3.2.1 概述
3.2.2 基础理论
3.2.2.1 电渗析原理
抓瓜3.2.2.2 电渗析能耗
3.2.2.3 Donnan平衡理论
3.2.3 离子交换膜
3.2.3.1 离子交换膜
3.2.3.2 离子交换膜制备
3.2.3.3 离子交换膜的性能
3.2.3.4 商品化离子交换膜
3.2.4 电渗析器
3.2.4.1 电渗析器主要部件
3.2.4.2 电渗析的组装
3.2.4.3 国产电渗析器的规格性能
3.2.5 极化和极限电流密度
3.2.5.1 极化现象
3.2.5.2 极限电流密度及极限电流系数
3.2.5.3 影响极限电流的因素
3.2.5.4 极限电流密度经验式
正弦波发生电路3.2.5.5 极限电流测定方法
3.2.6.1 基础计算式
3.2.6.2 四种脱盐流程
3.2.6.3 流程设计计算
3.2.7 电渗析淡化工程设计
3.2.7.1 原水利用
3.2.7.2 电渗析进水水质要求
3.2.7.3 预处理系统
3.2.7.4 电渗析淡化场地布置
3.2.8 电渗析系统和运行
3.2.8.1 操作参数的选取与调整
3.2.8.2 控制沉淀生成
3.2.8.3 EDR运行方式
3.2.9 应用实例
3.2.9.1 沙漠苦咸水淡化车
3.2.9.3 海水浓缩制盐
3.2.10 电渗析淡化的经济性
3.2.10.1 产水成本
3.2.10.2 经济操作电流密度
3.2.10.3 几种淡化方法的比较
3.2 电渗析
3.2.1 概述
在直流电场的作用下，离子透过选择性离子交换膜而迁移，从而使电解质离子自溶液中部分分离出来的过程称为电渗析（Electrodia lysis, ED）。
电渗析技术是开发较早并取得重大工业成就的膜分离技术之一。初期的研究可以追溯到两个世纪以前。大多数历史性的报道，都是从1748年法国学者A. Noller首次发现水能通过膀胱膜自然地扩散到乙醇溶液的实验开始的。这项实验发现和证实了水能透过动物膜的渗透现象。1854年Grahamneor发现了渗析现象。1863年Dubrunfaut制成了第一个膜渗析器，成功地进行了糖与盐类的分离。1903年Morse和Pierce把两根电极分别置于透析袋内部与外部的溶液中，发现带电的杂质能更迅速地从凝胶中除去。1924年Pauli采用化工设计的原理，改进Morse的试验装置，力图减轻极化，增加传质速率。虽然他们都是采用非选择性透过膜，但这些开拓性的工作，为以后实用电渗析的开发产生了启迪性的作用。1940年Meyer和Strauss提出了具有实用意义的多隔室电渗析装置的概念。特别是1950年Juda和McRae研制成功了具有高选择透过性的阳、阴离子交换膜以后，便奠定了电渗析技术的实用基础。
世界上第一台电渗析装置于1952年由美国Ionics公司制成，用于苦咸水淡化，接着便投入
商品化生产。随后美、英均制造并应用电渗析装置淡化苦咸水，制取饮用水与工业用水，并陆续输送到其他国家。日本在上世纪50年代末就注重这一技术的开发，研究方向主要在于海水浓缩制盐。由于性能优良的单价离子选择性透过膜的研究成功与工艺技术的精湛，使日本在电渗析海水浓缩制盐技术方面至今保持领先地位，目前年产食盐160万t。1970年后，日本亦将电渗析用于苦咸水淡化。1974年在野岛建造了日产饮用水120t的海水淡化装置。1972年美国Ionics公司推出了频繁倒极电渗析装置（rgd-208Electro dialysis Reversal, EDR），每10-15min电极极性调换一次，提高了装置的运行稳定性。近年来美国Ionpure Technology公司又生产了电脱离子装置（Electrodeionization, EDR），即在电渗析淡化隔室中填充离子交换树脂或离子交换纤维，直接连续地制取高纯水，而树脂不用再生。现在世界上研究电渗析的国家有美国、日本、前苏联、英国、法国、意大利、德国、加拿大、以列、荷兰、中国和印度等。在技术上，美国和日本领先。日本年产离子交换膜大约展频3.5×105m2。上世纪70年代以后，前苏联发展也很快，年产离子交换膜大约2.5×105m2，其中85%为异相离子交换膜。
