水是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的基本物質(zhì)，是地球生態(tài)環(huán)境維持平衡的重要因素。然而，水資源短缺已經(jīng)成為人類目前面臨的zui嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一。一方面，淡水資源儲(chǔ)存量不足且時(shí)空分布不均衡，難以滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人口數(shù)量增長(zhǎng)的需求；另一方面，工農(nóng)業(yè)發(fā)展和城市規(guī)模擴(kuò)大帶來(lái)的水體污染日趨嚴(yán)重。水資源匱乏正日益影響的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)平衡，甚至引起了國(guó)家和地區(qū)間的沖突。有關(guān)機(jī)構(gòu)指出“供水不足將成為一個(gè)深刻的社會(huì)危機(jī)，世界上在石油危機(jī)之后的下一個(gè)危機(jī)便是水的危機(jī)”。
地球表面約3/4都被水覆蓋，其中海水占96.5%，但是這部分水含鹽量較高，不能直接用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活?？扇∮玫暮铀?、湖水及淺層地下水等僅占0.2%左右，這其中還包括相當(dāng)大一部分的苦咸水。2014年世界水資源發(fā)展報(bào)告指出，到2050年，淡水資源總需求量將比2000年增長(zhǎng)55%左右，屆時(shí)40%的人口將會(huì)面臨嚴(yán)重的缺水危機(jī)。
我國(guó)人均水資源占有量為2220m3，是世界人均水資源占有量的1/4，是13個(gè)人均水資源zui貧乏的國(guó)家之一，且我國(guó)水資源時(shí)空分布極不均衡，部分地區(qū)水資源污染嚴(yán)重。面對(duì)日益嚴(yán)重的缺水形勢(shì)，政府采取了一系列有效的調(diào)控措施，如興建大型蓄水工程、跨流調(diào)水等等，這些措施只能緩解部分城市和地區(qū)的缺水狀況，難以滿足大多數(shù)城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展及人民生活水平提高的需求。此外，我國(guó)北方和西北地區(qū)的地下水多為苦咸水，沿海地區(qū)地下水超采引起海水倒灌等等，均使得我國(guó)的缺水形勢(shì)日趨嚴(yán)峻。據(jù)有關(guān)部門預(yù)測(cè)，我國(guó)將在2030年左右出現(xiàn)缺水高峰。
因此，通過(guò)合適的方法對(duì)海水進(jìn)行淡化成為從源頭增加淡水資源量的有效手段，也是解決淡水資源短缺、維持淡水持續(xù)供應(yīng)、優(yōu)化淡水資源配置的重要途徑。
海水淡化是通過(guò)物理、化學(xué)或物理化學(xué)方法從海水中獲取淡水的技術(shù)和過(guò)程，其主要途徑有兩條：一是從海水中取出水，包括蒸餾法、反滲透法、冰凍法、水合物法和溶劑萃取法等；二是從海水中取出鹽，包括離子交換法、電滲析法、電容吸附法和壓滲法等。截至目前，實(shí)際規(guī)模應(yīng)用的僅有蒸餾法、反滲透法和電滲析法。
本文主要對(duì)電滲析技術(shù)在海水淡化領(lǐng)域的應(yīng)用及其研究進(jìn)展進(jìn)行介紹，包括電滲析海水淡化的基本原理、電滲析技術(shù)的發(fā)展歷程、電滲析技術(shù)在海水淡化領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)、多種工藝集成過(guò)程的發(fā)展等等。
1、電滲析海水淡化的基本原理
1.1電滲析裝置
在外加直流電場(chǎng)的作用下，利用離子交換膜的選擇透過(guò)性，使溶液中的電解質(zhì)離子定向遷移，自溶液中部分分離出來(lái)的過(guò)程即為電滲析。
