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電驅動膜技術在工業領域中的應用

發布時間: 2016-07-21 | 瀏覽數: 413
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膜分離現象在大自然特別是在生物體內廣泛存在,但人類對其認識、利用、模擬直至人工制備的歷史卻是相當漫長的。1748年,Nollet看到水自發地擴散透過豬膀胱壁進入酒精中而發現了滲透現象。19世紀中葉,Granbam發現了透析現象。20世紀30年代,德國建立了世界上首座生產微濾膜的工廠,用于過濾微生物等微小顆粒。20世紀50年代,原子能工業的發展促使離子交換膜應運而生,并在此基礎上發展了電滲析工業。20世紀60年代初,由于海水淡化的需要,Loeb和Sourirajan利用相轉化制膜法(L-S)制備了世界上第一張實用的反滲透膜。從此,膜分離技術得到全世界的廣泛關注。

膜分離過程按其開發年代先后有微孔過濾(MF1930)、透析(D1940)、電滲析(ED1950)、反滲透(RO1960)、超濾(UF1970)、氣體分離(GP1980)、和納濾(NF1990)。

反滲透同NF、UF、MF、GS一樣均屬于壓力驅動型膜分離技術。

電驅動膜可以進行物質的濃縮,達到反滲透無法達到的濃度;而電驅動膜可在EDI技術中制造高純度的水,這些都是電驅動膜與壓力驅動膜最大的不同處,具有一些壓力驅動膜無法替代的作用。

水處理技術的發展歷程

水處理技術經過長期的發展與革新,誕生出許多不同種類的工藝方法,EDI技術的出現時水處理工業的一次劃時代的革命,標志著水處理工業全面跨入綠色產業的時代。而EDI技術中的關鍵即為電滲析膜分離技術。

電滲析原理簡介

電滲析技術被定義為“在電場力的作用下離子通過具有選擇性的離子交換膜的膜分離過程”,它利用離子交換膜對陰陽離子的選擇透過性能,在直流電場的作用下,使陰陽離子發生定向的遷移,從一部分水體轉移到另一部分水體,從而達到溶液分離、提純和濃縮的目的。其基本原理如圖所示。

早期的電滲析技術廣泛的應用于海水淡化、苦咸水淡化工程過程中,后來在歐美等發達國家的海水淡化領域迅速推廣和發展,占據了海水淡化的主導地位。但是隨著壓力式驅動膜(反滲透)脫鹽技術的出現,其脫鹽率達到了更高的水平,達99.6%以上,并且由于反滲透過程中能量回收裝置的成功應用,使能量的回收達95%,從而使反滲透海水淡化水的能耗大大的降低,這使得電滲析技術在傳統的海水淡化領域的發展受到了嚴重的制約,并逐漸退出海水淡化工程領域。雖然反滲透技術在很大程度上提高了脫鹽率,但是從表中可以發現反滲透技術對溶液中溶解的物質只能全部脫除,而不能選擇性的脫除溶液中的無機鹽成分,特別是對于一些有機溶液中帶電離子的脫除。并且對于小型化的工程,反滲透能量回收裝置不能廣泛的應用。

ED與RO技術對比

而隨著特種離子交換膜的研制和傳統電滲析裝置的不斷革新和改進,以及電滲析對帶電離子選擇性的遷移作用,電滲析對電解質的濃縮倍率遠遠高于反滲透技術,因此電滲析技術在特種物料分離的領域進入了一個嶄新的發展階段。

電驅動膜技術的應用


電驅動膜技術被廣泛應用于海水淡化與濃縮海水制鹽,工業廢水資源化利用,食品與醫藥行業生產過程中的脫鹽。

電滲析最大的一個優點在于可以將礦物質與不帶電的物質分離。

1海水淡化與制鹽


電驅動膜系統海水淡化工藝圖

與傳統的反滲透海水淡化工藝相比,電驅動膜技術具有操作運行壓力低、管路耐腐蝕、易裝卸、噪音小等特點,可以廣泛用于海島、軍艦、漁船等特殊場合的海水淡化。

電滲析制鹽流程圖

工業應用中的電滲析制鹽工藝采用直接取用海水的方法,經殺菌、除藻、降低濁度等預處理后再進入電滲析進行濃縮,濃海水經蒸發、干燥制成食鹽。在日本,電滲析濃縮海水制鹽每年的產量為150萬噸,而其他國家約為50萬噸。


