新型電滲析工藝的技術發展與應用
工(gong)業化發(fa)展帶來的(de)污(wu)染促(cu)使(shi)人們(men)尋(xun)求(qiu)解(jie)決(jue)水資(zi)源短缺的(de)方(fang)法(fa)(fa)，其中水體脫鹽是(shi)開發(fa)利用非常規(gui)水資(zi)源中最(zui)有(you)前途(tu)的(de)方(fang)法(fa)(fa)之一(yi)，海水是(shi)水體脫鹽的(de)主要目標物，海水淡化行(xing)業的(de)發(fa)展也促(cu)進(jin)了(le)諸如(ru)污(wu)水處理(li)(li)廠三級(ji)廢(fei)水、地表含鹽水、高硝(xiao)酸(suan)鹽工(gong)業、罐頭(tou)加工(gong)和垃圾填埋(mai)場滲濾(lv)液(ye)處理(li)(li)等高鹽廢(fei)水脫鹽技(ji)術的(de)發(fa)展。
自(zi)20世紀50年代以來，脫鹽技(ji)術在實(shi)現(xian)較高有(you)機(ji)負荷率、減少結垢、提高通(tong)量和(he)選擇(ze)性以及(ji)降低成本上取得了巨大的進步。
脫鹽過程分(fen)為膜（非相變(bian)）脫鹽過程和熱（相變(bian)）脫鹽過程，膜脫鹽工(gong)藝利用膜作(zuo)為物理屏障從廢(fei)水中分(fen)離污(wu)染物，熱脫鹽工(gong)藝則利用能量蒸發出廢(fei)水中的水分(fen)子將污(wu)染物轉(zhuan)化(hua)為固體。
近(jin)年來反滲透、電滲析、多(duo)效膜蒸餾等技(ji)(ji)術(shu)被廣泛應用于(yu)脫(tuo)鹽(yan)領(ling)域，其中(zhong)多(duo)級閃(shan)蒸脫(tuo)鹽(yan)、多(duo)效蒸發/蒸餾、膜蒸餾技(ji)(ji)術(shu)等屬于(yu)熱(re)脫(tuo)鹽(yan)，反滲透、電滲析等屬于(yu)膜脫(tuo)鹽(yan), 不同(tong)脫(tuo)鹽(yan)技(ji)(ji)術(shu)能耗對比(bi)見表 1。
由表 1可知，與熱(re)脫鹽(yan)相(xiang)比，膜脫鹽(yan)的(de)能耗(hao)更低(di)，自2000年后，約70%的(de)脫鹽(yan)工廠采用膜工藝。
大多熱脫(tuo)鹽工藝具有壓力較高、抗污(wu)染(ran)抗氧化(hua)性較差(cha)、回(hui)收率(lv)低(di)、能耗(hao)大等問題，開發安全、便捷、低(di)成本、高容量、可(ke)回(hui)收的脫(tuo)鹽技術一直是技術創新(xin)的核心(xin)所在。傳統電滲(shen)析(xi)過(guo)程(cheng)中不(bu)發生相變和化(hua)學(xue)反應，無需引入(ru)化(hua)學(xue)藥劑，能耗(hao)低(di)，對環境污(wu)染(ran)小。
通過(guo)考(kao)察近十(shi)年(nian)(nian)來與電滲(shen)析相關(guan)的(de)(de)SCI論(lun)文發(fa)(fa)表數量發(fa)(fa)現(xian)（數據來自(zi)Web of Science關(guan)鍵詞“Ele-ctrodialysis”），論(lun)文發(fa)(fa)表數量逐年(nian)(nian)增加，由(you)2010年(nian)(nian)的(de)(de)191篇(pian)增加到2019年(nian)(nian)的(de)(de)505篇(pian)。
脫鹽(yan)技術(shu)(shu)除了被應用于生(sheng)產淡(dan)水(shui)外，有效去除污水(shui)中重金屬(shu)等(deng)有害離子實(shi)現(xian)污水(shui)凈化也是脫鹽(yan)技術(shu)(shu)的技術(shu)(shu)目標。
本(ben)研(yan)究介(jie)紹了(le)傳統電(dian)滲析(xi)技術(shu)(shu)的(de)基(ji)(ji)本(ben)原理及(ji)(ji)技術(shu)(shu)限制(zhi)，以(yi)及(ji)(ji)幾(ji)種典型新型電(dian)滲析(xi)工藝的(de)基(ji)(ji)本(ben)技術(shu)(shu)原理、裝(zhuang)置運行模式和(he)應用范圍(wei)，以(yi)期推動(dong)電(dian)滲析(xi)技術(shu)(shu)的(de)發展(zhan)和(he)研(yan)究。
01 傳統電滲析技術
電滲析（electrodialysis，ED）裝置由直流電場和(he)多對離(li)(li)子(zi)交(jiao)換(huan)膜組成，在陰極(ji)(ji)(ji)和(he)陽極(ji)(ji)(ji)之間交(jiao)錯放置了數對陰離(li)(li)子(zi)交(jiao)換(huan)膜（AEM）和(he)陽離(li)(li)子(zi)交(jiao)換(huan)膜（CEM），其內(nei)部利用隔離(li)(li)墊片(pian)來分離(li)(li)，在靠近電極(ji)(ji)(ji)處電解(jie)質(zhi)溶液(ye)循環通過電極(ji)(ji)(ji)室(shi)(shi)形成電極(ji)(ji)(ji)沖洗室(shi)(shi)。
電滲析技術基本原(yuan)理為：利(li)用(yong)離子交換膜的選擇透過性，在(zai)(zai)外(wai)加直(zhi)流電場的作用(yong)下使陰陽離子定向遷移(yi)選擇性過膜，在(zai)(zai)由離子交換膜形(xing)成的隔室(shi)內交替形(xing)成濃水(shui)室(shi)和淡水(shui)室(shi)實現(xian)脫鹽目的，具體原(yuan)理見圖 1。