電滲析裝置一般由離子交換膜、隔板、電極、直流電源、電泵、水槽等組成。離子交換膜主要分為陽(yáng)離子交換膜(CM，簡(jiǎn)稱陽(yáng)膜)和陰離子交換膜(AM，簡(jiǎn)稱陰膜)兩種，其對(duì)不同荷電性離子具有選擇透過(guò)性：陽(yáng)膜帶有負(fù)電荷，可選擇透過(guò)陽(yáng)離子；陰膜帶有正電荷，可選擇透過(guò)陰離子。隔板構(gòu)成的隔室為液體流經(jīng)的通道，淡水流經(jīng)的隔室為脫鹽室，濃水經(jīng)過(guò)的隔室為濃縮室。把陰、陽(yáng)離子交換膜與濃、淡水隔板交替排列，重復(fù)疊加，再加上一對(duì)端電極，即構(gòu)成一臺(tái)電滲析器。
1.2電滲析海水淡化過(guò)程
在電滲析海水淡化過(guò)程中，通電的情況下，溶液中的陽(yáng)離子通過(guò)陽(yáng)離子交換膜向陰極方向遷移，陰離子通過(guò)陰離子交換膜向陽(yáng)極方向遷移，zui終陰、陽(yáng)離子分別透過(guò)陰、陽(yáng)離子交換膜遷移到相鄰的隔室中，使得淡水隔室中的鹽濃度逐漸降低，濃水隔室中的鹽濃度相應(yīng)逐漸升高，從而實(shí)現(xiàn)了鹽、水的分離，達(dá)到海水淡化的目的。圖1為電滲析海水淡化過(guò)程的基本原理圖。

圖1 電滲析海水淡化原理圖
2、電滲析技術(shù)的發(fā)展歷程
2.1國(guó)外電滲析技術(shù)的發(fā)展歷程
有關(guān)電滲析的研究始于1903年，將兩根電極分別置于透析袋內(nèi)、外部溶液中，發(fā)現(xiàn)能更迅速地除去凝膠中的帶電雜質(zhì)；通過(guò)化工原理設(shè)計(jì)改進(jìn)了Morse的試驗(yàn)裝置，增加了傳質(zhì)速率；1940年，提出了具有實(shí)用意義的多隔室電滲析裝置的概念；1950年，Juda和McRae成功研制了具有高選擇透過(guò)性的陽(yáng)、陰離子交換膜，奠定了電滲析技術(shù)的實(shí)用基礎(chǔ)。
1952年，美國(guó)Ionics公司成功研制了世界上*臺(tái)電滲析裝置，并將其用于苦咸水淡化，隨后該技術(shù)在美國(guó)、英國(guó)得到了推廣應(yīng)用。日本于20世紀(jì)50年代末開(kāi)始研究電滲析技術(shù)用于海水濃縮制鹽，20世紀(jì)60年代旭化成公司成功研制出性能優(yōu)良的單價(jià)離子交換膜，使得日本在電滲析海水濃縮制鹽技術(shù)方面至今仍保持地位。1974年，日本在野島建立了日產(chǎn)飲用水120t的海水淡化裝置，是當(dāng)時(shí)世界上zui大的海水淡化裝置。1972年，美國(guó)Ionics公司推出了頻繁倒極電滲析裝置，提高了裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性。此后，填充床電滲析、雙極膜電滲析、高溫電滲析等相繼出現(xiàn)，使得電滲析技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛。目前美國(guó)和日本在電滲析技術(shù)方面處于世界地位。
2.2我國(guó)電滲析技術(shù)的發(fā)展歷程
1958年，國(guó)內(nèi)開(kāi)始研究電滲析技術(shù)，隨后，以國(guó)產(chǎn)聚乙烯醇異相離子交換膜裝配的小型電滲析設(shè)備投入海上試驗(yàn)。1965年，在成昆鐵路上安裝了*臺(tái)電滲析苦咸水淡化裝置。1969年，聚苯乙烯異相膜投入生產(chǎn)，為我國(guó)電滲析技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。1976年在上海金山石化建成了日產(chǎn)初級(jí)純水6600t的電滲析制水車間。1981年6月在西沙永興島建成了當(dāng)時(shí)世界上zui大的日產(chǎn)淡水200t的電滲析海水淡化站并投入運(yùn)行，該淡化站采用兩組10級(jí)一次連續(xù)流程，將海水含鹽量由35000mg/L脫至500mg/L，總電耗為16.5kW·h/t，比用船運(yùn)水(20.7元/t)節(jié)省費(fèi)用80%，接近日本同期水平，結(jié)束了采用輪船向該島運(yùn)輸?shù)臍v史。
為嚴(yán)格控制飲水標(biāo)準(zhǔn)，1984年又安裝了脫硼裝置，采用564脫硼樹(shù)脂將電滲析出水中的硼由4.7mg/L脫至0.5mg/L以下，低于世界衛(wèi)生組織建議的飲用水含硼指標(biāo)(1mg/L)，水質(zhì)*符合飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，該技術(shù)完善了電滲析海水淡化制取飲用水的流程，標(biāo)志著我國(guó)電滲析海水淡化技術(shù)的進(jìn)步。
