三室式電滲析法處理廢水的原理分析及其實用價值

趙芳

在水資源匱乏的大環(huán)境下，含鹽廢水的處理已成為一個不可忽視的問題。開發(fā)經(jīng)濟高效的含鹽廢水處理工藝，已經(jīng)成為國內(nèi)水資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵問題。國際上將廢水“零排放”定義為液體零排放（zero liquid discharge），即工藝廢水經(jīng)過適當?shù)募夹g(shù)處理后回用，不向環(huán)境排放任何液態(tài)廢棄物，廢水中的污染物以固態(tài)形式排放[1]。“零排放”技術(shù)的關(guān)鍵在于含鹽廢水的濃縮減量，目前主要有蒸發(fā)、膜蒸餾、正滲透和電滲析等技術(shù)。而電滲析，與其它技術(shù)相比，具有投資少、能耗低、技術(shù)成熟和濃縮濃度高等優(yōu)點，同時，電滲析技術(shù)作為一種膜法水處理技術(shù)，由于其對分離組分的選擇性高，原水回收率高，不污染環(huán)境等優(yōu)點，正受到越來越多的關(guān)注，成為目前水處理的熱點之一。

電滲析（ED）技術(shù)是在離子交換法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的除鹽方法，是膜分離技術(shù)的一種，它的工作原理是將陰、陽離子交換膜交替排列于正負電極之間。并用特制的隔板將其隔開，組成除鹽（淡化）和濃縮兩個系統(tǒng)，在直流電場作用下，利用離子交換膜的選擇透過性（其實質(zhì)是反擴散）[2]，一部分水淡化，一部分水濃縮，把電解質(zhì)從溶液中分離出來，從而實現(xiàn)溶液的濃縮、淡化、精制和提純。

電滲析設(shè)備有兩室式電滲析池，三室式電滲析池，還有多室式電滲析池。陳日耀等[3]研究采用陰陽離子雙隔膜三室式電解槽，以鐵為陽極，石墨作陰極，采用電滲析技術(shù)處理氨氮廢水。如垃圾滲濾液中含有高濃度氨氮，將垃圾滲濾液中氨氮富集到陰極液中，以化學沉淀法去除，經(jīng)處理后氨氮濃度可降至200mg/L 以下.程昊等[4]采用改性殼聚糖、海藻酸鈉雙隔膜電滲析處理垃圾滲濾液，滲濾液中氨氮濃度從 1392mg/L 降至 169mg/L，陰極室氨氮濃度為1063mg/L，經(jīng)進一步處理陰極室廢水可達標排放.以上研究表明，電滲析可作為垃圾滲濾處理的一種技術(shù)，且去除氨氮效果較好，不會產(chǎn)生其他污染.

利用三室式電滲析法的原理不僅在處理廢水上取得較好的效果，而且還體現(xiàn)在近幾年的化學試題中，像利用三室式電滲析法處理含NH4NO3廢水的原理圖像試題在（2019屆山東聊城高三化學二模）中考查過;三室式電滲析法處理廢水的原理知識甚至還滲透到高考的命題中，與高考銜接。比如（2016年新課標1卷 11）三室式電滲析法處理含廢水的原理如圖所示，采用惰性電極，ab、cd均為離子交換膜，在直流電場的作用下，兩膜中間的和可通過離子交換膜，而兩端隔室中離子被阻擋不能進入中間隔室。下列敘述正確的是（??）

A.通電后中間隔室的離子向正極遷移，正極區(qū)溶液增大

B.該法在處理含廢水時可以得到和產(chǎn)品

C.負極反應(yīng)為，負極區(qū)溶液降低

D.當電路中通過1電子的電量時，會有的生成

【答案】B

【解題思路】直流電作用下電解硫酸鈉溶液，由于鈉離子與硫酸根在水溶液中均不放電，因此其本質(zhì)為電解水。

【解析】A、電流從正極流出，負極流入，為陰離子，其移動方向應(yīng)與電流相反，因此向正極區(qū)（陽極）移動。正極區(qū)發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為，則正極附近酸性增強，pH下降。故A項錯誤。