電(dian)滲(shen)析裝(zhuang)置(zhi)通常由離子(zi)交換膜、電(dian)源(yuan)、輔助(zhu)材料（墊片、電(dian)極、密封墊片）組成(cheng)。裝(zhuang)置(zhi)中(zhong)電(dian)極通常由鈦、氧化鋁、石(shi)墨(mo)等碳材料制成(cheng)。
裝(zhuang)置中離子交換膜由(you)活性離子交換基團、固定(ding)官能團和(he)疏水底物組成，具有選擇透過性，根據(ju)膜結構(gou)中的(de)固定(ding)電荷屬性分(fen)為陽離子交換膜和(he)陰離子交換膜。
電(dian)滲(shen)析傳(chuan)質(zhi)過(guo)程(cheng)(cheng)復雜涉及(ji)參(can)數多(duo)，難以從實驗角度對(dui)其進(jin)行(xing)全面深入的研(yan)究(jiu)，因此近年(nian)來相(xiang)關科(ke)研(yan)人員嘗(chang)試通過(guo)模擬電(dian)滲(shen)析中的物(wu)質(zhi)分離(li)(li)過(guo)程(cheng)(cheng)及(ji)物(wu)質(zhi)傳(chuan)遞過(guo)程(cheng)(cheng)優化(hua)電(dian)滲(shen)析工(gong)藝，電(dian)滲(shen)析的傳(chuan)質(zhi)過(guo)程(cheng)(cheng)包(bao)括濃差極化(hua)現象、離(li)(li)子(zi)(zi)交換膜(mo)間對(dui)流傳(chuan)遞、離(li)(li)子(zi)(zi)定向或過(guo)膜(mo)的電(dian)遷移傳(chuan)遞和擴散傳(chuan)遞、電(dian)解質(zhi)-膜(mo)平衡等(deng)過(guo)程(cheng)(cheng)。
用于描述電滲析(xi)傳(chuan)質(zhi)過程的最常(chang)見模型(xing)為Nernst-Planck模型(xing)和Maxwell-Stefan模型(xing)，分(fen)別適用于單和多電解質(zhi)體系。
02 新型電滲析技術發展
近年來，人們相繼開發了可(ke)同時產酸堿的(de)雙極膜電(dian)滲(shen)(shen)(shen)析(xi)技術、利用膜特性(xing)(xing)進行離子(zi)選擇(ze)性(xing)(xing)分離的(de)選擇(ze)性(xing)(xing)電(dian)滲(shen)(shen)(shen)析(xi)、具有重組和濃縮離子(zi)能力的(de)復分解電(dian)滲(shen)(shen)(shen)析(xi)、將化學差勢能轉化為(wei)電(dian)勢差發電(dian)的(de)逆電(dian)滲(shen)(shen)(shen)析(xi)等新型電(dian)滲(shen)(shen)(shen)析(xi)技術。
2.1 雙極膜電滲析
除普通電滲析外，雙極(ji)膜(mo)電滲析是在實際生產中最常用的(de)電驅動膜(mo)分(fen)離工藝(yi)。雙極(ji)膜(mo)電滲析在傳統電滲析的(de)基礎(chu)上引入了雙極(ji)膜(mo)。
雙極(ji)膜（BM）由3個主要部分組成：陰離子(zi)(zi)(zi)交換層、陽(yang)(yang)離子(zi)(zi)(zi)交換層和(he)陰離子(zi)(zi)(zi)與陽(yang)(yang)離子(zi)(zi)(zi)交換層接合(he)處的(de)親水界面。裝(zhuang)置(zhi)通(tong)電后，在直流(liu)電作(zuo)用(yong)下雙極(ji)膜親水界面中(zhong)水分子(zi)(zi)(zi)解(jie)離為氫(qing)離子(zi)(zi)(zi)和(he)氫(qing)氧根(gen)，陽(yang)(yang)離子(zi)(zi)(zi)通(tong)過(guo)陽(yang)(yang)離子(zi)(zi)(zi)交換膜（CM）向陰極(ji)遷移，陰離子(zi)(zi)(zi)通(tong)過(guo)陰離子(zi)(zi)(zi)交換膜（AM）向陽(yang)(yang)極(ji)遷移。
典型的(de)三隔室(shi)雙極膜電滲(shen)析結構見(jian)圖(tu) 2。
由圖 2可知(zhi)，雙(shuang)極(ji)膜(mo)與陰陽離子(zi)交(jiao)(jiao)(jiao)換膜(mo)交(jiao)(jiao)(jiao)替(ti)排列，雙(shuang)極(ji)膜(mo)與陰離子(zi)交(jiao)(jiao)(jiao)換膜(mo)之間(jian)形成(cheng)酸室(shi)，雙(shuang)極(ji)膜(mo)與陽離子(zi)交(jiao)(jiao)(jiao)換膜(mo)之間(jian)形成(cheng)堿室(shi)，陽離子(zi)交(jiao)(jiao)(jiao)換膜(mo)與陰離子(zi)交(jiao)(jiao)(jiao)換膜(mo)之間(jian)的隔間(jian)為脫鹽室(shi)。三隔室(shi)雙(shuang)極(ji)膜(mo)電滲析最大的優勢在于(yu)同(tong)時完成(cheng)產(chan)酸產(chan)堿和脫鹽過(guo)程。