在电渗析天然水脱盐和海水浓缩技术日臻完善的同时，特殊离子交换膜的研制又成了新的热点。美国Du Pont公司于1966年研制出全氟磺酸离子交换膜，即Nafion膜，用于氯碱工
业。日本旭化成公司随后又研制出全氟羟酸离子交换膜，并于1975年建成了年产4万t烧碱的离子交换膜生产装置。目前离子交换膜法的烧碱产量约占世界总产量的1/4。
将阳离子交换膜和阴离子交换膜结合为一体称双极膜（Bipolar Membrane）。在直接电场的作用下，双极膜可以解离水，在阴膜一侧得的OH－，在阳膜一侧得到H+。这样可将水溶液中的盐直接转化为酸和碱。由于双极膜过程洁净、高效、节能，应用前景广阔，十多年来对双极膜及过程的研究倍受重视，对阴、阳膜中间界面层的研究已获重大突破，膜电压明显降低。目前虽然出现了小型试用双极膜装置，但就膜性能与应用工艺的稳定性来说，仍处于开发阶段。
我国电渗析技术的研究始于1958年。在60年代初，以国产聚乙烯醇异相膜装配的小型电渗析装置便投入海上试验。1965年，在成昆铁路上安装了第一台苦咸水淡化装置。1967年聚苯乙烯异相离子交换膜投入生产，为电渗析技术的推广应用创造了条件。上世纪70年代以后，电渗析技术发展较快，在离子交换膜、隔板、电极等主要装置部件与本体结构的研究方面都有所创新，装置在向定型化、标准化发展，在系统工程设计和装置的运行管理方面也积累了比较丰富的经验。1976年在上海金山石化建成了日产初级纯水6600t的电渗析制
水车间，1980年在西沙建成了日产淡水200t的电渗析海水淡化站。我国离子交换膜的年产量稳定在4.0×105m2，约占世界脱盐用离子交换膜的1/3。
当今世界范围内电渗析装置的总造水能力已达1254543t/d，仅1997年度新上电渗析装置的产水能力就达33823t/d。但对于海水淡化，由于耗电量高而受到限制。据国际脱盐协会1999年统计报告，在海水、苦咸水淡化诸多方法中，蒸馏法占据42.2%的市场份额，反渗透法占有41.1%，而电渗析法仅占4.1%的市场份额。目前电渗析技术在特种化工分离和废水资源化方面的应用受到了高度的重视。
3.2.2 基础理论
3.2.2.1 电渗析原理
渗析是指溶液中溶质通过半透膜的现象。自然渗析的推动力是半透膜两侧溶质的浓度差。在直流电场的作用下，离子透过选择性离子交换膜的现象称为电渗析。
离子交换膜是由高分子材料制成的对离子具有选择透过性的薄膜。主要分阳离子交换膜（CM，简称阳膜）和阴离子交换膜（AM，简称阴膜）两种。阳膜由于膜体固定基带有负
电荷离子，可选择透过阳离子；阴膜由于膜体固定基带有正电荷离子，可选择透过阴离子。阳膜透过阳离子，阴膜透过阴离子的性能称为膜的选择透过性。
电渗析过程最基本的工作单元称为膜对。一个膜对构成一个脱盐室和一个浓缩室。一台实用电渗析器由数百个膜对组成。
图3.2-1简明地示出电渗析器工作原理。
图3.2-1 电渗析工作原理示意图
电渗析器的主要部件为阴、阳离子交换膜，隔板与电极三部分。隔板构成的隔室为液流经过的通道。淡水经过的隔室为脱盐室，浓水经过的隔室为浓缩室。若把阴、阳离子交换膜与浓、淡水隔板交替排列，重复叠加，再加上一对端电极，就构成了一台实用电渗析器。
若电渗析器各系统进液都为NaCl溶液，在通电情况下，淡水隔室中的Na+向阴极方向迁移，Cl－向阳极方向迁移，Na+与Cl－就分别透过CM与AM迁移到相邻的隔室中去。这样淡水隔室中的NaCl溶液浓度便逐渐降低。相邻隔室，即浓水隔室中的NaCl溶液浓度相应逐渐升高，从电渗析器中就能源源不断地流出淡化液与浓缩液。
淡水水路系统、浓水水路系统与极水水路系统的液流由水泵供给，互不相混，并通过特殊设计的布、集水机构使其在电渗析内部均匀分布，稳定流动。
从供电网供给的交流电，经整流器变为直流电，由电极引入电渗析器。经过在电极溶液界面上的电化学反应，完成由电子导电转化为离子导电的过程。
用夹紧板紧固在一起的膜堆部分称为电渗析器。电渗析要进行工作，必须有水泵、整流器等辅助设备，还必须有进水预处理设施。通常把电渗析器及辅助设备总称为电渗析装置。
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