電滲析技術(shù)具有對(duì)分離組分選擇性高、對(duì)預(yù)處理要求低、裝置設(shè)備與系統(tǒng)應(yīng)用靈活、操作維修方便、裝置使用壽命長(zhǎng)、原水回收率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)70年代初到80年代上半期，是電滲析技術(shù)在世界范圍內(nèi)的大規(guī)模推廣應(yīng)用階段，廣泛用于海水淡化、海水濃縮制鹽、苦咸水脫鹽與純水制備、化工廢水脫鹽等領(lǐng)域，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
3、電滲析技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)
進(jìn)入80年代中期以后，電滲析技術(shù)的發(fā)展在國(guó)外、國(guó)內(nèi)先后進(jìn)入了萎縮階段，這主要是由于反滲透技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)電滲析技術(shù)提出了重大的挑戰(zhàn)。
1960年，*張高脫鹽率、高通量的不對(duì)稱醋酸纖維素反滲透膜問(wèn)世，標(biāo)志著反滲透膜的研究獲得突破性進(jìn)展；1970年，美國(guó)DuPont公司將反滲透膜用于苦咸水脫鹽；1990年后，隨著反滲透膜性能的提高、價(jià)格的下降、高壓泵和能量回收效率的提高，反滲透法逐漸成為投資zui省、成本zui低的海水淡化技術(shù)。
與反滲透海水淡化技術(shù)相比，電滲析技術(shù)存在出水水質(zhì)較差、能耗較高、不能有效去除水中有機(jī)物和細(xì)菌等缺點(diǎn)，并且電滲析淡化裝置規(guī)模不大，離子交換膜的性能還不夠完善，這些問(wèn)題使得電滲析技術(shù)在海水淡化領(lǐng)域的應(yīng)用一度受到阻礙。
4、電滲析技術(shù)的創(chuàng)新進(jìn)展
然而，電滲析技術(shù)也有反滲透技術(shù)*的優(yōu)勢(shì)。電滲析技術(shù)的驅(qū)動(dòng)力是電勢(shì)差，其工作系統(tǒng)不受壓力的影響，并且可以直接利用電能，無(wú)需能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程；離子交換膜具有較強(qiáng)的抗污染能力，對(duì)原水的水質(zhì)要求相對(duì)較低；電滲析裝置設(shè)備與系統(tǒng)應(yīng)用靈活、操作維修方便，使用壽命長(zhǎng)。隨著對(duì)傳統(tǒng)電滲析裝置和工藝流程的不斷革新和改進(jìn)，電滲析海水淡化技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，其制水能耗不斷降低，重新受到了人們的青睞。
4.1新型功能化離子交換膜的研制：
鑒于異相離子交換膜的電阻高、選擇性低、性能不穩(wěn)定、壽命相對(duì)較短等缺點(diǎn)，研制經(jīng)濟(jì)型且具有高穩(wěn)定性、高選擇性、低電阻的均相離子交換膜是電滲析發(fā)展的必然趨勢(shì)。美國(guó)杜邦、Dow、GE，德國(guó)西門子、PCA，意大利Solvay，日本旭硝子、旭化成，山東天維等都相繼開(kāi)發(fā)出了均相離子交換膜。

表1 商品化均相離子交換膜
除了傳統(tǒng)的利用單體聚合或者聚合物溶解澆鑄法制備均相離子交換膜外，提出了一種在線聚合法制備均相膜的路線，將聚合物在單體中溶解刮膜，然后按照單體的條件聚合成膜后再進(jìn)行磺化或季胺化，即可制備均相陽(yáng)離子/陰離子交換膜，這種方法既可以避免傳統(tǒng)制膜方法中溶劑對(duì)環(huán)境造成污染，同時(shí)能賦予均相膜較好的性能。提出一種簡(jiǎn)單而通用的側(cè)鏈型離子化芳香聚合物的合成方法，即“離子單體聚酰基化”均相膜制備路線，并通過(guò)ATRP法來(lái)設(shè)計(jì)離子交換膜的主鏈憎水、側(cè)鏈親水的接枝結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)接枝密度和長(zhǎng)度，來(lái)調(diào)控膜性能，以滿足不同的應(yīng)用過(guò)程對(duì)膜性能的需求，該路線制備工藝簡(jiǎn)單，避免了傳統(tǒng)制膜方法中季胺化和磺化對(duì)環(huán)境的污染。