然而，用(yong)三隔室處(chu)理(li)含弱酸根(gen)廢水時存(cun)在一(yi)些(xie)問題。以圖 2為例(li)，酸室中產生(sheng)的硼酸為弱電(dian)(dian)解質(zhi)，導電(dian)(dian)率低、膜堆電(dian)(dian)阻大、能耗大、經濟性差。
因此(ci)有學者通(tong)過在酸室填充強酸型陽離子(zi)交換樹脂提高膜(mo)堆(dui)導電能力生(sheng)產(chan)酒(jiu)石(shi)酸，當電流密(mi)度(du)為70 mA/cm2，添(tian)加樹脂后(hou)酒(jiu)石(shi)酸生(sheng)產(chan)能耗(hao)由傳統三隔室膜(mo)堆(dui)23 kW·h/kg降至16 kW·h/kg，此(ci)外擴散損耗(hao)以及雙極(ji)性(xing)膜(mo)的非理想滲透選擇性(xing)也將顯著增加能耗(hao)。
在(zai)實(shi)驗室(shi)規模(mo)內，雙極膜電(dian)滲(shen)析(xi)已被(bei)應用于(yu)多個領域，其(qi)中(zhong)以同時產(chan)酸產(chan)堿(jian)、清潔生產(chan)堿(jian)性物質(zhi)、于(yu)復雜(za)體系(xi)中(zhong)原位回(hui)收有(you)機酸、控制系(xi)統pH制備pH敏感(gan)型(xing)物質(zhi)、分離(li)提(ti)取多種(zhong)蛋白、分離(li)回(hui)收氨等領域為主。
除上述傳統技術外，雙(shuang)極(ji)膜電(dian)滲析(xi)還可(ke)(ke)用于溫室(shi)氣(qi)(qi)體回收，現階段我國提倡可(ke)(ke)持續發展，實現廢棄物零排放是目(mu)前技術要(yao)求(qiu)的(de)主要(yao)目(mu)標之一(yi)，以二(er)氧化碳(tan)為例，雙(shuang)極(ji)膜電(dian)滲析(xi)技術通過電(dian)勢差(cha)驅動跨膜離子傳輸，可(ke)(ke)從氣(qi)(qi)流(liu)中回收二(er)氧化碳(tan)。只(zhi)要(yao)有成本更低的(de)可(ke)(ke)再生能源(yuan)和更便宜先進的(de)膜材料，此(ci)類空氣(qi)(qi)捕集法將(jiang)非常具(ju)有應用前景。
在(zai)實際生產中(zhong)，雙(shuang)極膜電滲析起步較(jiao)晚(wan)，在(zai)整個膜市(shi)場中(zhong)所(suo)占比重較(jiao)小，但因其應用領域專一而且具有難以替代性，在(zai)資源零排放和回收(shou)領域優勢(shi)極大。
目前，在(zai)實際應(ying)用(yong)中，雙極膜(mo)電滲析的應(ying)用(yong)范圍分為以煙氣脫硫、硝酸鹽回收等為主(zhu)的污染控制資源回收和(he)以生產(chan)有機酸堿、蛋白(bai)生產(chan)果汁果酸為主(zhu)的化工和(he)食品(pin)生產(chan)，各領域應(ying)用(yong)特點(dian)見表(biao) 2。
由(you)表(biao) 2可知，工業上(shang)雙極膜電滲(shen)析應用的(de)主要(yao)限(xian)制是昂貴(gui)的(de)膜維(wei)護和更換以(yi)及電能成本(ben)。
2.2 選擇性電滲析
傳統電(dian)滲(shen)析(xi)對陰陽離(li)子分離(li)效(xiao)率高達97%，但對相同(tong)電(dian)荷不(bu)同(tong)價態的離(li)子分離(li)效(xiao)率不(bu)高。將(jiang)具有單價和(he)多(duo)價離(li)子分離(li)性(xing)能的離(li)子交換膜引入電(dian)滲(shen)析(xi)裝置將(jiang)大大提高不(bu)同(tong)價態同(tong)種電(dian)荷離(li)子的分離(li)效(xiao)率，此類電(dian)滲(shen)析(xi)裝置被稱(cheng)為選擇性(xing)電(dian)滲(shen)析(xi)（Selectrodia-lysis，SED）。
M. Reig等(deng)利用(yong)選擇(ze)性電(dian)(dian)滲(shen)析技術分(fen)離(li)廢水中氯化鈉和(he)硫酸鈉，再(zai)利用(yong)雙(shuang)極膜分(fen)離(li)回收酸和(he)堿，其中選擇(ze)性電(dian)(dian)滲(shen)析裝置原理見圖 3。
由圖 3可知，陰離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)交換(huan)膜(mo)(mo)和(he)陽離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)交換(huan)膜(mo)(mo)之間放置單價(jia)離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)選(xuan)擇(ze)性(xing)(xing)交換(huan)膜(mo)(mo)。