电渗析海水淡化技术发展

电渗析海水淡化技术进展

水是人类社会赖以生存和进展的根本物质，是地球生态环境维持平衡的重要因素。然而，水资源短缺已经成为人类目前面临的最严峻的挑战之一。一方面，淡水资源储存量缺乏且时空分布不均衡，难以满足经济社会进展和人口数量增长的需求；另一方面，工农业进展和城市规模扩大带来的水体污染日趋严峻。水资源匮乏正日益影响全球的经济社会进展和生态平衡，甚至引起了国家和地区间的冲突。联合国有关机构指出“供水缺乏将成为一个深刻的社会危机，世界上在石油危机之后的下一个危机便是水的危机”。

地球外表约 3/4 都被水掩盖，其中海水占 96.5%，但是这局部水含盐量较高，不能直接用于工农业生产和人类生活。可取用的河水、湖水及浅层地下水等仅占 0.2%左右，这其中还包括相当大一局部的苦咸水。2023 年联合国世界水资源进展报告指出，到 2050 年，全球淡水资源总需求量将比 2023

年增长 55%左右，届时全球 40%的人口将会面临严峻的缺水危机。

我国人均水资源占有量为 2220m3，是世界人均水资源占有量的 1/4，是全球 13 个人均水资源最贫乏的国家之一，且我国水资源时空分布极不均衡，局部地区水资源污染严峻。面对日益严峻的缺水形势，政府实行了一系列有效的调控措施，如兴建大型蓄水工程、跨流调水等等，这些措施只能缓解局部城市和地区的缺水状况，难以满足大多数城市经济快速进展及人民生活水平提高的需求。此外，我国北方和西北地区的地下水多为苦咸水，沿海地区地下水超采引起海水倒灌等等，均使得我国的缺水形势日趋严峻。据有关部门推测，我国将在 2030 年左右消灭缺水顶峰。

因此，通过适宜的方法对海水进展淡化成为从源头增加淡水资源量的有效手段，也是解决淡水资源短缺、维持淡水持续供给、优化淡水资源配置的重要途径。

海水淡化是通过物理、化学或物理化学方法从海水中猎取淡水的技术和过程，其主要途径有两条：一是从海水中取出水，包括蒸馏法、反渗透法、冰冻法、水合物法和溶剂萃取法等；二是从海水中取出 盐，包括离子交换法、电渗析法、电容吸附法和压渗法等。截至目前，实际规模应用的仅有蒸馏法、反渗透法和电渗析法。

本文主要对电渗析技术在海水淡化领域的应用及其争论进展进展介绍，包括电渗析海水淡化的根本原理、电渗析技术的进展历程、电渗析技术在海水淡化领域面临的挑战、多种工艺集成过程的进展等等。 1、电渗析海水淡化的根本原理

1.1 电渗析装置

在外加直流电场的作用下，利用离子交换膜的选择透过性，使溶液中的电解质离子定向迁移，自溶液中局部分别出来的过程即为电渗析。

电渗析装置一般由离子交换膜、隔板、电极、直流电源、电泵、水槽等组成。离子交换膜主要分为阳离子交换膜(CM，简称阳膜)和阴离子交换膜(AM，简称阴膜)两种，其对不同荷电性离子具有选择透

过性：阳膜带有负电荷，可选择透过阳离子；阴膜带有正电荷，可选择透过阴离子。隔板构成的隔室为液体流经的通道，淡水流经的隔室为脱盐室，浓水经过的隔室为浓缩室。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，即构成一台电渗析器。

1.2 电渗析海水淡化过程

在电渗析海水淡化过程中，通电的状况下，溶液中的阳离子通过阳离子交换膜向阴极方向迁移，阴离子通过阴离子交换膜向阳极方向迁移，最终阴、阳离子分别透过阴、阳离子交换膜迁移到相邻的隔室中，使得淡水隔室中的盐浓度渐渐降低，浓水隔室中的盐浓度相应渐渐上升，从而实现了盐、水的分别，到达海水淡化的目的。图 1 为电渗析海水淡化过程的根本原理图。

