行业分领域综述：离子交换膜和电渗析技术的发展动向

表7．离子交换膜市场细分统计表

随着国内对工业环保和生产节能的重视度提高，离子交换膜和电渗析的市场规模和容量远大于目前的产能，根据前瞻产业研究院统计的数据显示，国内膜产业总产值（膜制品、膜组件、膜附属设备及相关工程的总值）大幅提升，由2009年的227亿元增长至2017年的1800亿元；2019年，膜产业总产值预计将达到2200亿元，其中离子交换膜产值2019年预计220亿元。

图8．中国膜工业产值（2009～2019年）

3.1 普通电渗析技术及应用

电渗析是电化学分离过程，电渗析技术有2个条件：直流电和离子交换膜。传统的电渗析膜件包括阴离子交换膜和阳离子交换膜，分别交替排列在阴极和阳极之间，当向电渗析槽中加入无机盐时（以NaCl为例），如图9所示，在电场作用下，浓室溶液中的离子不断被浓缩而淡室溶液中的离子不断被淡化，从而达到分离目的。电渗析的能耗低，且预处理要求不高，设备简单，处理含盐废水时有独特优势。均相膜浓水TDS可达到180～200g/L，吨盐电耗约200kWh，相对蒸发工艺吨水投资成本较低。因此电渗析技术被广泛应用在化工、冶金、造纸、纺织、炼化等高盐工业废水的处理。

图9．电渗析原理示意图

3.1.1 煤化工高盐废水

煤化工高含盐废水水质具有以下特点：① 盐分高且成分复杂，杂质离子组分多；② COD种类多，且含量比较高；③ 含有一些容易结垢的离子，比如钙镁及可溶性硅；④ 不同项目采用不同的主工艺，废水组分多变，水质不确定性大。首先一般通过物理或化学的预处理方法，实现悬浮物、胶体及一般易结垢离子的去除，再通过反渗透+电渗析膜处理工艺实现淡水的回用，同时达到废水减量的目的，最后浓缩液通过蒸发结晶等工艺最终实现废水的零排放目的，或者采用双极膜电渗析技术把无机盐转化为酸碱，实现废固资源化。

图10．煤化工废水处理工艺流程图

3.1.2 电厂脱硫废水

我国火电行业用水量占工业用水比重超过40%，排水量占废水排放总量的0.4%。火电厂脱硫废水主要来源于湿法脱硫工艺产生的废水，具有高悬浮物、高盐度、高腐蚀性、高硬度及含有重金属，且水质波动大。根据国内外已实施废水“零排放”改造的燃煤电厂的具体情况，脱硫废水、酸碱再生废水以及反渗透浓水等含盐废水的处理是实现全厂废水“零排放”改造的关键。为了降低整个废水“零排放”系统的投资和运行成本，往往需要电渗析对这部分含盐废水进行浓缩，减少末端废水的产生量和蒸发结晶处理系统投资。

图11．脱硫废水处理工艺流程图

3.1.3 炼油及石化行业废水

炼油工业是国民经济的支柱性产业之一。国家统计局显示，2018年我国原油加工量突破6亿吨，同比增长6.8%。炼油行业既是能源生产大户，也是废水排放大户。炼油及石化行业废水属于难处理废水，其水质特点是高COD、高氨氮、高无机盐，部分油脂、酚类、硫化物及部分含汞废水。在石油炼制的物理分离或化学反应过程中，除环烷酸、酚类、苯系物、杂环化合物、石油类等有机污染物外，氯化物、硫酸盐、硝酸盐等无机离子也从各工艺单元转入排水系统，导致炼油废水的含盐量增加。炼油工业高盐度废水的总溶解性固体含量一般为10～50g/L，对炼油废水实施局部零排放处理应着重围绕“预处理－减量化－深度浓缩－分盐结晶”开展技术工作，尽可能实现适度预处理、充分减量化、高效深度浓缩，并保证结晶盐的纯度，最终实现系统的长期稳定和较低成本运行。

3.1.4 造纸行业废水

中国造纸工业2018年度报告显示，全国纸及纸板生产企业约2700家，纸及纸板生产量10435万吨，每吨纸企业排水量通常达到5～20立方米。造整个废水零排工艺系统一般可分为两大部分：预处理部分和膜系统回用部分。预处理部分的目的是去除部分COD、降低硬度、浊度、SS等指标。膜系统回用部分是整个零排工艺系统的核心部分，对废水中的各类有机物、悬浮物等杂质进行分离去除，满足回用水的要求。在处理造纸废水时，应用电渗析膜法，可以回收造纸废水中的碱分，有效提取废水的聚木糖，对造纸废水中的有机物进行脱盐，去除回用物料中的盐分。同时，应用电渗析膜法可以造纸废水中的低聚糖、碱、木素等有效成分提取出来，还可分离出回用有机物的盐分，实现造纸废水的“零排放”。

3.1.5工艺应用案例

由于中国在全球产业链属于基础原材料的供应商，原料化工的生产为电渗析行业带来了很多新的应用场景，孕育出了很多优秀的电渗析工程公司，为电渗析行业的技术发展起到了推动作用，以杭州蓝然环境技术股份有限公司和山东天维膜技术有限公司为例，所涉及的行业和项目时间情况如表8所示。

表8．公司首台套示范工程

3.2 双极膜电渗析技术及应用

双极膜是一种新型的离子交换膜，由阴、阳离子选择层和中间界面层复合而成，其结构和功能图11所示。当双极膜两端施加反向电压时，带电离子从两种离子交换层的过渡区向主体溶液迁移，水分子快速解离生成H+和OH-迁移到主体溶液中，消耗的水分子通过扩散作用由膜外溶液向中间界面层补充。