电渗析法综述

电渗析技术综述

摘要：电渗析技术属于膜分离技术，广泛应用于食品、化工、废水处理等行业的分离纯化的生产过程中，有效率高、经济节能等优点。本文重点介绍电渗析技术的原理和分类，还有电渗析技术在食品行业中的应用及对其发展的展望。

关键词：电渗析原理分类应用展望

1、电渗析

电渗析是在直流电场作用下，利用离子交换膜的选择透过性，带电离子透过离子交换膜定向迁移，从水溶液和其他不带电组分中分离出来，从而实现对溶液的浓缩、淡化、精制和提纯的目的。目前电渗折技术己发展成一个大规模的化工单元过程，在膜分离领域占有重要地位。广泛应用于化工脱盐，海水淡化，食品医药和废水处理等领域，在某些地区已成为饮用水的主要生产方法，具有能量消耗少，经济效益显著；装置设计与系统应用灵活，操作维修方便，不污染环境，装置使用寿命长，原水的回收率高等优点。[1]

2、电渗析技术的发展简介

电渗析技术的研究始于20世纪初的德国，1903年，Morse和Pierce把两根电极分别置于透析袋内部和外部的溶液中发现带点杂质能迅速地从凝胶中除去；1924年，Pauli采用化工设计的原理，改进了Morse的试验装置，力图减轻极化，增加传质速率，直至20世纪50年代离子交换膜的制造进入工业化生产后，电渗析技术才进入实用阶段。其中经历了三大革新：一是具有选择性离子交换膜的应用，二是设计出多层电渗析的组件，三是采用倒换电极的操作式。目前电渗析技术已发展成一个大规模的化工单元过程，在膜分离领域占有重要地位。电渗析技术的分类

3.1、倒极电渗析

倒极电渗析就是根据电渗析原理,每隔一定时间(一般为15～20min),正负电极极性相互倒换,能自动清洗离子交换膜和电极表面形成的污垢,以确保离子交换膜工作效率的长期稳定及淡水的水质水量。在20世纪80年代后期,倒极电渗析器的使用,大大提高了电渗析操作电流和水回收率,延长了运行周期。EDR在废水处理方面尤其有独到之处,其浓水循环、水回收率最高可达95%。

3.2、液膜电渗析

液膜电渗析是用具有相同功能的液态膜代替固态离子交换膜,其实验模型就是用半透玻璃纸将液膜溶液包制成薄层状的隔板,然后装入电渗析器中运行。利用萃取剂作液膜电渗析的液态膜,可能为浓缩和提取贵金属、重金属、稀有金属等找到高效的分离方法,因为寻找对某种形式离子具有特殊选择性的膜与提高电渗析的提取效率有关。提高电渗析的分离效率,直接与液膜结合起来是很有发展前途的。例如,固体离子交换膜对铂族金属(锇、钌等)的盐溶液进行电渗析时,会在膜上形成金属二氧化物沉淀,这将引起膜的过早损耗,并破坏整个工艺过程,应用液膜则无此弊端。

3.3、填充床电渗析

填充床电渗析是将电渗析与离子交换法结合起来的一种新型水处理方法,它的最大特点是利用水解离产生的H+和OH-自动再生填充在电渗析器淡水室中的混床离子交换树脂,从而实现了持续深度脱盐。它集中了电渗析和离子交换法的优点,提高了极限电流密度和电流效率。1983年Ke2dem.o.及其同事们提出了填充混合离子交换树脂电渗析过程除去离子的思想,1987年,Mlillpore公司推出了这一产品。填充床电渗析技术具有高度先进性和实用性,在电子、医药、能源等领域具有广阔的应用前景,可望成为纯水制造的主流技术。

3.4、双极性膜电渗析

双极膜是一种新型离子交换复合膜,它一般由层压在一起的阳离子交换膜组成，通过膜的水分子即刻分解成H+和OH-,可作为H+和OH-的供应源。双极性膜电渗析突出的优点是过程简单,能效高,废物排放少。目前双极性膜电渗析工艺的主要应用领域在酸碱制备。例如,用双极性膜和阳膜配成的二室膜可以实现有机酸盐(葡萄糖酸钠、古龙酸钠等)的转化,同时得到碱(NaOH),但浓度(酸最大浓度2mol?L-1,碱最大浓度6mol?L-1)和纯度两方面都受到限制。现在开发的应用领域还有废气脱硫、离子交换树脂再生、钾钠的无机过程等。

3.5、无极水电渗析

无极水电渗析是传统电渗析的一种改进形式,它的主要特点是除去了传统电渗析的极室和极水。例如在装置的电极紧贴一层或多层离子交换膜,它们在电气上都是相互联接的,这样既可以防止金属离子进入离子交换膜,同时又防止极板结垢,延长电极的使用寿命。由于取消了极室,无极水排放,大大提高了原水的利用率。无极水电渗析于1991年问世,在应用过程中技术不断改善,现装置在运行方式上多采用频繁倒极的形式。目前,无极水全自动控制电渗析器已在国内20个省、市使用,近来,还远销东南亚。[3]