图 1 电渗析海水淡化原理图

2、电渗析技术的进展历程

2.1 国外电渗析技术的进展历程

有关电渗析的争论始于 1903 年，将两根电极分别置于透析袋内、外部溶液中，觉察能更快速地除去凝胶中的带电杂质；通过化工原理设计改进了 Morse 的试验装置，增加了传质速率；1940 年，提出了具有有用意义的多隔室电渗析装置的概念；1950 年，Juda 和 McRae 成功研制了具有高选择透过性的阳、阴离子交换膜，奠定了电渗析技术的有用根底。

1952 年，美国 Ionics 公司成功研制了世界上第一台电渗析装置，并将其用于苦咸水淡化，随后该技术在美国、英国得到了推广应用。日本于 20 世纪 50 年月末开头争论电渗析技术用于海水浓缩制盐，

20 世纪 60 年月旭化成公司成功研制出性能优良的单价离子交换膜，使得日本在电渗析海水浓缩制盐技术方面至今仍保持国际领先地位。1974 年，日本在野岛建立了日产饮用水 120t 的海水淡扮装置，

是当时世界上最大的海水淡扮装置。1972 年，美国 Ionics 公司推出了频繁倒极电渗析装置，提高了装置的运行稳定性。此后，填充床电渗析、双极膜电渗析、高温电渗析等相继消灭，使得电渗析技术的应用领域愈加广泛。目前美国和日本在电渗析技术方面处于世界领先地位。 2.2 我国电渗析技术的进展历程

1958 年，国内开头争论电渗析技术，随后，以国产聚乙烯醇异相离子交换膜装配的小型电渗析设备投入海上试验。1965 年，在成昆铁路上安装了第一台电渗析苦咸水淡扮装置。1969 年，聚苯乙烯异相膜投入生产，为我国电渗析技术的推广应用奠定了根底。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。1981 年 6 月在西沙永兴岛建成了当时世界上最大的日产淡水 200t

的电渗析海水淡化站并投入运行，该淡化站承受两组 10 级一次连续流程，将海水含盐量由35000mg/L 脱至 500mg/L，总电耗为 16.5kW·h/t，比用船运水(20.7 元/t)节约费用 80%，接近日本同期水平，完毕了承受轮船向该岛运输淡水的历史。

为严格掌握饮水标准，1984 年又安装了脱硼装置，承受 564 特效脱硼树脂将电渗析出水中的硼由4.7mg/L 脱至 0.5mg/L 以下，低于世界卫生组织建议的饮用水含硼指标(1mg/L)，水质完全符合饮用水卫生标准，该技术完善了电渗析海水淡化制取饮用水的流程，标志着我国电渗析海水淡化技术的进步。

电渗析技术具有对分别组分选择性高、对预处理要求低、装置设备与系统应用敏捷、操作修理便利、装置使用寿命长、原水回收率高、不污染环境等优点。20 世纪 70 年月初到 80 年月上半期，是电渗析技术在世界范围内的大规模推广应用阶段，广泛用于海水淡化、海水浓缩制盐、苦咸水脱盐与纯水制备、化工废水脱盐等领域，并取得了显著的经济效益和社会效益。

3、电渗析技术面临的挑战

进入 80 年月中期以后，电渗析技术的进展在国外、国内先后进入了萎缩阶段，这主要是由于反渗透技术的消灭对电渗析技术提出了重大的挑战。

1960 年，第一张高脱盐率、高通量的不对称醋酸纤维素反渗透膜问世，标志着反渗透膜的争论获得突破性进展；1970 年，美国 DuPont 公司将反渗透膜用于苦咸水脱盐；1990 年后，随着反渗透膜性能的提高、价格的下降、高压泵和能量回收效率的提高，反渗透法渐渐成为投资最省、本钱最低的 海水淡化技术。