B、負極區(qū)（陰極）的電極反應(yīng)為，剩余，中間區(qū)域的遷移到負極區(qū)，得到;正極區(qū)的電極反應(yīng)為，余下，中間區(qū)域的遷移到正極區(qū)，得到，故B項正確。

C、負極區(qū)發(fā)生還原反應(yīng)：，負極附近堿性增強，pH升高，故C錯誤。

D、由正極區(qū)的電極反應(yīng)可知，轉(zhuǎn)移電子與產(chǎn)生氧氣的物質(zhì)的量之比為4：1，因此轉(zhuǎn)移電子時會有氧氣生成，故D項錯誤。

【考查方向】本題主要考查電解池工作原理的知識

【易錯點】對電解池電子轉(zhuǎn)移分析錯誤

【點評】電化學是化學能與電能轉(zhuǎn)化關(guān)系的化學。電解池是把電能轉(zhuǎn)化為化學能的裝置，它可以使不能自發(fā)進行的化學反應(yīng)借助于電流而發(fā)生。與外接電源正極連接的電極為陽極，與外接電源負極連接的電極為陰極。陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)。若陽極是活性電極（除Au，Pt，C之外的電極），則電極本身失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng);若是惰性電極（Au，Pt，C等電極），則是溶液中的陰離子放電，放電的先后順序是S2ˉ>Iˉ>Brˉ>Clˉ>OHˉ>含氧酸根離子，陰極則是溶液中的陽離子放電，放電的先后順序是Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+，與金屬活動順序表剛好相反。溶液中的離子移動方向符合：同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引的原則，即陽離子向陰極區(qū)移動，陰離子向陽極區(qū)移動。掌握電解池反應(yīng)原理是本題解答的關(guān)鍵。本題難度適中。

電滲析在苦咸水及海水淡化、化工分離、食品行業(yè)、生物工程、醫(yī)藥等領(lǐng)域中取得了巨大的進展，突顯了其利用價值。電滲析技術(shù)是目前所有膜分離過程中唯一設(shè)計化學化學變化的分離過程。在許多領(lǐng)域與其它方法相比，它能有效的將生產(chǎn)過程與產(chǎn)品的分離過程融合起來，具有其他方法不可比擬的優(yōu)勢。比如新出現(xiàn)的四室電滲析器提取乳酸技術(shù)，不但將乳酸從發(fā)酵液中分離出來，同時將它由鈣鹽轉(zhuǎn)化成了酸的形式，與傳統(tǒng)工藝相比工序簡單，耗能少，產(chǎn)率高。因此電滲析在節(jié)能和促進傳統(tǒng)技術(shù)的升級方面具有很大的潛力。隨著科技發(fā)展，電滲析設(shè)備的制造水平提高，設(shè)備成本大大降低，電滲析技術(shù)固有的抗污染性，高化學性等優(yōu)點，再加上雙極膜電滲析技術(shù)、反滲透與電滲析相結(jié)合技術(shù) [5] 的發(fā)展，電滲析技術(shù)將會煥發(fā)新的活力及競爭力！

參考文獻：

[1]?Dani Jennifer Barrington，Goen Ho. Towards zero liquid discharge：The use of water auditing to identify water conservation measures [J]. Journal of Cleaner Production，2014，66（1）：571 - 576.

[2]?Galama A H，Saakes M，et al.Post.Seawater predesalination with electrodialysis[J]. Desalination，2014，342：61 ～ 69.

[3]?陳日耀，陳震，耿亞敏，等.陰陽離子雙隔膜三室電解槽電滲析處理垃圾滲濾液[J].應(yīng)用化學，2009，26（11）：1336-1340.

[4]?程昊.改性殼聚糖、海藻酸鈉雙隔膜電滲析處理垃圾滲濾液[J].科學技術(shù)與工程，2009，9（10）：2832-2833.

[5]?Ronan K，McGovern，et al.The benefits of hybridizing electrodialysis with reverse osmosis[J].Journal of Membrane Science，2014，469：326 ～ 335.

（作者單位：河南省信陽市第二高級中學）