裝置通電(dian)后(hou)，SO42-向陽極(ji)遷移(yi)，途中被陰離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)選(xuan)擇(ze)性(xing)(xing)交換(huan)膜(mo)(mo)阻(zu)擋，富集于(yu)(yu)陰離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)選(xuan)擇(ze)性(xing)(xing)膜(mo)(mo)和(he)陰離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)交換(huan)膜(mo)(mo)間的隔室(shi)中，Cl-則富集于(yu)(yu)陽離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)交換(huan)膜(mo)(mo)和(he)陰離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)選(xuan)擇(ze)性(xing)(xing)膜(mo)(mo)間的隔室(shi)中，陰陽離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)交換(huan)膜(mo)(mo)間的隔室(shi)中離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)濃度降低成為淡水室(shi)，不同價(jia)態陰離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)成功分離(li)(li)(li)(li)(li)。除分離(li)(li)(li)(li)(li)離(li)(li)(li)(li)(li)子(zi)(zi)外，選(xuan)擇(ze)性(xing)(xing)電(dian)滲析工(gong)藝還可用于(yu)(yu)元素(su)的回收富集。
選(xuan)擇性(xing)電滲析(xi)技術(shu)的核心競爭力在(zai)于選(xuan)擇性(xing)離子(zi)交換膜的性(xing)質。在(zai)前人(ren)的研(yan)究(jiu)中，研(yan)究(jiu)者們已(yi)將如聚苯胺、聚季銨鹽等基團引入離子(zi)交換膜增強其對(dui)單價(jia)陽離子(zi)的選(xuan)擇性(xing)，但由于其具(ju)有高表(biao)面(mian)電阻，這類膜陽離子(zi)通量通常較低。
有研(yan)究表明可以(yi)(yi)利用離子(zi)密度大疏水相(xiang)的(de)(de)導(dao)電基團提高(gao)(gao)陽(yang)離子(zi)通(tong)量，研(yan)究者通(tong)過在(zai)膜(mo)(mo)(mo)骨架(jia)中引入由芳族骨架(jia)和離子(zi)側鏈組成的(de)(de)離子(zi)通(tong)道(dao)增(zeng)強陽(yang)離子(zi)通(tong)量，將兩性(xing)(xing)結構的(de)(de)聚（2，6-二甲基苯乙(yi)烯氧化物）季銨鹽(yan)引入膜(mo)(mo)(mo)結構中，聚合(he)物主鏈上的(de)(de)各(ge)種烷(wan)基鏈和以(yi)(yi)氮為中心的(de)(de)官能團誘(you)導(dao)了膜(mo)(mo)(mo)的(de)(de)疏水性(xing)(xing)，同時提高(gao)(gao)膜(mo)(mo)(mo)的(de)(de)選(xuan)擇性(xing)(xing)和單價陽(yang)離子(zi)通(tong)量并(bing)減少了膜(mo)(mo)(mo)溶脹。
另(ling)一類(lei)由季(ji)銨(an)化(hua)(hua)氧化(hua)(hua)石(shi)墨烯修飾的(de)聚(ju)乙(yi)(yi)烯醇（PVA）-QPEI（季(ji)銨(an)化(hua)(hua)聚(ju)乙(yi)(yi)烯亞胺）陰離(li)子交換膜(mo)可(ke)通過PVA-OH基(ji)團選(xuan)擇地加(jia)速氫氧根的(de)傳輸(shu)，此外膜(mo)中(zhong)的(de)季(ji)銨(an)化(hua)(hua)氧化(hua)(hua)石(shi)墨烯納米片可(ke)抑(yi)制(zhi)具有較大水合離(li)子半徑(jing)離(li)子的(de)傳輸(shu)，使膜(mo)具有高選(xuan)擇性(xing)。
在現有(you)研(yan)究中，選擇性(xing)電(dian)滲(shen)析(xi)技術(shu)常被用(yong)于(yu)單價(jia)/多價(jia)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)分(fen)(fen)離(li)(li)(li)，最常見的為分(fen)(fen)離(li)(li)(li)各(ge)類金(jin)屬離(li)(li)(li)子(zi)(zi)如鋰、鎂、砷或(huo)氯離(li)(li)(li)子(zi)(zi)等陰(yin)離(li)(li)(li)子(zi)(zi)，也有(you)研(yan)究將選擇性(xing)交換膜與普通離(li)(li)(li)子(zi)(zi)交換膜聯合使用(yong)用(yong)于(yu)分(fen)(fen)離(li)(li)(li)不同(tong)產物。
雖(sui)然選擇性膜在廣泛操(cao)作條件下均顯(xian)示(shi)出穩定的(de)(de)離子選擇性，還可利(li)用脈沖電(dian)場控制膜界面濃度極化現(xian)象，但這些特殊(shu)的(de)(de)離子交換膜成本較(jiao)高(gao)，脫(tuo)鹽效(xiao)率也(ye)將隨流(liu)量的(de)(de)增(zeng)加而降(jiang)(jiang)低，同時由于(yu)靜電(dian)排斥(chi)，二(er)價陽離子的(de)(de)傳輸速率也(ye)將逐漸降(jiang)(jiang)低，這些特點都(dou)限制了選擇性電(dian)滲析的(de)(de)實際應用。
