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离子膜电解技术在废水处理中的应用

随着我国工业的快速发展，大量的污水和废水任意排放，给城市水资源带来极大污染，严重威胁着人们生活质量，并危害水资源与人类社会的可持续发展，所以如何科学地对生活污水与化工废水进行处理已成为当前亟待解决的问题。而离子膜电解技术是一种高效、新型的污水处理技术，随着其应用范围的不断扩大，目前已渗透到多个行业中，为我国的水资源处理带来了新的变革。

　　1、离子膜电解概述

　　离子膜电解技术又称膜电槽电解法，是利用阳离子交换膜将单元电解槽分隔为阳极室和阴极室，使电解产品分开的方法。离子膜电解法是在离子交换树脂的基础上发展起来的一项新技术，利用离子交换膜对阴阳离子具有选择透过的特性，容许带一种电荷的离子通过而限制相反电荷的离子通过，以达到浓缩、脱盐、净化、提纯以及电化合成的目的，这项技术已经用于氯碱的生产，海水和苦咸水的淡化，工业用水和超纯水的制备，酶、维生素与氨基酸等药品的精制，电镀废液的回收，放射性废水的处理等方面，其中应用最广泛且成效最显著的是氯碱工业。在氯碱工业中，利用阳离子交换膜电解槽电解食盐或氯化钾水溶液来制造氯气、氢气和高纯度的烧碱或氢氧化钾。

　　2、离子膜电解工艺流程

　　经过两次精制的浓食盐水溶液连续进入阳极室，钠离子在电场作用下透过阳离子交换膜向阴极室移动，进入阴极液的钠离子连同阴极上电解水而产生的氢氧离子生成氢氧化钠，同时在阴极上放出氢气。食盐水溶液中的氯离子受到膜的限制，基本上不能进入阴极室而在阳极上被氧化成为氯气。部分氯化钠电解后，剩余的淡盐水流出电解槽经脱除溶解氯，固体盐重饱和以及精制后，返回阳极室，构成与水银法类似的盐水环路。离开阴极室的氢氧化钠溶液一部分作为产品，一部分加入纯水后返回阴极室。碱液的循环有助于精确控制加入的水量，又能带走电解槽内部产生的热量。

　　3、离子膜电解技术在废水处理中的应用

　　3.1 碱性废水处理

　　对于很多碱性废水，采用离子膜电解法处理，不外加任何化学物质，可以在大幅度降低废水COD的同时，回收废液中的碱，迅速降低废液pH值，为后续生化单元起到良好的预处理作用，造纸黑液处理正是这方面的一个应用。一些研究人员采用异相单阳膜电渗析器，以钛基涂铅板为阳极，聚乙烯异相膜为离子交换膜，研究了操作条件如电流密度、温度等因素的影响，得出电流密度350A/m，电流效率85%～99%，碱回收率7O%～75%，耗电量5000～6000kW/t的结论;还有一些研究人员以碱法麦草制浆黑液为对象，对草浆黑液处理的基本理论、技术特征和影响因素做了一系列的研究，探讨了运用该技术处理草类制浆黑液的最佳工艺条件，并且研究了过程Na+平衡，初步探讨了木质素、半纤维素的电化学氧化。污染控制与资源化研究国家重点实验室对采用离子膜电解法对处理环氧丙烷氯醇化尾气碱洗废水进行了研究，在电解电压5.0V时，循环处理3h，废水COD去除率可达78%，废水中碱回收率可达73.55%，为后续生化单元起到良好的预处理作用。

　　3.2 有机酸废水处理

　　发酵法生产有机酸的过程中，有机酸的提取分离是一个薄弱环节，往往产生大量废水。而用离子膜法提取分离有机酸，不仅能提高收率，而且作为清洁工艺，能大大降低废水的排放量。近年来对该法在酒石酸、柠檬酸、丙氨酸及其他有机酸废水的处理中的应用进行了广泛研究，采用离子膜电解法对味精生产中的高浓度氨氮有机废水进行预处理，对影响氨氮去除的几种因素进行了研究。脱除的氨氮以浓氨水的形式回收，实现废物资源化;废水经脱氨后出水基本无色，COD也有一定降低。综合考虑能耗后，对于氨氮质量浓度高达7500mg/L的废水，在4V、11L/h、6O℃的操作条件下，电解1.5h，氨氮平均去除率可稳定在,72.66%左右。

　　3.3 电镀废水处理

　　电镀行业排放废水一般含有大量重金属离子，这些金属离子大都是较贵重金属，具有极高的回收利用价值。离子膜电解技术利用金属离子的氧化还原特性取代或部分取代阴极阳极发生的析氢析氧反应，使得部分金属能够在阴极上沉淀被回收，也可以使一些被还原的金属离子在阳极上按照需求进行氧化。一些研究人员自制离子膜电解槽研究了铜生产过程中钝化液的处理的可行性，不仅可以回收其中的铜和锌，而且将Cr3+氧化成Cr6+;研究人员以镀锌钝化液为处理对象也作了研究，并确定了温度30～40℃、电压4.0V的最佳工艺条件，该条件下钝化液中质量浓度为29.06g/L的Cr3+氧化成Cr2O72-的电流效率可达50%～60%，锌去除量为0.2～0.3g/h。

　　3.4 冶金废水处理

　　COMAT法是利用酸性硫酸盐介质浸出低品位铜的一个理想闭路循环流程，但该法最终仍产生硫酸铵废液，按传统方法只能用石灰处理后排放，但用阴膜电解处理可将硫酸铵电化学分解成硫酸和氨水，阴膜将阴极室与阳极室隔开，通电后阳极室硫酸得到富集，阴极室生成氨水，生成的氨水和硫酸都可以返回流程中使用，实现闭路循环。一些研究人员于二十世纪八十年代初开始研究离子膜电解技术回收钨酸钠溶液中的游离碱，并开始工业应用;还有一些研究人员对其也进行了一系列深入的研究，在探索性实验获得成功以后，对电解体系的电解阳极、电解槽结构、电解槽组合方式进行了深入研究，取得了一定的成果，并在此基础上采用钨酸钠料液进行了工业扩大试验，表明连续运行方式有利于钨酸钠溶液膜电解脱碱过程的稳定运行，60～65℃、1000A/m2的电流密度下，原料溶液中游离碱质量浓度为63.5g/L，去除率可达80%，电流效率可达88%，具有工业实用价值;还有一些研究人员则系统研究了在小型电解槽中进行离子膜电解钨萃取工艺废水时，各种工艺参数对电解效果的影响，并比较了一些国产离子膜的应用效果。冶金工业常需要处理废碱液，利用阳膜电解将废碱回收，通电后工业废碱液中的阴离子(Cl-)，被截留在阳极室中，K+或Na+透过阳膜，在阴极室产生高浓度碱液。

　　4、结束语

　　综上所述，离子膜电解技术已经在某些领域尤其是氯碱等工业中达到了工业化应用，尽管在废水处理应用方面还有很多问题亟待解决，但它独特的性能和实验室的研究成果已显示了它巨大的潜力和前景。随着研究的深入，该技术必将成为一种处理废水的通用技术方法，所以有必要加大人力物力投入，研究有特色的工艺并建立实验厂，使离子膜的应用与研究相互促进。

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