工業(yè)化發(fā)展帶來(lái)的污染促使人們尋求解決水資源短缺的方法，其中水體脫鹽是開(kāi)發(fā)利用非常規水資源中最有前途的方法之一，海水是水體脫鹽的主要目標物，海水淡化行業(yè)的發(fā)展也促進(jìn)了諸如污水處理廠(chǎng)三級廢水、地表含鹽水、高硝酸鹽工業(yè)、罐頭加工和垃圾填埋場(chǎng)滲濾液處理等高鹽廢水脫鹽技術(shù)的發(fā)展。自20世紀50年代以來(lái)，脫鹽技術(shù)在實(shí)現較高有機負荷率、減少結垢、提高通量和選擇性以及降低成本上取得了巨大的進(jìn)步。脫鹽過(guò)程分為膜(非相變)脫鹽過(guò)程和熱(相變)脫鹽過(guò)程，膜脫鹽工藝利用膜作為物理屏障從廢水中分離污染物，熱脫鹽工藝則利用能量蒸發(fā)出廢水中的水分子將污染物轉化為固體。近年來(lái)反滲透、電滲析、多效膜蒸餾等技術(shù)被廣泛應用于脫鹽領(lǐng)域，其中多級閃蒸脫鹽、多效蒸發(fā)/蒸餾、膜蒸餾技術(shù)等屬于熱脫鹽，反滲透、電滲析等屬于膜脫鹽，不同脫鹽技術(shù)能耗對比見(jiàn)表1。

由表1可知，與熱脫鹽相比，膜脫鹽的能耗更低，自2000年后，約70%的脫鹽工廠(chǎng)采用膜工藝。

大多熱脫鹽工藝具有壓力較高、抗污染抗氧化性較差、回收率低、能耗大等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)安全、便捷、低成本、高容量、可回收的脫鹽技術(shù)一直是技術(shù)創(chuàng )新的核心所在。傳統電滲析過(guò)程中不發(fā)生相變和化學(xué)反應，無(wú)需引入化學(xué)藥劑，能耗低，對環(huán)境污染小。

通過(guò)考察近十年來(lái)與電滲析相關(guān)的SCI論文發(fā)表數量發(fā)現(數據來(lái)自WebofScience關(guān)鍵詞“Ele-ctrodialysis”)，論文發(fā)表數量逐年增加，由2010年的191篇增加到2019年的505篇。脫鹽技術(shù)除了被應用于生產(chǎn)淡水外，有效去除污水中重金屬等有害離子實(shí)現污水凈化也是脫鹽技術(shù)的技術(shù)目標。本研究介紹了傳統電滲析技術(shù)的基本原理及技術(shù)限制，以及幾種典型新型電滲析工藝的基本技術(shù)原理、裝置運行模式和應用范圍，以期推動(dòng)電滲析技術(shù)的發(fā)展和研究。

1、傳統電滲析技術(shù)

電滲析(electrodialysis，ED)裝置由直流電場(chǎng)和多對離子交換膜組成，在陰極和陽(yáng)極之間交錯放置了數對陰離子交換膜(AEM)和陽(yáng)離子交換膜(CEM)，其內部利用隔離墊片來(lái)分離，在靠近電極處電解質(zhì)溶液循環(huán)通過(guò)電極室形成電極沖洗室。電滲析技術(shù)基本原理為:利用離子交換膜的選擇透過(guò)性，在外加直流電場(chǎng)的作用下使陰陽(yáng)離子定向遷移選擇性過(guò)膜，在由離子交換膜形成的隔室內交替形成濃水室和淡水室實(shí)現脫鹽目的，具體原理見(jiàn)圖1。

電滲析裝置通常由離子交換膜、電源、輔助材料(墊片、電極、密封墊片)組成。裝置中電極通常由鈦、氧化鋁、石墨等碳材料制成。裝置中離子交換膜由活性離子交換基團、固定官能團和疏水底物組成，具有選擇透過(guò)性，根據膜結構中的固定電荷屬性分為陽(yáng)離子交換膜和陰離子交換膜。電滲析傳質(zhì)過(guò)程復雜涉及參數多，難以從實(shí)驗角度對其進(jìn)行全面深入的研究，因此近年來(lái)相關(guān)科研人員嘗試通過(guò)模擬電滲析中的物質(zhì)分離過(guò)程及物質(zhì)傳遞過(guò)程優(yōu)化電滲析工藝，電滲析的傳質(zhì)過(guò)程包括濃差極化現象、離子交換膜間對流傳遞、離子定向或過(guò)膜的電遷移傳遞和擴散傳遞、電解質(zhì)-膜平衡等過(guò)程。用于描述電滲析傳質(zhì)過(guò)程的最常見(jiàn)模型為Nernst-Planck模型和Maxwell-Stefan模型，分別適用于單和多電解質(zhì)體系。