4.2新型電滲析裝置的研發(fā)
Millpore公司研發(fā)了填充床電滲析(EDI)裝置，在淡水隔室內(nèi)填充混合陰、陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，在電場(chǎng)作用下被離子交換樹(shù)脂吸附的離子不斷遷移到濃水隔室中，使得原料液中的離子幾乎可*被除去，同時(shí)還可以利用電滲析過(guò)程中的極化現(xiàn)象對(duì)離子交換填充床進(jìn)行電化學(xué)再生。該裝置兼具電滲析技術(shù)的連續(xù)脫鹽和離子交換法的深度脫鹽優(yōu)點(diǎn)，提高了離子的傳遞效率，降低了液層電阻。該裝置目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高純水制備及放射性廢水的處理等方面。此外，用該裝置處理海水及高濃度廢水，結(jié)果顯示其能耗可與反滲透能耗相比。
4.3工藝流程的持續(xù)開(kāi)發(fā)與優(yōu)化
對(duì)海水淡化而言，隨著均相離子交換膜和電滲析裝置的進(jìn)步，電滲析工藝流程也在不斷發(fā)展。此外，將電滲析與其他膜過(guò)程相結(jié)合，可以發(fā)揮各組技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在海水淡化過(guò)程中，充分利用海水資源，同時(shí)降低生產(chǎn)成本。
(1)中小型電滲析海水淡化裝置
雖然反滲透已經(jīng)成為目前zui主流的海水淡化技術(shù)，但在海島、艦船等適宜采用的中小型海水淡化裝置領(lǐng)域反滲透卻暴露了許多不足：①中小型反滲透海水淡化裝備一般不裝配能量回收裝置(價(jià)格昂貴、單機(jī)負(fù)載流量大)，導(dǎo)致其制水能耗大幅度上升(＞12kWh/t)；②反滲透系統(tǒng)的操作壓力高達(dá)5~8MPa，且海水具有強(qiáng)腐蝕性，泵、閥、管道等部件必須選用耐高壓耐腐蝕的雙相鋼材料，導(dǎo)致小型反滲透海水淡化裝置設(shè)備造價(jià)昂貴、重量過(guò)大。同時(shí)，雙相鋼材料需要專業(yè)氬弧焊焊接，焊接處易被腐蝕，造成設(shè)備癱瘓；③反滲透組件較精細(xì)，極易受到機(jī)械損傷、污染和堵塞，因而其對(duì)預(yù)處理的要求*；④反滲透膜壽命短、保存困難，不適合長(zhǎng)時(shí)間間歇運(yùn)行，且拆裝更換復(fù)雜，需要專業(yè)人員操作和較大的作業(yè)空間；⑤設(shè)備噪音較大(＞90分貝)。
雖然大型電滲析海水淡化裝置運(yùn)行能耗(5～8kWh/t)與大型反滲透海水淡化裝置運(yùn)行能耗(3~5kWh/t)相比較高，無(wú)法在大型海水淡化市場(chǎng)得到推廣，但其在中小型海水淡化裝備中的*優(yōu)勢(shì)開(kāi)始得到各國(guó)的重視，美國(guó)、日本、英國(guó)等在大型軍艦及航空母艦上均有使用。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①電滲析海水淡化裝備制水能耗只需要5～8kWh/t，運(yùn)行成本優(yōu)于無(wú)能量回收裝置的中小型反滲透海水淡化裝備；②電滲析海水淡化設(shè)備的操作壓力極低(0.1~0.3MPa)，無(wú)需采用昂貴的高壓泵，所有管道及閥門均可采用普通工程塑料制品，具有裝置輕便、搬運(yùn)方便、耐腐蝕、易于拆裝維護(hù)等優(yōu)勢(shì)；③離子交換膜的耐污染性強(qiáng)，預(yù)處理工藝簡(jiǎn)單；④裝備采用模塊化設(shè)計(jì)，拆卸、清洗、檢修、保存簡(jiǎn)便，易于間歇運(yùn)行、長(zhǎng)期保存和非專業(yè)人員維護(hù)；⑤工作噪音極小(＜60分貝)，幾乎沒(méi)有震動(dòng)，工作環(huán)境良好。
可見(jiàn)，中小型電滲析海水淡化裝備具有明顯的優(yōu)勢(shì)，除了以上指出的低能耗、重量輕、耐腐蝕、易維護(hù)外，在海島、軍用艦艇和漁船等特殊場(chǎng)合使用時(shí)，也表現(xiàn)出了其它方面的性能優(yōu)勢(shì)，如表2所示。