2.3 復分解電滲析
復分(fen)解(jie)電滲析（Electrodialysis Metathesis，EDM）具有(you)重(zhong)組和濃(nong)縮離(li)子(zi)的獨特性能，通過離(li)子(zi)重(zhong)組可發生(sheng)類似(si)復分(fen)解(jie)反應。
基于四(si)隔室結構(gou)特點，其可(ke)以將(jiang)(jiang)少量的溶(rong)(rong)解(jie)度(du)低(di)（或不溶(rong)(rong)解(jie)度(du)）的鹽類轉化為高溶(rong)(rong)解(jie)度(du)的鹽。復分解(jie)電(dian)滲(shen)析通過將(jiang)(jiang)2種原料(liao)AX、BY和另2種產品液BX、AY分別投(tou)入4個隔室，在電(dian)場力(li)的作用(yong)下離子定向遷移過膜而后被同性離子交換膜阻(zu)擋后停留(liu)于不同隔室，完成(cheng)AX+BY→AY+BX復分解(jie)反(fan)應，復分解(jie)電(dian)滲(shen)析原理見圖(tu) 4。
由(you)圖 4可知，在復(fu)分解電滲析系統中，交(jiao)替(ti)的離子交(jiao)換(huan)膜(mo)（陽(yang)-陰(yin)-陽(yang)-陰(yin)-陽(yang)）形(xing)成4個(ge)隔室（濃縮室、淡(dan)水室、濃縮室、淡(dan)水室），利用離子的定向(xiang)移動和離子交(jiao)換(huan)膜(mo)的選擇(ze)透過性(xing)以氯(lv)化(hua)鉀(jia)和硝(xiao)酸鹽為(wei)原料制(zhi)備無氯(lv)鉀(jia)肥（KNO3）并(bing)回收氯(lv)化(hua)鈉。
相比于雙(shuang)極膜電(dian)滲(shen)析(xi)和選擇性電(dian)滲(shen)析(xi)，針對復分(fen)解電(dian)滲(shen)析(xi)的研(yan)究較少，且大多數(shu)研(yan)究為(wei)濃縮高純度(du)無氯鉀(jia)肥。
常規(gui)無(wu)氯(lv)鉀肥(fei)復(fu)(fu)分(fen)解生產(chan)法具轉化(hua)率低、能耗高(gao)(gao)、產(chan)品純(chun)度低等(deng)缺點，與傳統的(de)復(fu)(fu)分(fen)解反應相比(bi)，復(fu)(fu)分(fen)解電(dian)滲析無(wu)需(xu)萃(cui)取、無(wu)需(xu)復(fu)(fu)鹽(yan)沉淀(dian)、電(dian)流效率高(gao)(gao)、產(chan)物(wu)純(chun)度高(gao)(gao)。
但(dan)與其(qi)他電(dian)(dian)滲析(xi)工(gong)藝一樣，復(fu)分解(jie)電(dian)(dian)滲析(xi)的(de)效率是由(you)操作參數（電(dian)(dian)流密(mi)度、進料濃度和(he)成分等）和(he)離子交換(huan)膜(mo)的(de)性能(neng)決定(ding)的(de)。復(fu)分解(jie)電(dian)(dian)滲析(xi)技(ji)術(shu)同樣對(dui)膜(mo)有一定(ding)要求，高(gao)選擇性、高(gao)導電(dian)(dian)性等性質是在低能(neng)耗下(xia)提供濃縮產物(wu)的(de)重要膜(mo)性能(neng)。該新型(xing)技(ji)術(shu)雖具有一定(ding)優勢，但(dan)因其(qi)裝置復(fu)雜、對(dui)進水(shui)要求高(gao)未能(neng)投入(ru)生產。
2.4 逆電滲析
逆(ni)電滲析（Reverse Electrodialysis，RED）的原理為：通過在不同濃度(du)鹽溶液(ye)間(jian)放置離子(zi)交(jiao)換(huan)膜，利用離子(zi)濃度(du)差導致的離子(zi)遷移將化學能轉化為電能，其具體原理見圖 5。
由圖 5可知，陰(yin)陽離子(zi)(zi)交換(huan)膜交替間隔(ge)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)濃水室(shi)(shi)（HS）和淡水室(shi)(shi)（LS），在濃度差作用下，濃水室(shi)(shi)中(zhong)陰(yin)陽離子(zi)(zi)分別透(tou)過(guo)陰(yin)陽離子(zi)(zi)交換(huan)膜進入(ru)淡水室(shi)(shi)，離子(zi)(zi)的(de)定向遷移形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)內電流(liu)，再通過(guo)陰(yin)陽極的(de)電化(hua)學反應將(jiang)離子(zi)(zi)遷移內電流(liu)轉化(hua)為電子(zi)(zi)遷移外電路(lu)電流(liu)，將(jiang)化(hua)學勢轉化(hua)為電能。
根據逆電滲(shen)析(xi)原理可(ke)(ke)推(tui)斷出，逆電滲(shen)析(xi)裝(zhuang)置可(ke)(ke)從(cong)2個不同鹽度(du)梯度(du)的(de)溶液中提(ti)取能量，且不產生二次污染(ran)。