2、新型電滲析技術(shù)發(fā)展

近年來(lái)，人們相繼開(kāi)發(fā)了可同時(shí)產(chǎn)酸堿的雙極膜電滲析技術(shù)、利用膜特性進(jìn)行離子選擇性分離的選擇性電滲析、具有重組和濃縮離子能力的復分解電滲析、將化學(xué)差勢能轉化為電勢差發(fā)電的逆電滲析等新型電滲析技術(shù)。

2.1 雙極膜電滲析

除普通電滲析外，雙極膜電滲析是在實(shí)際生產(chǎn)中最常用的電驅動(dòng)膜分離工藝。雙極膜電滲析在傳統電滲析的基礎上引入了雙極膜。雙極膜(BM)由3個(gè)主要部分組成:陰離子交換層、陽(yáng)離子交換層和陰離子與陽(yáng)離子交換層接合處的親水界面。裝置通電后，在直流電作用下雙極膜親水界面中水分子解離為氫離子和氫氧根，陽(yáng)離子通過(guò)陽(yáng)離子交換膜(CM)向陰極遷移，陰離子通過(guò)陰離子交換膜(AM)向陽(yáng)極遷移。

典型的三隔室雙極膜電滲析結構見(jiàn)圖2。

由圖2可知，雙極膜與陰陽(yáng)離子交換膜交替排列，雙極膜與陰離子交換膜之間形成酸室，雙極膜與陽(yáng)離子交換膜之間形成堿室，陽(yáng)離子交換膜與陰離子交換膜之間的隔間為脫鹽室。三隔室雙極膜電滲析最大的優(yōu)勢在于同時(shí)完成產(chǎn)酸產(chǎn)堿和脫鹽過(guò)程。

然而，用三隔室處理含弱酸根廢水時(shí)存在一些問(wèn)題。以圖2為例，酸室中產(chǎn)生的硼酸為弱電解質(zhì)，導電率低、膜堆電阻大、能耗大、經(jīng)濟性差。因此有學(xué)者通過(guò)在酸室填充強酸型陽(yáng)離子交換樹(shù)脂提高膜堆導電能力生產(chǎn)酒石酸，當電流密度為70mA/cm2，添加樹(shù)脂后酒石酸生產(chǎn)能耗由傳統三隔室膜堆23kW?h/kg降至16kW?h/kg，此外擴散損耗以及雙極性膜的非理想滲透選擇性也將顯著(zhù)增加能耗。

在實(shí)驗室規模內，雙極膜電滲析已被應用于多個(gè)領(lǐng)域，其中以同時(shí)產(chǎn)酸產(chǎn)堿、清潔生產(chǎn)堿性物質(zhì)、于復雜體系中原位回收有機酸、控制系統pH制備pH敏感型物質(zhì)、分離提取多種蛋白、分離回收氨等領(lǐng)域為主。除上述傳統技術(shù)外，雙極膜電滲析還可用于溫室氣體回收，現階段我國提倡可持續發(fā)展，實(shí)現廢棄物零排放是目前技術(shù)要求的主要目標之一，以二氧化碳為例，雙極膜電滲析技術(shù)通過(guò)電勢差驅動(dòng)跨膜離子傳輸，可從氣流中回收二氧化碳。只要有成本更低的可再生能源和更便宜先進(jìn)的膜材料，此類(lèi)空氣捕集法將非常具有應用前景。

在實(shí)際生產(chǎn)中，雙極膜電滲析起步較晚，在整個(gè)膜市場(chǎng)中所占比重較小，但因其應用領(lǐng)域專(zhuān)一而且具有難以替代性，在資源零排放和回收領(lǐng)域優(yōu)勢極大。目前，在實(shí)際應用中，雙極膜電滲析的應用范圍分為以煙氣脫硫、硝酸鹽回收等為主的污染控制資源回收和以生產(chǎn)有機酸堿、蛋白生產(chǎn)果汁果酸為主的化工和食品生產(chǎn)，各領(lǐng)域應用特點(diǎn)見(jiàn)表2。