表2 不同場(chǎng)合下中小型反滲透和電滲析海水淡化裝置優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比
(2)電滲析-反滲透集成海水淡化工藝
將電滲析與反滲透集成，采用電滲析作為預(yù)脫鹽工段，將預(yù)處理過(guò)的海水含鹽量降至3000~5000mg/L，再采用普通苦咸水反滲透膜進(jìn)行深度脫鹽制取飲用水。該集成工藝的優(yōu)勢(shì)在于海水經(jīng)過(guò)電滲析工段預(yù)脫鹽之后，對(duì)金屬管道的腐蝕性大幅度降低，同時(shí)反滲透工段的操作壓力從5~6MPa降至1.2~2.0MPa，可采用普通高壓泵。該工藝可打破國(guó)外長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)我國(guó)反滲透裝置(反滲透膜、耐腐蝕耐高壓雙相鋼管道、能量回收裝置、高揚(yáng)程海水淡化泵等)的市場(chǎng)壟斷。基于該工藝，在秦山島建立了100噸/天的海水淡化示范項(xiàng)目，噸淡水能耗小于8kWh，裝置國(guó)產(chǎn)化率可達(dá)到100%。該集成工藝主要用于沿海城市、海島等適于采用大中型海水淡化裝備的領(lǐng)域，在能耗、設(shè)備抗腐蝕性、可靠性等方面均優(yōu)于單純的電滲析或反滲透海水淡化裝備。

圖2電滲析-反滲透集成海水淡化工藝
(3)反滲透-納濾-電滲析-電解組合工藝
反滲透海水淡化的水回收率約50%~60%，其濃水的含鹽量約為海水的2~2.5倍。為了實(shí)現(xiàn)海水資源的綜合利用，同時(shí)避免濃海水排放對(duì)海洋環(huán)境的影響，采用對(duì)二價(jià)離子具有較高截留率的納濾膜來(lái)實(shí)現(xiàn)單價(jià)離子和二價(jià)離子的分離，然后采用普通均相離子交換膜對(duì)納濾產(chǎn)水進(jìn)一步濃縮，可制得氯化鈉含量達(dá)160g/L的濃鹽水，經(jīng)多效蒸發(fā)制得氯化鈉晶體?；蛘邔⑦@部分濃鹽水精制后配置成濃度25%的鹽水，進(jìn)入離子膜電解槽，制備氫氧化鈉和。該組合工藝同時(shí)實(shí)現(xiàn)了海水的淡化和濃縮制鹽，通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算出采用反滲透濃水經(jīng)電滲析制鹽工藝的能耗約為直接采用海水制鹽能耗的80%。采用納濾工段脫除反滲透濃水中的二價(jià)離子，可以避免電滲析工段中離子交換膜的結(jié)垢問(wèn)題，同時(shí)可以避免采用價(jià)格昂貴的單價(jià)離子交換膜，相關(guān)工藝流程見(jiàn)圖3所示。

圖3 反滲透-納濾-電滲析-電解組合工藝
(4)電滲析-反滲透制取高礦化度飲用水
進(jìn)水取用200m以下、富含礦物質(zhì)和稀有元素的深海海水，離子交換膜采用海水濃縮制鹽用的單價(jià)陽(yáng)離子交換膜和普通陰離子交換膜，則電滲析過(guò)程中所有陰離子和單價(jià)陽(yáng)離子均可分別透過(guò)陰膜和陽(yáng)膜進(jìn)入濃縮室，淡水室中含有與原海水相近的多價(jià)陽(yáng)離子。將這種淡化水與反滲透淡化水按一定比例混合，簡(jiǎn)化了反滲透淡化水的后處理流程。目前，這種水已成功進(jìn)入飲料市場(chǎng)和食品工業(yè)。
5、展望
海水淡化的發(fā)展是一個(gè)不斷創(chuàng)新的過(guò)程，盡管目前海水淡化的主要方法仍是反滲透法和熱法兩種，但隨著均相離子交換膜的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，電滲析技術(shù)有望重回海水淡化市場(chǎng)。隨著均相離子交換膜逐漸代替異相離子交換膜，膜組件構(gòu)型也亟需進(jìn)行創(chuàng)新。以格網(wǎng)為例，由于均相膜的厚度比異相膜要小很多，這就要求電滲析器具有更好的密封性能，而目前國(guó)內(nèi)用的電滲析格網(wǎng)主要以針對(duì)異相膜的聚烯烴材料為主，并不適用于均相膜。此外，目前國(guó)內(nèi)用的電滲析器普遍還是兩隔室結(jié)構(gòu)，主要用于初級(jí)水處理，故還需解決電滲析器由兩隔室向多隔室的轉(zhuǎn)變。因此，實(shí)現(xiàn)離子交換膜與電滲析海水淡化整體配套設(shè)施的改進(jìn)是加快電滲析海水淡化技術(shù)發(fā)展亟需解決的問(wèn)題。