目前全(quan)球的鹽差(cha)勢能(neng)資源(yuan)巨(ju)大，利用電滲析裝置(zhi)將化學勢差(cha)轉為電勢差(cha)進而產生電能(neng)的技術是一種新型的可持續發展技術，前景(jing)良好(hao)。
有研(yan)究(jiu)表明可(ke)(ke)(ke)以將RED與傳統ED結(jie)合(he)開(kai)發(fa)無電(dian)源(yuan)電(dian)滲析（PFED）實(shi)現零(ling)能耗脫鹽(yan)，具有很(hen)高(gao)的(de)經濟效益(yi)和可(ke)(ke)(ke)持續發(fa)展(zhan)性(xing)。但(dan)在(zai)實(shi)際條件下(xia)，由于歐姆內阻和壓降引(yin)起的(de)泵浦損耗，裝置(zhi)中(zhong)只有一部分能量可(ke)(ke)(ke)以轉化為電(dian)能，除能量損耗外(wai)，裝置(zhi)中(zhong)還存(cun)在(zai)墊片堵塞和無機(ji)物沉淀造成的(de)結(jie)垢。
綜上所述(shu)，以上4種(zhong)新型電滲(shen)析工藝原理及優缺點見表 3。
03 電滲析工藝能耗比較
電(dian)滲析(xi)工藝(yi)(yi)的(de)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)包(bao)含固(gu)定成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)和(he)運(yun)營(ying)(ying)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)。固(gu)定成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)主(zhu)要取決于(yu)離子交換膜(mo)(mo)面積，膜(mo)(mo)面積由進(jin)水(shui)(shui)和(he)出水(shui)(shui)濃度決定；運(yun)營(ying)(ying)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)包(bao)括勞(lao)動成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)、維(wei)護成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)和(he)能(neng)源成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)，勞(lao)動成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)和(he)維(wei)護成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)與工廠(chang)的(de)規模(mo)成(cheng)(cheng)(cheng)正(zheng)比，能(neng)源成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)由兩部分組成(cheng)(cheng)(cheng)，分別是(shi)使離子過膜(mo)(mo)的(de)電(dian)能(neng)和(he)將溶液泵(beng)入電(dian)滲析(xi)裝置所需的(de)能(neng)量，工藝(yi)(yi)參數不同時二者所占比重不同，總體(ti)上與進(jin)水(shui)(shui)出水(shui)(shui)濃度差以及膜(mo)(mo)間(jian)阻力成(cheng)(cheng)(cheng)正(zheng)比。
自1970年以來，電(dian)滲析(xi)裝置脫(tuo)鹽的能耗由(you)20 kW·h/kg左右降(jiang)低(di)到了0.4~8.7 kW·h/kg，成本也已降(jiang)低(di)至不足(zu)0.75美(mei)元。
現工業(ye)規(gui)模(mo)電(dian)(dian)(dian)滲(shen)析(xi)裝(zhuang)置(zhi)可處(chu)(chu)理含鹽(yan)質量濃度(du)為(wei)(wei)(wei)2 500~3 000 mg/L的廢水，處(chu)(chu)理成本和能(neng)(neng)耗(hao)與待(dai)處(chu)(chu)理液濃度(du)成正比；在濃縮(suo)(suo)富集方(fang)(fang)面(mian)(mian)，以常見濃縮(suo)(suo)元素(su)氨氮和磷為(wei)(wei)(wei)例，利(li)(li)(li)用(yong)(yong)電(dian)(dian)(dian)滲(shen)析(xi)裝(zhuang)置(zhi)回收廢水中(zhong)的氨氮可濃縮(suo)(suo)至（7 100±300）mg/L，平(ping)均功耗(hao)為(wei)(wei)(wei)（4.9±1.5）kW·h/kg，利(li)(li)(li)用(yong)(yong)具有聚砜(feng)基陰離子(zi)交換膜(mo)的電(dian)(dian)(dian)滲(shen)析(xi)法純化磷酸能(neng)(neng)耗(hao)為(wei)(wei)(wei)2.73 