由表2可知，工業(yè)上雙極膜電滲析應用的主要限制是昂貴的膜維護和更換以及電能成本。

2.2 選擇性電滲析

傳統電滲析對陰陽(yáng)離子分離效率高達97%，但對相同電荷不同價(jià)態(tài)的離子分離效率不高。將具有單價(jià)和多價(jià)離子分離性能的離子交換膜引入電滲析裝置將大大提高不同價(jià)態(tài)同種電荷離子的分離效率，此類(lèi)電滲析裝置被稱(chēng)為選擇性電滲析(Selectrodia-lysis，SED)。

M.Reig等利用選擇性電滲析技術(shù)分離廢水中氯化鈉和硫酸鈉，再利用雙極膜分離回收酸和堿，其中選擇性電滲析裝置原理見(jiàn)圖3。

由圖3可知，陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜之間放置單價(jià)離子選擇性交換膜。裝置通電后，SO2-向陽(yáng)極遷移，途中被陰離子選擇性交換膜阻擋，富集于陰離子選擇性膜和陰離子交換膜間的隔室中，Cl-則富集于陽(yáng)離子交換膜和陰離子選擇性膜間的隔室中，陰陽(yáng)離子交換膜間的隔室中離子濃度降低成為淡水室，不同價(jià)態(tài)陰離子成功分離。除分離離子外，選擇性電滲析工藝還可用于元素的回收富集。

選擇性電滲析技術(shù)的核心競爭力在于選擇性離子交換膜的性質(zhì)。在前人的研究中，研究者們已將如聚苯胺、聚季銨鹽等基團引入離子交換膜增強其對單價(jià)陽(yáng)離子的選擇性，但由于其具有高表面電阻，這類(lèi)膜陽(yáng)離子通量通常較低。有研究表明可以利用離子密度大疏水相的導電基團提高陽(yáng)離子通量，研究者通過(guò)在膜骨架中引入由芳族骨架和離子側鏈組成的離子通道增強陽(yáng)離子通量，將兩性結構的聚(2，6-二甲基苯乙烯氧化物)季銨鹽引入膜結構中，聚合物主鏈上的各種烷基鏈和以氮為中心的官能團誘導了膜的疏水性，同時(shí)提高膜的選擇性和單價(jià)陽(yáng)離子通量并減少了膜溶脹。另一類(lèi)由季銨化氧化石墨烯修飾的聚乙烯醇(PVA)-QPEI(季銨化聚乙烯亞胺)陰離子交換膜可通過(guò)PVA-OH基團選擇地加速氫氧根的傳輸，此外膜中的季銨化氧化石墨烯納米片可抑制具有較大水合離子半徑離子的傳輸，使膜具有高選擇性。

在現有研究中，選擇性電滲析技術(shù)常被用于單價(jià)/多價(jià)離子分離，最常見(jiàn)的為分離各類(lèi)金屬離子如鋰、鎂、砷或氯離子等陰離子，也有研究將選擇性交換膜與普通離子交換膜聯(lián)合使用用于分離不同產(chǎn)物。雖然選擇性膜在廣泛操作條件下均顯示出穩定的離子選擇性，還可利用脈沖電場(chǎng)控制膜界面濃度極化現象，但這些特殊的離子交換膜成本較高，脫鹽效率也將隨流量的增加而降低，同時(shí)由于靜電排斥，二價(jià)陽(yáng)離子的傳輸速率也將逐漸降低，這些特點(diǎn)都限制了選擇性電滲析的實(shí)際應用。

2.3 分解電滲析

復分解電滲析(ElectrodialysisMetathesis，EDM)具有重組和濃縮離子的獨特性能，通過(guò)離子重組可發(fā)生類(lèi)似復分解反應?；谒母羰医Y構特點(diǎn)，其可以將少量的溶解度低(或不溶解度)的鹽類(lèi)轉化為高溶解度的鹽。復分解電滲析通過(guò)將2種原料AX、BY和另2種產(chǎn)品液BX、AY分別投入4個(gè)隔室，在電場(chǎng)力的作用下離子定向遷移過(guò)膜而后被同性離子交換膜阻擋后停留于不同隔室，完成AX+BY→AY+BX復分解反應，復分解電滲析原理見(jiàn)圖4。