與傳統鹽田法相比,電驅動膜技術制鹽具有占地面積少,僅為鹽田法的4~6%、投資少,僅為鹽田法的20%、常規操作人員少,僅為鹽田法的5%~10%、不受地理環境和氣候的影響等特點。  

工業廢水資源化利用-印染廢水

染料廢水中除了染料,染色廢水中還含有相當大量的鹽,大多為碳酸鹽、鹽酸鹽和硫酸鹽。致使染料廢水具有酸度高、色度大、有機物濃度高、含鹽量高等特點,對于一個封閉的水循環系統,為了防止鹽在水循環過程中積聚,需要逐步去除它們。

電驅動膜技術在工業廢水資源化利用中也得到了廣泛的應用。如電驅動膜技術進行印染廢水處理時,主要用于去除其中的碳酸鹽、鹽酸鹽和硫酸鹽等,由于其中含有大量的有機物,在處理這類廢水時需要耐污染性強的離子交換膜。上圖為其處理工藝流程圖。

工業廢水資源化利用-造紙廢水

堿法造紙工藝蒸煮工序中排出的含有燒堿和木質素等物質的黑液是破壞環境的主要污染源之一。

電驅動膜技術在處理造紙廢水時主要經歷了三個階段,在初始時采用普通電滲析法回收堿液時,由于陰膜的污染而受到限制。之后采用中性膜和陽離子交換膜組裝電滲析裝置來處理黑液,但電流效率較低,實用價值不大。近幾年發展為采用單陽膜電解的工藝回收黑液中的堿液并取得了良好的效果。


工業廢水資源化利用-電鍍廢水

電鍍廢水中含有鉻、銅、鋅、鎳、鎘等多種重金屬離子以及氰化物等對環境的危害相當大。經電滲析處理后,其濃縮比可大于100,一般情況可從水洗槽中回收90%以上的鎳鹽。

電驅動膜系統處理電鍍廢水工藝圖

食品與醫藥行業脫鹽與精制-乳酸

電驅動膜技術在食品與醫藥行業也發揮了重要作用。在發酵過程中利用電滲析將乳酸或乳酸鈉不斷從發酵液中提取出來,可以保持發酵液的環境,其乳酸的回收率高達99%。并且此方法還可以擴展到其他發酵法生產的有機酸提取和生產。

電驅動膜系統處理乳清工藝

利用電滲析對高鹽分濃縮乳清進行脫鹽處理,該工藝具有鹽的脫除率高(能達到90%以上)、操作運行穩定、乳糖和粗蛋白的幾乎無損失等特點。


3食品與醫藥行業脫鹽與精制-醬油

醬油其含鹽量一般都在在16~18%,現代醫學表明,高鈉膳食會導致多種疾病的發生。

而通過電驅動膜系統可以將含鹽19.4%的醬油脫鹽至9.1%的減鹽醬油并保持醬油的原有風味不變。

4其他方面的應用

城市污水的處理與回收利用

放射性廢水的處理

食品中用于果汁脫酸與味精的生產

利用水解離效應制取酸堿

特殊化工分離與物質純化,如同位素的分離與液體葡萄糖的純化

電驅動膜技術的衍生與創新

眾所周知,離子交換膜作為電滲析設備中的重要組成部分,已在相關實際應用中獲得了廣泛的成功,而荷電膜分離技術除傳統的電滲析外還包括擴散滲析分離技術與雙極膜電滲析技術。

1擴散滲析技術

19世紀50年代初,英國化學家T.格雷厄姆開始研究溶液的擴散作用,發現一些溶質的分子或離子能通過半透膜的細孔,而較大的膠體粒子不能通過的,稱此現象為滲析。根據這個原理制成的設備稱為滲析器,常用于膠體溶液的濃縮以及核酸、蛋白質等高分子化合物的提純。利用半透膜或選擇透過性離子交換膜使溶液中的溶質由高濃度一側通過膜向低濃度一側遷移,這種過程以濃度差為動力,所以也稱為濃差滲析或自然滲析。在環境工程方面目前主要用于酸、堿廢液的處理和回收。

該圖是陰離子交換膜擴散滲析回收鋼鐵廢酸液(以FeCl2+HCl為例)中鹽酸的示意圖。廢酸液和水分別處于膜的兩側,在濃度差的推動下,Fe2+、Cl-和H+都有向水側擴散的趨勢,但由于陰離子交換膜的離子選擇性,Cl-可以順利地到達水側,而Fe2+和H+理論上由于膜的固定基團的排斥無法透過膜。同時,由于H+的離子水合半徑小、電荷低、活性高,所以相比于Fe2+而言,H+可以比較容易地透過膜到達水側與結合生成鹽酸以滿足溶液電中性要求。而Fe2+主要受到來自離子交換膜對其較強的磨擦作用和蹄分效應而不能透過膜,因此實現了酸鹽的分離。