与反渗透海水淡化技术相比，电渗析技术存在出水水质较差、能耗较高、不能有效去除水中有机物和细菌等缺点，并且电渗析淡扮装置规模不大，离子交换膜的性能还不够完善，这些问题使得电渗析技术在海水淡化领域的应用一度受到阻碍。

4、电渗析技术的创进展

然而，电渗析技术也有反渗透技术无法比较的优势。电渗析技术的驱动力是电势差，其工作系统不受压力的影响，并且可以直接利用电能，无需能量的转化过程；离子交换膜具有较强的抗污染力量，对原水的水质要求相对较低；电渗析装置设备与系统应用敏捷、操作修理便利，使用寿命长。随着对传统电渗析装置和工艺流程的不断革和改进，电渗析海水淡化技术进入了一个的进展阶段，其制水能耗不断降低，重受到了人们的青睐。

4.1 型功能化离子交换膜的研制：

鉴于异相离子交换膜的电阻高、选择性低、性能不稳定、寿命相对较短等缺点，研制经济型且具有高稳定性、高选择性、低电阻的均相离子交换膜是电渗析进展的必定趋势。美国杜邦、 Dow、GE，德国西门子、PCA，意大利 Solvay，日本旭硝子、旭化成，山东天维等都相继开发出了均相离子交换膜。

表 1 商品化均相离子交换膜

除了传统的利用单体聚合或者聚合物溶解浇铸法制备均相离子交换膜外，提出了一种在线聚合法制备均相膜的路线，将聚合物在单体中溶解刮膜，然后依据单体的条件聚合成膜后再进展磺化或季胺化， 即可制备均相阳离子/阴离子交换膜，这种方法既可以避开传统制膜方法中溶剂对环境造成污染，同

时能赐予均相膜较好的性能。提出一种简洁而通用的侧链型离子化芳香聚合物的合成方法，即“离子单体聚酰基化”均相膜制备路线，并通过ATRP 法来设计离子交换膜的主链憎水、侧链亲水的接枝构造，通过调整接枝密度和长度，来调控膜性能，以满足不同的应用过程对膜性能的需求，该路线制备工艺简洁，避开了传统制膜方法中季胺化和磺化对环境的污染。

4.2 型电渗析装置的研发

Millpore 公司研发了填充床电渗析(EDI)装置，在淡水隔室内填充混合阴、阳离子交换树脂，在电场作用下被离子交换树脂吸附的离子不断迁移到浓水隔室中，使得原料液中的离子几乎可完全被除去， 同时还可以利用电渗析过程中的极化现象对离子交换填充床进展电化学再生。该装置兼具电渗析技术的连续脱盐和离子交换法的深度脱盐优点，提高了离子的传递效率，降低了液层电阻。该装置目前已经广泛应用于高纯水制备及放射性废水的处理等方面。此外，用该装置处理海水及高浓度废水，结果显示其能耗可与反渗透能耗相比。

4.3 工艺流程的持续开发与优化

对海水淡化而言，随着均相离子交换膜和电渗析装置的进步，电渗析工艺流程也在不断进展。此外，

将电渗析与其他膜过程相结合，可以发挥各组技术的优势，在海水淡化过程中，充分利用海水资源，

同时降低生产本钱。

(1)中小型电渗析海水淡扮装置

虽然反渗透已经成为目前最主流的海水淡化技术，但在海岛、舰船等适宜承受的中小型海水淡扮装置

领域反渗透却暴露了很多缺乏：①中小型反渗透海水淡扮装备一般不装配能量回收装置 (价格昂贵、单机负载流量大)，导致其制水能耗大幅度上升(＞12kWh/t)；②反渗透系统的操作压力高达 5~8MPa， 且海水具有强腐蚀性，泵、阀、管道等部件必需选用耐高压耐腐蚀的双相钢材料，导致小型反渗透海 水淡扮装置设备造价昂贵、重量过大。同时，双相钢材料需要专业氩弧焊焊接，焊接处易被腐蚀，造