的效率。如下則是幾種常見的組裝方式：

電滲析裝置組裝方式

一級(jí)一段的膜堆都在同一水流的并聯(lián)方向；

二級(jí)一段在兩個(gè)電極之間增加了一個(gè)共電極區(qū)，電極間距變短了，可以降低兩個(gè)電極之間的供給電壓；

一級(jí)兩段在一對電極的中間增加了一個(gè)倒向膜板，將膜堆分成了兩個(gè)同一水流方向的并聯(lián)膜堆，增加了水流在電滲析中的流動(dòng)長度，增加了脫鹽的效率；

兩級(jí)兩段則是在兩級(jí)兩段的基礎(chǔ)上，改變后段的方向，既可以降低電極間電壓，又可以增加流動(dòng)長度，提高脫鹽效率。

電滲析工藝計(jì)算

在了解了原理和構(gòu)造之后，最后看一下電滲析的工藝計(jì)算，了解一下其中重要的工藝參數(shù)。

極限電流密度

在介紹極限電流密度事前，先說一下電滲析過程中普遍存在的一個(gè)現(xiàn)象—濃差極化。下圖是NaCl溶液在電滲析中的遷移過程：

NaCl溶液在電滲析中的遷移過程

淡水室中加入NaCl溶液，在電場的作用下，淡水室中的Na+和Cl-就會(huì)發(fā)生遷移，其中Na+透過陽膜向陰極移動(dòng)，Cl-透過陰膜向陽極移動(dòng)。

淡水室溶液中的電荷傳遞是Na+和Cl-共同承擔(dān)的，因此兩者的遷移數(shù)可以近似為0.5，但是膜中的遷移數(shù)就不是這樣了。

以陰膜為例，由于選擇透過性，只允許Cl-通過，導(dǎo)致Cl-在陰膜中的遷移數(shù)要大于溶液中的遷移數(shù)，而為了維持正常的電流傳導(dǎo)，就需要使用陰膜邊界層的Cl-進(jìn)行補(bǔ)充，使得邊界層和主流層之間呈現(xiàn)一個(gè)濃度差（上圖中的C-C’，其中C為主流層離子濃度，C‘為邊界層離子濃度）。

濃差極化現(xiàn)象

如果增加電流密度，那么這個(gè)濃度差也會(huì)增加，當(dāng)電流密度增大到C‘趨向于0時(shí)，為了電流傳導(dǎo)的維持，水分子就會(huì)分解為H+和OH-，其中的OH-就會(huì)代替Cl-參與遷移，這種現(xiàn)象就稱為濃差極化現(xiàn)象，而此時(shí)的電流密度就是極限電流密度。

濃差極化現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，由于部分電能被用于電解水，會(huì)降低電流的效率；淡室中電離出的OH-會(huì)通過陰膜進(jìn)入濃室，導(dǎo)致濃室中的pH增大，容易產(chǎn)生結(jié)垢，導(dǎo)致膜電阻增大，進(jìn)而使耗電量增加。

所以，我們是需要避免電滲析裝置在極限電流密度條件下進(jìn)行工作的。首先要計(jì)算出這個(gè)極限電流密度ilim，它與流速和離子的平均濃度均有關(guān)：

極限電流密度計(jì)算公式

由上可以看到，隔板的設(shè)計(jì)，對于極限電流密度的影響是十分重要的。

除了理論計(jì)算，極限電流密度還可以通過電壓-電流法來進(jìn)行測定。在進(jìn)水濃度穩(wěn)定的前提下，保持濃水、淡水和極室水的流量和進(jìn)口壓力，逐漸提高電壓，等設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后再測定相應(yīng)的電流值。

以膜對的電壓為縱坐標(biāo)，電流密度為橫坐標(biāo)，可得膜對電壓-電流密度圖如下：

膜對電壓-電流密度圖

當(dāng)電壓較小時(shí)，電流密度會(huì)隨電壓的增加呈線性增長，但電壓增加到一定數(shù)值后，電流密度的增加幅度就會(huì)逐漸降低了。其中P點(diǎn)為曲線兩端切線的交點(diǎn)，過P電的垂線與與曲線的交點(diǎn)C即為極限電流密度ilim。

通過改變淡水隔板流道的水流速度v，就可以得到該流速下相對應(yīng)的極限電流密度ilim和淡室中水的對住平均離子濃度C，利用圖解法就可以得到Kp和n的值。

當(dāng)我們得到了極限電流密度，那么在電滲析運(yùn)行過程中，我們就可以把操作電流密度控制在極限電路密度之下，避免極化現(xiàn)象的發(fā)生。

電流效率與電能效率

在電滲析中，實(shí)際去除的鹽量與理論去除鹽量的比值即為電流效率，反映了電滲析中電流的利用效率的高低。

對于實(shí)際除鹽量和理論除鹽量，則可以通過下面的公式進(jìn)行計(jì)算：

實(shí)際除鹽量與理論除鹽量計(jì)算

除此之外，還有一個(gè)參數(shù)為電能效率，即整臺(tái)電滲析設(shè)備脫鹽的理論耗電量與實(shí)際耗電量的比值，用于衡量電滲析中電能的利用程度。

工作電壓

再一個(gè)就是電滲析的工作電壓，作為重要的操作工藝參數(shù)，指的是施加在兩個(gè)電極之間的操作電壓，工作電壓為每對電極的極區(qū)電壓與膜對電壓的和：

電滲析工作電壓V計(jì)算

如果膜對數(shù)很多，工作電壓就可能會(huì)很大，這時(shí)根據(jù)前面我們說過的電滲析的組裝部分的內(nèi)容，就可以增加串聯(lián)的電滲析器的級(jí)數(shù)，來降低電極間的總電壓，來減少電滲析對供電設(shè)備的要求。

總流程長度

這個(gè)參數(shù)指的是在給定條件下需要的脫鹽流程長度，對于一級(jí)一段或多級(jí)一段構(gòu)成的電滲析器，脫鹽總流程長度就是隔板流道的總長度，首先我們需要計(jì)算平均電流密度i：

平均電流密度i計(jì)算公式

其中一個(gè)淡室的流量為：

上面兩個(gè)公式代入電流效率公式中，變換后就可以得到脫鹽流程長度的計(jì)算公式：

并聯(lián)膜對數(shù)

最有一個(gè)參數(shù)為電滲析器的并聯(lián)膜對數(shù)，其計(jì)算公式為：

其中Q為產(chǎn)水量（L/s）。