kW·h/kg；在選擇性分(fen)離方(fang)(fang)面(mian)(mian)，利(li)(li)(li)用(yong)(yong)電(dian)(dian)(dian)滲(shen)析(xi)進行單價和二價陽離子(zi)選擇性分(fen)離，能(neng)(neng)耗(hao)為(wei)(wei)(wei)0.502 kW·h/kg；在雙極膜(mo)系統(tong)研究方(fang)(fang)面(mian)(mian)，利(li)(li)(li)用(yong)(yong)雙極膜(mo)電(dian)(dian)(dian)滲(shen)析(xi)法生(sheng)產(chan)α-酮戊二酸能(neng)(neng)耗(hao)為(wei)(wei)(wei)3.72 kW·h/kg；在中(zhong)等規(gui)模(mo)電(dian)(dian)(dian)滲(shen)析(xi)實(shi)際應用(yong)(yong)領域，J. Y. Nam等考察了1 000膜(mo)對逆電(dian)(dian)(dian)滲(shen)析(xi)裝(zhuang)置(zhi)利(li)(li)(li)用(yong)(yong)城市廢水和海水發電(dian)(dian)(dian)情況，當裝(zhuang)置(zhi)以1.5 cm/s速(su)度(du)運行時產(chan)電(dian)(dian)(dian)功率為(wei)(wei)(wei)0.76 W，實(shi)驗室規(gui)模(mo)逆電(dian)(dian)(dian)滲(shen)析(xi)功率為(wei)(wei)(wei)6.7~12 W/m2。
脫(tuo)鹽工(gong)業每年消耗8.5億t石油處理9千余萬(wan)t含鹽廢水并產生6 700萬(wan)t二氧化碳，因此尋(xun)找可再生清潔能源(yuan)具(ju)有重大的意義(yi)。
在過去的10 a中，光(guang)伏能(neng)源轉(zhuan)換(huan)已(yi)成為(wei)一種新興技術，其需(xu)(xu)求量(liang)迅(xun)速增長，是一種極(ji)具(ju)潛力的能(neng)源替代技術。太(tai)陽(yang)能(neng)作為(wei)綠色可再(zai)生能(neng)源已(yi)被用(yong)于電滲(shen)析(xi)(xi)(xi)系統供能(neng)，但(dan)要(yao)有效地將太(tai)陽(yang)能(neng)轉(zhuan)化為(wei)可用(yong)于電滲(shen)析(xi)(xi)(xi)的電能(neng)需(xu)(xu)要(yao)消(xiao)耗大量(liang)資(zi)金，M. Herrero-Gonzalez等(deng)利用(yong)雙極(ji)膜電滲(shen)析(xi)(xi)(xi)結合太(tai)陽(yang)能(neng)從海(hai)水中分離生產(chan)HCl和NaOH，能(neng)耗為(wei)4.4 kW·h/kgHCl，除能(neng)耗成本外(wai)還有較高(gao)的設備維護和太(tai)陽(yang)能(neng)利用(yong)成本。
在傳統電(dian)滲(shen)析(xi)脫(tuo)鹽(yan)(yan)方面，對于含(han)鹽(yan)(yan)質量濃(nong)度(du)為(wei)2 500~5 000 mg/L的微咸水系統，光伏(fu)電(dian)滲(shen)析(xi)（PV-ED）能(neng)耗為(wei)0.49~0.91 kW·h/m3低于傳統電(dian)滲(shen)析(xi)，但傳統電(dian)滲(shen)析(xi)成本為(wei)0.45~0.78歐元(yuan)(yuan)/m3低于PV-ED成本6.34~11.93歐元(yuan)(yuan)/m3，可(ke)見使用(yong)可(ke)再(zai)生能(neng)源的電(dian)滲(shen)析(xi)裝(zhuang)置雖能(neng)耗較低卻具有較高的總成本。
經預(yu)測到2025年，PV-ED系(xi)(xi)統成(cheng)本(ben)將與傳(chuan)統電(dian)(dian)(dian)滲析成(cheng)本(ben)持(chi)平，在此之(zhi)后，由于(yu)(yu)化(hua)石燃料短(duan)缺(que)，傳(chuan)統電(dian)(dian)(dian)滲析的(de)成(cheng)本(ben)將繼(ji)續(xu)增加(jia)而(er)PV-ED的(de)成(cheng)本(ben)將繼(ji)續(xu)降低(di)，這一發展(zhan)趨勢有利于(yu)(yu)光(guang)電(dian)(dian)(dian)池相關技術的(de)發展(zhan)。除成(cheng)本(ben)外，阻礙(ai)PV-ED系(xi)(xi)統的(de)大規模商業化(hua)的(de)技術限制主要在于(yu)(yu)如何(he)平衡(heng)太陽能(neng)系(xi)(xi)統能(neng)量(liang)輸出(chu)和電(dian)(dian)(dian)滲析系(xi)(xi)統能(neng)量(liang)需求。
04 結語
我國(guo)對電滲(shen)析的研究起(qi)步(bu)于20世紀(ji)60年代(dai)，20世紀(ji)后半期(qi)因其分離(li)效率不及納(na)濾等(deng)技(ji)術只用作預處理，但隨著技(ji)術的發展，雙極膜的引入(ru)(ru)使電滲(shen)析技(ji)術重新(xin)進入(ru)(ru)應用市場(chang)并得到(dao)了(le)發展和突破。