由圖5可知，陰陽(yáng)離子交換膜交替間隔形成濃水室(HS)和淡水室(LS)，在濃度差作用下，濃水室中陰陽(yáng)離子分別透過(guò)陰陽(yáng)離子交換膜進(jìn)入淡水室，離子的定向遷移形成內電流，再通過(guò)陰陽(yáng)極的電化學(xué)反應將離子遷移內電流轉化為電子遷移外電路電流，將化學(xué)勢轉化為電能。根據逆電滲析原理可推斷出，逆電滲析裝置可從2個(gè)不同鹽度梯度的溶液中提取能量，且不產(chǎn)生二次污染。目前全球的鹽差勢能資源巨大，利用電滲析裝置將化學(xué)勢差轉為電勢差進(jìn)而產(chǎn)生電能的技術(shù)是一種新型的可持續發(fā)展技術(shù)，前景良好。有研究表明可以將RED與傳統ED結合開(kāi)發(fā)無(wú)電源電滲析(PFED)實(shí)現零能耗脫鹽，具有很高的經(jīng)濟效益和可持續發(fā)展性。但在實(shí)際條件下，由于歐姆內阻和壓降引起的泵浦損耗，裝置中只有一部分能量可以轉化為電能，除能量損耗外，裝置中還存在墊片堵塞和無(wú)機物沉淀造成的結垢。

綜上所述，以上4種新型電滲析工藝原理及優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表3。

3、電滲析工藝能耗比較

電滲析工藝的成本包含固定成本和運營(yíng)成本。固定成本主要取決于離子交換膜面積，膜面積由進(jìn)水和出水濃度決定；運營(yíng)成本包括勞動(dòng)成本、維護成本和能源成本，勞動(dòng)成本和維護成本與工廠(chǎng)的規模成正比，能源成本由兩部分組成，分別是使離子過(guò)膜的電能和將溶液泵入電滲析裝置所需的能量，工藝參數不同時(shí)二者所占比重不同，總體上與進(jìn)水出水濃度差以及膜間阻力成正比。

自1970年以來(lái)，電滲析裝置脫鹽的能耗由20kW?h/kg左右降低到了0.4~8.7kW?h/kg，成本也已降低至不足0.75美元?，F工業(yè)規模電滲析裝置可處理含鹽質(zhì)量濃度為2500~3000mg/L的廢水，處理成本和能耗與待處理液濃度成正比；在濃縮富集方面，以常見(jiàn)濃縮元素氨氮和磷為例，利用電滲析裝置回收廢水中的氨氮可濃縮至(7100±300)mg/L，平均功為(4.9±1.5)kW?h/kg，利用具有聚砜基陰離子交換膜的電滲析法純化磷酸能耗為2.73kW.h/kg；在選擇性分離方面，利用電滲析進(jìn)行單價(jià)和二價(jià)陽(yáng)離子選擇性分離，能耗為0.502kW?h/kg；在雙極膜系統研究方面，利用雙極膜電滲析法生產(chǎn)α-酮戊二酸能耗為3.72kW?h/kg；在中等規模電滲析實(shí)際應用領(lǐng)域，J.Y.Nam等考察了1000膜對逆電滲析裝置利用城市廢水和海水發(fā)電情況，當裝置以1.5cm/s速度運行時(shí)產(chǎn)電功率為0.76W，實(shí)驗室規模逆電滲析功率為6.7~12W/m2。

脫鹽工業(yè)每年消耗8.5億t石油處理9千余萬(wàn)t含鹽廢水并產(chǎn)生6700萬(wàn)t二氧化碳。因此尋找可再生清潔能源具有重大的意義。在過(guò)去的10a中，光伏能源轉換已成為一種新興技術(shù)，其需求量迅速增長(cháng)，是一種極具潛力的能源替代技術(shù)。太陽(yáng)能作為綠色可再生能源已被用于電滲析系統供能但要有效地將太陽(yáng)能轉化為可用于電滲析的電能需要消耗大量資金，M.Herrero-Gonzalez等利用雙極膜電滲析結合太陽(yáng)能從海水中分離生產(chǎn)HCI和NaOH，能耗為4.4kW?h/kgHCl，除能耗成本外還有較高的設備維護和太陽(yáng)能利用成本。在傳統電滲析脫鹽方面，對于含鹽質(zhì)量濃度為2500~5000mg/L的微咸水系統，光伏電滲析(PV-ED)能耗為0.49~