电渗析技术在食品中应用

4.1、在竹笋生产中的应用

传统竹笋加工过程伴随着大量废弃物的产生,以毛竹笋为例,可食部分30%左右,而笋壳约占30%,笋头40%,此外,加工竹笋也会产生大量废弃的笋煮水。竹笋原液(笋煮水)中含丰富的甾醇、多糖、氨基酸、维生素、黄酮、皂岱等天然活性成分及盐,这些盐的存在一方面不利于从原液中分级和提纯出氨基酸等成分,影响竹笋原液的营养价值,另一方面,若不经处理就直接排放,会造成土壤板结,植物烧伤,污染水源。另外,竹笋提取液中还含有镉、铅(<0.5mg/kg)、砷(<0.3mg/L)等重金属离子,直接加工成食品方面的产物,会对人体产生不利的影响[5] ,通过脱盐能够有效去除重金属离子, 从而达到国家规定的标准要求。因此,竹笋原液脱盐研究具有社会和经济效益,能够实现竹笋加工废弃物的深度转化和综合利用,开发高附加值的产品,提高企业经济效益和行业经营水平,实现传统产业的升级换代。

黄伟等在实验的基础上探讨用离子交换膜电渗析法进行竹笋原液脱盐的可行性及工艺优化。经90min脱盐后,竹笋原液灰分下降49.10%,主要元素含量变化:钾下降53.76%,钠下降75.27%,钙下降69.80%,镁下降57.86%,铁下降66.67%,铜下降76.98%,镉下降42.51%,而一些重金属离子含量普遍较低,均在国家标准范围内,如汞和砷均未检出,故电渗析技术对竹笋原液脱盐效果较好。竹笋原液脱盐前后的氨基酸含量基本持平:脱盐前氨基酸含量为8.22%(以干基计),脱盐后的氨基酸含量为8.37%(以干基计),且据氨基酸检测报告知:脱盐前后竹笋原液中氨基酸种类及各种类比例近似相同,因此电渗析技术对竹笋原液脱盐对其中功能成分-氨基酸的影响较小。

4.2、在酱油生产中的应用

据国外文献报道,利用电渗析技术对酱油进行脱盐处理,可以制得低盐酱油并基本保持酱油原有风味,但要损失一部分作为酱油指标的氨基酸态氮和有机酸等有效成分,从而将酱油的含盐量降低。但国内尚无这方面的报导,刘贤杰等采用电渗析技术进行了酱油脱盐的研究。研究结果显示:原酱油食盐含量19.4%,经电渗析处理后,酱油含量降至约9%,食盐以外的有效成分也有一些被除去,比较明显的是作为酱油品质指标的氨基酸态氮,有约8%的损失。酱油风味大致不变,证明了电渗析对酱油的脱盐是切实可行的分离方法。[4]

5、电渗析技术的展望

首先,电渗析技术由于其不是过滤型,具有较强的抗污染能力,对原水的水质要求相对较低,其独特的分离方法是反渗透无法替代的,在废液处理、食品、医药、化工分离等领域中具有极大的应用市场和发展前途。第二,研究开发具有高化学和热稳定性、高选择渗透性、抗污染强的离子交换膜仍是电渗析技术发展的重要方向,膜性能的提高才会使电渗析技术更有活力,

有更广泛的应用范围和良好前景。第三,以双极膜为基础的水解离技术已成为电渗析技术研究和应用的首要目标,这一技术为污染控制和资源回收及再生提供了一种新的途径,可以广泛应用于酸碱回收、离子交换树脂再生以及制酸碱等化工过程,是极具发展前途的技术。我国在这一领域的研究还刚刚起步,国家和各科研部门应在这一方面大力投资,使这一新技术在我国早日开花结果。第四,电渗析与离子交换技术的结合具有较大创新意义,并且引入双极膜两隔室、三隔室等不同的电渗析组合结构,结合不同的工艺组合,可以制取高纯水、脱硅水,而且可以解决目前电渗析浓水室结垢的问题,是电渗析技术另一极具发展前途的领域。第五,由于电渗析技术在中等含盐量(300mg/l～1500mg/1)范围内除盐从投资和运行费用上有较大的竞争力,因此在饮用及过程用水的制备、苦咸水脱盐至今仍是电渗析最主要的应用领域,发展前景极好。[5]

总结：本文从电渗析技术的原理、发展历史、分类、应用和展望等方面来介绍电渗析技术。电渗析技术应用的方面极为广泛，如：食品、生工等方面。其中电渗析技术在食品中酱油的生产研究具有重大的意义，它可以对酱油进行脱盐处理，改进酱油的生产。电渗析技术的分类也比较多，每一种电渗析都有不同的功能和作用，如液膜电渗析是用具有相同功能的液态膜代替固态离子交换膜，其利用萃取剂作液膜电渗析的液态膜,可以浓缩和提取金属。从本文我们可以看到研究和发展电渗析是一件非常重要的事。而笔者认为要更好的研究电渗析技术就必须解决离子交换膜的问题，所以研究并生产具有热稳定性、高选择性、低电阻、化学稳定性和机械性能的新型离子交换膜是一件极其重要的事。

参考文献

[1]李长海，党小建，张雅潇.电渗析技术及其应用[J].西安：西安热工研究院有限公司，2012.8

[2]黄万抚，罗凯，李新冬.电渗析技术应用研究发展[J].赣州：南方冶金学院环境建筑工程学院，2003.11

[3]李广，梁艳玲，韦宏.电渗析技术的发展及应用[J].南宁：广西化工研究院，2008.7

[4]吕建国，张明霞，索超.电渗析技术的研究进展[J].兰州：甘肃省膜科学技术研究院，2010.9