陰膜酸分離回收技術廣泛應用在化成箔、鋼鐵酸洗、蓄電池、濕法冶金、多晶硅、玻璃蝕刻、石墨生產、PS版、鈦白粉、稀土等行業,酸回收率80%以上,金屬離子去除率90%以上。

廢酸的傳統處理方法包括中和、萃取、蒸發結晶等,但都存在過程復雜、操作費用高、能耗高、投資大、易引起二次污染等缺點,利用擴散滲析技術處理工業廢酸具有廢酸可資源化回收利用、運行中幾乎無能量消耗、較低的安裝和運行費用、對環境不造成二次污染等優點,目前,已經廣泛應用在應用于化成箔行業、鋼鐵酸洗、濕法煉銅等行業。

廢酸回收的具體工藝流程如圖所示

擴散滲析技術還能夠用來進行堿分離回收。該圖是陽離子交換膜擴散滲析回收鎢礦廢堿液(NaOH+Na2WO3)中氫氧化鈉的示意圖。與陰離子交換膜擴散滲析類似,廢堿液和水分別處于膜的兩側,在濃度差的推動下,Na+、WO32-和OH-有向水側擴散的趨勢,由于陽離子交換膜的存在,Na+可以順利地到達水側,而WO32-和OH-無法透過膜。同時,由于OH-比WO32-更容易透過膜到達水側與Na+結合形成氫氧化鈉,因此實現了堿鹽的分離。OH-的遷移是實現堿鹽分離的關鍵。

陽膜堿分離回收技術廣泛應用在氫氧化鈉堿法冶金行業,以及粘膠纖維、造紙、鋁合金型材加工等行業中堿分離回收,堿回收率80%以上,酸根離子去截留率90%以上有機物截留率98%以上。本工藝回收的堿可以用于企業的再生產,提高了堿的利用率,減少了企業堿的消耗和廢堿的排放,經濟效益和環境效益非常明顯。

雙極膜電滲析技術

雙極膜是由陽膜層和陰膜層復合而成,在有些雙極膜的兩個荷電層之間,還有催化層。當陰膜層朝著陽極,陽膜層朝著陰極,在電場中施加電壓時,雙極膜中間層的電解質離子就會向主體溶液遷移,當所有的電解質離子遷移耗盡后,電流就必須由H+和OH-來負載完成,并通過雙極膜的中間過渡區的水解離得到補充,而消耗的水通過周圍溶液中的水向雙極膜中間層擴散而得到補充。雙極膜電滲析是將雙極膜與單極膜按照不同的方式組合形成的電滲析,成功的將普通電滲析的鹽解離與雙極膜的水分子的解離結合在一起,這樣溶液中相應的鹽離子與雙極膜水解離產生的H+和OH-結合轉化為相應的酸和堿。雙極膜電滲析具有如下突出的特點:首先,雙極膜水解離沒有氣體或副產品產生這樣就會降低電壓而使得能量得到最大的利用;其次,只需一對電極,占地好,減少投資成本;最后,在同一雙極膜電滲析的膜堆上無機鹽和有機鹽都能轉化成相應的酸和堿。

有機酸發酵生產過程中必須加入堿液以控制發酵液的pH值,因此發酵后形成的是有機酸的鈉鹽溶液,轉化有機酸鈉鹽為有機酸是生產過程中的一個基本步驟。傳統方法在生產過程當中會產生大量的廢水和廢渣,進而污染環境。利用雙極膜電滲析技術生產有機酸可直接將有機酸鈉鹽轉化為有機酸和氫氧化鈉,生產過程無需加酸,沒有污染物的排放,形成的堿液可在生產中實現回用,具有明顯的經濟和社會效益。

廢鹽水零排放/資源化再利用工藝流程圖

傳統生產中使用酸堿會產生大量的鹽,該部分鹽大多成為固廢,難以重復利用。而將雙極膜電滲析技術運用到生產過程中,生成的鹽轉化為相應的酸和堿,這樣既節約了生產過程中酸和堿的消耗,又減少了固廢的產生,實現了資源化再利用。

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