0.91kW?h/m3低于傳統電滲析，但傳統電滲析成本為0.45~0.78歐元/m3低于PV-ED成本6.34~11.93歐元/m3，可見(jiàn)使用可再生能源的電滲析裝置雖能耗較低卻具有較高的總成本。經(jīng)預測到2025年，PV-ED系統成本將與傳統電滲析成本持平，在此之后，由于化石燃料短缺，傳統電滲析的成本將繼續增加而PV-ED的成本將繼續降低，這一發(fā)展趨勢有利于光電池相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。除成本外，阻礙PV-ED系統的大規模商業(yè)化的技術(shù)限制主要在于如何平衡太陽(yáng)能系統能量輸出和電滲析系統能量需求。

4、結語(yǔ)

我國對電滲析的研究起步于20世紀60年代，20世紀后半期因其分離效率不及納濾等技術(shù)只用作預處理，但隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，雙極膜的引入使電滲析技術(shù)重新進(jìn)入應用市場(chǎng)并得到了發(fā)展和突破。

電滲析技術(shù)是一種經(jīng)濟高效的脫鹽工藝，可顯著(zhù)降低廢水中離子濃度。與反滲透相比，電滲析的主要優(yōu)勢在于幾乎不需要進(jìn)料預處理，同時(shí)由于沒(méi)有滲透壓限制，電滲析中的濃縮鹽水濃度也比反滲透高得多；與蒸餾過(guò)程相比，電滲析具有能耗低的優(yōu)點(diǎn)；與常規的離子交換方法相比，電滲析具有不需引入化學(xué)藥劑、不產(chǎn)生洗滌廢水等優(yōu)點(diǎn)。

傳統電滲析雖具有效率高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，卻也存在一些技術(shù)限制，例如處理高鹽廢水帶來(lái)的高能耗、不能選擇性去除離子、產(chǎn)品單一等問(wèn)題。因此針對電滲析相關(guān)技術(shù)的研究得以蓬勃發(fā)展，具有特殊膜組成和裝置結構的新型電滲析技術(shù)拓寬了傳統電滲析的應用領(lǐng)域。電滲析已被廣泛應用于水處理領(lǐng)域。在實(shí)驗室規模內，在海水淡化領(lǐng)域電滲析技術(shù)已具有高淡水回收率，電滲析也可被用于反滲透回水制備粗鹽、零液體排放、高鹽度油砂水脫鹽、果汁脫酸等眾多領(lǐng)域。在實(shí)際應用中，隨著(zhù)國內制膜技術(shù)的進(jìn)步和應用技術(shù)不斷開(kāi)發(fā)，各類(lèi)引入特殊作用膜的電滲析技術(shù)應用正在逐步擴大，電滲析將廣泛應用于能源、食品、生物、化工、和飲用水等領(lǐng)域。

前人針對新型電滲析相關(guān)技術(shù)的研究雖解決了部分傳統電滲析技術(shù)限制卻也帶來(lái)了一系列新問(wèn)題，例如特殊離子交換膜成本問(wèn)題、裝置復雜不便于實(shí)際使用以及能量轉化效率不高等問(wèn)題，同時(shí)電滲析不可連續脫鹽、膜污染等傳統問(wèn)題尚未得到解決。此外，從不同公司的離子交換膜和電滲析設備來(lái)看，在電滲析行業(yè)內有很多東西沒(méi)有形成行業(yè)統一化發(fā)展，在一定程度上阻礙了電滲析技術(shù)的發(fā)展。隨著(zhù)2015年國務(wù)院《水污染防治行動(dòng)計劃》“水十條”的頒布，我國提倡可持續發(fā)展，實(shí)現廢棄物零排放是目前技術(shù)要求的主要目標之一，電滲析技術(shù)需要順應國家要求將可持續發(fā)展作為技術(shù)目標繼續發(fā)展。（來(lái)源：同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗室，上海中耀環(huán)保實(shí)業(yè)有限公司）