行业分领域综述：离子交换膜和电渗析技术的发展动向

水处理网讯:1 离子交换膜和电渗析的发展

1.1 电渗析在国外的发展历程

电渗析技术的研究最早始于德国，1903年Morse和Prerce把两根电极分别置于透析袋内部和外部的溶液中无意发现带电杂质能迅速地从凝胶中除去；1924年Pauli对Morse的试验装置进行了改进，以便解决极化、传质速率等问题；1940年Strauss和Meyer又进一步提出了多隔室电渗析装置的概念。自此，电渗析技术得到了较好的发展，不仅体现在装置设计上的改良，其核心部件离子交换膜也得到了很好的发展。20世纪50年代，美国科学家Juda成功试制了具有较高选择透过性的阴、阳离子交换膜；紧接着，在1952年美国Ionics公司就设计制造了第一台电渗析装置。

电渗析技术率先在美国、英国和苏联等国家得到推广，主要应用于海水淡化、饮用水制取等。发展至今，已经被广泛应用于物料脱盐、废水脱盐、海水淡化预处理或浓盐水处理等领域。现如今应用最为广泛的是中东、日本、美国等地区，其中日本电渗析技术的发展可谓是后来居上，是目前世界上唯一一个使用电渗析技术大规模制盐的国家。当前国外离子膜主流公司主要有日本Astom 公司、日本AGC公司、德国Fumatech 公司、日本富士膜Fujifilm、加拿大Saltworks、法国Suez公司和捷克Mega公司等。

图1．电渗析及其相关过程国际发展时间表

1.2 电渗析在国内的发展历程

我国对电渗析的研究起步较晚，1958年北京和上海的科研单位将离子交换树脂磨成粉再加压制成异相离子交换膜；60年代初便有小型海水淡化装量投入试运行；1965年在成昆铁路上安装了我国第一台苦咸水淡化装置；1969年聚乙烯异相离子交换膜在上海正式投入生产。从此，我国电渗析技术进入了大规模推广应用的新时期。我国电渗析技术的发展大致可以分为三个阶段，如图2所示。

图2．国内电渗析发展阶段

20世纪80年代到90年代末，电渗析技术受到反渗透、纳滤、超滤等新技术的冲击，只用作水处理项目中的预处理工作，导致了电渗析技术的发展缓慢。21世纪前十年，双极膜技术的引进并得到了很好的发展应用，电渗析技术的突破与发展得到了显著改进，同时降低了技术成本和管理难度，使其得到广泛推广；从2010年至今，随着国家对环保的要求和企业环保意识的逐渐增强，电渗析以其浓缩无机盐及物料脱盐的高效、节能、三废少、占地少等优点，使得从事电渗析行业的人员迅速壮大，电渗析行业逐渐标准化、统一化。

到目前为止，虽然我国离子膜产量数量很大，但是仍以异相膜为主，主要用于初级电渗析水处理，也有少许用于化工和食品工业中的脱盐、微咸水的淡化等。随着国内制膜技术的进步和应用技术不断开发，均相膜和双极膜电渗析的应用正在逐步扩大，电渗析将广泛应用于能源、食品、医药、生物、冶金、化工、环保和饮用水等领域。

从不同公司的离子交换膜和电渗析设备来看，电渗析行业偏向于非标准化，很多东西没有形成行业统一化发展，这在一定程度上阻碍了电渗析技术的发展。2019年8月1日，由中国环境保护产业协会组织制订，杭州蓝然环境技术股份有限公司、杭州埃尔环保科技有限公司负责起草的团体标准T/CAEPI 19-2019《电渗析装置技术要求》正式实施，该标准有利于规范行业发展，使中国电渗析行业趋向于标准化和统一化，为电渗析的快速发展提供有效支撑。

由于电渗析的应用场景的局限性，尽管随着近些年不断的应用推广，但实际的应用量相比于压力驱动膜仍然较小，所以目前国内主营电渗析的厂家不多，知名电渗析厂家如下表1所示。

表1．国内主要电渗析厂家概况

从各厂家已有的项目情况，国内电渗析主要应用于高盐废水的盐浓缩，石油炼化、化工等行业的中水回用，医药、食品、生物等行业的物料分离，以及化纤、农药化工等废盐的酸碱转化。

电渗析初始的用途为海水淡化，随着电渗析企业的不断努力开拓，行业逐渐向化工、食品医药、新能源等其他行业进行延伸，比如杭州蓝然环境、山东天维，在电渗析应用的推广中，在不少行业实现了电渗析和扩散渗析的首次应用。

表2．国内电渗析应用推广情况

2 离子交换膜技术及产品

离子交换膜是一种电驱动膜，在国内的应用不到20年的时间，由于其特殊的分离效果，和国内的离子交换膜企业的不断发展，逐步得到下游客户的接受。离子交换膜作为分离膜的一种，其固定基团上带有特定电荷使之具有了选择透过性。这种特性使其在产物纯化与回收、能量转化、金属电积、物质重组等多个方面发挥着重要的作用。典型的应用有：氢氧燃料电池、锂离子电池的隔膜，EDI工艺生产超纯水用于电子、精细化工、核能产业，湿法冶金中电解用隔膜防治有害气体的产生，电渗析去除污染水体中的氟离子、硝酸根离子，氯碱工业制备氢氧化钠等。其节能、清洁、重复利用和实用环保的特点尤其符合现代工业的要求，为经济的可持续发展奠定了基础，成为经济可持续发展战略的重要组成部分。

2.1 电渗析离子交换膜分类

电驱动膜分离过程的驱动力是直流电场，能够在均相的水溶液或者水·有机混合溶液中实现物料的分离。通过利用特殊选择性的离子选择性通过膜，离子可以在电场作用下发生移动，并被离子选择性透过膜选择性的通过或阻隔，从而实现物料的分离。根据所采用的离子选择性通过膜的种类以及操作模式的不同，电驱动膜分离过程可以分为普通电渗析(CED)、双极膜电渗析(BMED)、电解电渗析(EED)、选择性电渗析(SED)、电去离子(EDI)等，其中普通电渗析和双极膜电渗析是电驱动过程常见的两种膜分离工艺。

图3．离子交换膜基本分类

2.2 电渗析与其他膜技术的对比分析

电渗析在废水零排放与废盐资源化领域有着众多成功案例，与高压反渗透和正渗透相比，总投资较少，运行成本低，浓缩浓度比高压反渗透更高，与正渗透相近，耐腐蚀性好，安全性高，技术和经济性好，更适合于无机盐废水浓缩。电渗析、高压反渗透、正渗透性能对比如表3所示。

表3．电渗析、高压反渗透和正渗透的综合对比

与高压反渗透和正渗透相比，电渗析技术更耐钙、镁、硅等污染，由于COD和硅等不会在浓水中累积，对于后续蒸发系统是一种很好的保护，确保结晶得到无机盐的纯度更高。一般普通异相膜的浓缩液氯化钠浓度在13%以下，杭州蓝然环境合金膜性能较为优异，可将浓缩液氯化钠浓度提升至15～18%，山东天维的均相离子交换膜浓缩氯化钠浓度达到18%，ASTOM与AGC的均相膜离子交换膜浓缩液氯化钠浓度可达20%以上。