電滲(shen)(shen)(shen)析技術是一種(zhong)經(jing)濟(ji)高效的(de)脫鹽工藝，可顯著降低(di)廢水(shui)中離子(zi)濃度。與反滲(shen)(shen)(shen)透(tou)相比，電滲(shen)(shen)(shen)析的(de)主要優(you)勢在于幾乎不(bu)需要進料預(yu)處(chu)理，同時由于沒有(you)滲(shen)(shen)(shen)透(tou)壓限制，電滲(shen)(shen)(shen)析中的(de)濃縮鹽水(shui)濃度也比反滲(shen)(shen)(shen)透(tou)高得多(duo)；與蒸餾過程相比，電滲(shen)(shen)(shen)析具有(you)能(neng)耗低(di)的(de)優(you)點(dian)；與常規的(de)離子(zi)交換方法相比，電滲(shen)(shen)(shen)析具有(you)不(bu)需引入化學藥劑(ji)、不(bu)產生洗滌廢水(shui)等優(you)點(dian)。
傳統電滲析(xi)雖具有效率高、能(neng)耗低等優點，卻也存在一些技術(shu)限(xian)制(zhi)，例如處理高鹽廢水帶來的高能(neng)耗、不(bu)能(neng)選(xuan)擇性去除離子、產品單一等問題(ti)。
因此針對電(dian)(dian)滲(shen)析(xi)相關技(ji)術(shu)的研(yan)究得(de)以蓬勃發展，具有(you)特殊膜組成和裝置結構的新型電(dian)(dian)滲(shen)析(xi)技(ji)術(shu)拓寬了(le)傳(chuan)統電(dian)(dian)滲(shen)析(xi)的應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)。電(dian)(dian)滲(shen)析(xi)已被廣泛應(ying)用(yong)于水處理領(ling)域(yu)。
在(zai)實(shi)(shi)驗室(shi)規模內，在(zai)海水(shui)(shui)淡化領(ling)域電(dian)(dian)(dian)滲(shen)(shen)析(xi)技(ji)(ji)術已(yi)具有高(gao)淡水(shui)(shui)回收(shou)率(lv)，電(dian)(dian)(dian)滲(shen)(shen)析(xi)也(ye)可被用(yong)于反滲(shen)(shen)透回水(shui)(shui)制(zhi)備粗鹽(yan)、零(ling)液(ye)體(ti)排放、高(gao)鹽(yan)度油砂水(shui)(shui)脫鹽(yan)、果汁脫酸等(deng)眾多領(ling)域。在(zai)實(shi)(shi)際應(ying)用(yong)中，隨著國內制(zhi)膜技(ji)(ji)術的進步和應(ying)用(yong)技(ji)(ji)術不斷開發，各類(lei)引(yin)入特殊(shu)作用(yong)膜的電(dian)(dian)(dian)滲(shen)(shen)析(xi)技(ji)(ji)術應(ying)用(yong)正在(zai)逐步擴大，電(dian)(dian)(dian)滲(shen)(shen)析(xi)將廣泛應(ying)用(yong)于能源、食品(pin)、生物、化工、和飲(yin)用(yong)水(shui)(shui)等(deng)領(ling)域。
前人針對新型(xing)電(dian)滲析(xi)相關技術(shu)的研(yan)究雖(sui)解(jie)決了部分傳(chuan)統(tong)電(dian)滲析(xi)技術(shu)限制卻也(ye)帶來了一系列新問(wen)(wen)題(ti)，例如(ru)特殊離子交換(huan)膜成本問(wen)(wen)題(ti)、裝置復雜不便(bian)于實際(ji)使用以及能量轉化效率不高(gao)等問(wen)(wen)題(ti)，同時(shi)電(dian)滲析(xi)不可連續脫鹽、膜污染等傳(chuan)統(tong)問(wen)(wen)題(ti)尚(shang)未得到解(jie)決。
此外，從不同公(gong)司(si)的離(li)子交(jiao)換膜和(he)電滲析設備(bei)來看，在電滲析行(xing)業內有很(hen)多東西沒有形成(cheng)行(xing)業統一(yi)化(hua)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)，在一(yi)定(ding)程(cheng)度上阻礙了電滲析技(ji)術的發(fa)(fa)(fa)展(zhan)。隨著2015年(nian)國務院(yuan)《水(shui)污(wu)染防(fang)治行(xing)動(dong)計劃》“水(shui)十條”的頒布，我國提(ti)倡可(ke)持(chi)續發(fa)(fa)(fa)展(zhan)，實(shi)現(xian)廢棄物零排放是目前技(ji)術要(yao)求的主要(yao)目標之一(yi)，電滲析技(ji)術需(xu)要(yao)順應(ying)國家要(yao)求將(jiang)可(ke)持(chi)續發(fa)(fa)(fa)展(zhan)作為技(ji)術目標繼續發(fa)(fa)(fa)展(zhan)。
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