水处理技术简史之电渗析,化工产品膜分离技术-电渗析

水处理技术简史之电渗析

北极星水处理网讯:电渗析(Electrodialysis,ED)可能是最巧妙的膜分离过程。它不仅巧妙地使用两种功能完全相反的膜,还通过无形的电场巧妙地操控水中带电离子的迁移。作为一种水处理和分离技术,它广泛应用于苦咸水淡化、海水浓缩、废水回用和工艺分离等领域。电渗析技术130年的发展历史,既经历了突破与辉煌,也充满着彷徨与期待。

电渗析淡化厂(图片来自网络)

第一部分 早期探索

顾名思义,电渗析以渗析(Dialysis)过程为基础。渗析过程离不开渗析膜。渗析膜的特性是,小分子溶质或电解质离子可以透过,而大分子或胶体物质不能透过。如果将含有小分子电解质的胶体溶液通过渗析膜置于纯水中,小分子电解质就会由于浓差扩散透过渗析膜进入到纯水中,胶体溶液因此得到纯化。这就是渗析过程。

说到渗析,似乎不能不提渗透(Osmosis)。二者都是依赖于膜和浓差扩散发生的分离过程,主要区别在于膜的选择透过性质不一样。与渗析膜不同,渗透膜只有水分子可以透过,小分子溶质或电解质离子是不能透过的。渗析现象每天都在我们身体内发生,它是人体肾脏发挥功能的主要原理之一。肾脏功能受损的病人会出现尿毒症,需要接受血液透析治疗。血液透析主要运用的就是渗析膜和渗析过程。

1748年,法国物理学家诺莱(Jean-Antoine Nollet)采用猪膀胱作为半透膜,发现低浓度酒精溶液中的水透过膜进入到了高浓度酒精溶液中,第一次通过实验观察到了渗透现象。1854年,英国格拉斯哥大学(Glasgow University)化学家格雷厄姆(Thomas Graham)采用羊皮纸作为渗析膜,第一次通过实验描述了氯化钠等物质的渗析现象。

最早的电渗析概念起源于德国。1890年,德国人迈格罗(E. Maigrot)和萨贝茨(J. Sabates)采用碳材料电极,首次将电场引入渗析过程,利用高锰酸盐浸渍纸作为渗析膜,用于加速纯化糖浆。1902年,德国人肖日迈尔(G. Schollmeyer)在描述类似过程的一件专利中首次使用了电渗析(Electrodialysis)一词。

1911年,英国化学家道南(Frederick G. Donnan)通过实验研究了由于不同电解质的透过性差异引起的半透膜两侧不均匀的电荷分布现象,即所谓的道南平衡(Donnan equilibrium)。1914年,贝蒂(A. Bethe)和托洛帕夫(T. Toropoff)首次发现火棉胶、高锰酸盐浸渍纸、明胶膜等渗析膜的孔壁上带有一定的固定负电荷。

1929年,泡利(W. Pauli)和雅尔科(E. Yalko)首次描述了三室电渗析装置,置于中间室的料液中的阴离子和阳离子在电场作用下分别进入正极室和负极室。1935年,特奥雷尔(T. Teorell)建立了荷电膜理论,认识到阳离子选择性透过膜含有带负电荷的固定离子,阴离子选择性透过膜含有带正电荷的固定离子。1939年,马内戈尔德(E. Manegold)和卡劳奇(C. Kalauch)首次在三室电渗析装置中同时使用阴离子选择性透过膜和阳离子选择性透过膜。

1940年,迈尔(K. H. Meyer)和施特劳斯(W. Strauss)首次提出,通过在电渗析装置中设置阴膜和阳膜交替排布的重复单元,在直流电场作用下就会产生交替的浓室和淡室。这一设想奠定了现代电渗析膜堆的基本结构,具有里程碑意义。

化工产品膜分离技术-电渗析

化工产品膜分离技术-电渗析

  北极星水处理网讯:膜技术目前在很多的食品、医药、化工等产品生产过程已经充当着生产设备、末端废水处理设备的角色,是一门成熟的高效分离、浓缩、提纯及净化的技术。

电渗析(ED)技术则有着自身独特的魅力,在产品脱盐、浓缩、脱酸、脱碱等系统都有它的一席之地。

电渗析技术的特点

1 不引入新杂质,对产品品质无影响

电渗析膜技术物理膜分离过程,不需要添加辅助药剂,工艺过程运行温度5-50℃,可调。它比较适合很多热敏性的活泼化合物的生产,可大大减少产品结构破坏的可能性或某些副反应的发生。

电渗析膜材料可以达到食品级,工艺装置材料、配套设备材料基本为高分子材料,具有很好的耐腐蚀性能,可以满足不同的需求。

2 膜高产品功能化强,实现高效分离

国内电渗析技术成熟,功能化膜产品较多,可以适用于不同产品系统的处理需求。

脱盐、脱酸、脱碱等均可以高效实现,在某些附加值较高的产品系统中,在满足分离要求的基础上,还能实现产品的高回收率。

3 能耗低,运行经济性高

电渗析技术是一个常温无相变的电驱动过程,能耗费用相对较低,具有非常高的运行经济性。其中能耗费用与系统中带电离子组分类别、占比有相对直接的关系。

4 系统简单,自动化程度高

电渗析系统常压运行,配套设备简单,容易实现自动化控制。

应用行业

1 食品行业

糖类系统如:木糖脱盐脱酸、低聚糖脱盐、菊糖脱盐、葡萄糖脱盐、氨糖浓缩、明胶脱盐、竹笋原液脱盐等。

调味品系统如:酱油脱盐、食醋脱盐、味精脱盐、调味酱脱盐等。

乳制品系统如:乳清脱盐、乳制品或豆制品废水处理、乳糖脱盐等。

果汁、饮料系统如:山楂汁脱盐、牛磺酸母液脱盐、蓝莓汁脱酸等。

添加剂系统如:甜菜碱脱盐、维生素脱盐、香精脱盐、酶制剂脱盐、甜味剂脱酸脱盐等。

菊糖的脱盐纯化系统

菊糖一种纯天然、高效能、无公害的低聚果糖饲料添加剂,具有很高的营养价值和良好的功能性质。工业化生产上,菊糖主要从菊芋或菊苣块茎中提取,主要涉及过滤、脱色、脱盐、浓缩等工艺过程,其实也刚好可以适用多个膜处理技术。

粗菊糖料液主要含有以下三类杂质:灰分(以钾盐为主)、粗蛋白质,单双糖(以蔗糖为主),从而限制了其在食品工业中的应用,所以需要对粗菊糖进行纯化。

用超滤等膜处理技术预处理后,由于菊糖分子上没有带电基团,而其它杂质要么带电,要么分子量小,非常适合用电渗析膜技术进行灰分的脱除,达到分离纯化目的。

部分粗菊糖的灰分约2-4%,采用电渗析工艺灰分脱除率约75-90%,而菊糖的回收率可以高达95%以上。

相对于以离子交换工艺为主的传统工艺,采用以电渗析为主的膜技术组合工艺纯化粗菊糖产品,一方面实现了清洁化生产的目的,另一方面降低了企业环保压力,而且还提高了产品产能。

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