11.4　离子交换膜装置及工艺设计

11.4.1　扩散渗析器

11.4.1.1　概述

渗析是借助于膜的扩散使各种溶质得以分离的膜过程，也称为扩散渗析或自然渗析，由于该过程的推动力是浓度梯度，因而又称为浓差渗析［151-156］。

与其他分离方法比较，渗析法的主要优点有：

①能耗低，通常无需额外施加压力；

②安装和操作成本低；

③稳定、可靠、容易操作；

④对环境无污染。

尤其在环保和节能方面的优势，是其他分离方法难以比拟的。

关于渗析的详细阐述见第10章，本章中的扩散渗析仅限于采用荷电膜将酸或碱从溶液中分离出的过程。11.4.1.2节和11.4.1.3节中的有关参数在第10章中也曾提及，考虑到本部分内容的完整性以及扩散渗析器设计的需要，这里再次列出。

11.4.1.2　扩散渗析膜

扩散渗析膜是一种在膜上具有固定电荷的分离膜［152，155，156］。例如在阴离子交换膜上就带有正的固定电荷，因其排斥阳离子，所以就显示有阴离子的选择透过性。这种选择透过性主要是溶解度系数Si的贡献，也就是说对阴离子交换膜而言，阴离子向膜中的分配远远高于阳离子的分配。应当指出的是在阳离子中，H+的分配却相当高，尤其当采用以仲胺和叔胺为固定解离基的阴离子交换膜时，这种趋势就更为强烈。所以，当以阴离子交换膜作为扩散渗析的隔膜时，盐几乎全部被截留，而酸却能畅通无阻，借此就可以把酸和盐分开。

总渗析系数U定义为：

　　（11-68）

式中，J为离子通量；Δc为膜两侧离子浓度差。

针对各种酸/金属盐混合溶液所测的总渗析系数U的结果如表11-15所示。由表可见，U（盐）/U（酸）已达10-2～10-3的量级，如此，酸和盐被有效分开。通常酸的透过性为HCl>HNO3>H2SO4>HF。一般金属离子的价数越高，其金属盐的透过性越低。不过，对盐酸与金属盐的情况而言，由于金属离子往往同氯化物离子形成络合物，分离性反而变差。

11.4.1.3　扩散渗析效率有关参数

①扩散回收率Rd（%） 指某一溶质通过渗析的回收率。

　　（11-69）

式中　cdi——渗析液中组分i的浓度，g/L；

Qdi——渗析液出口流速，L/h；

cfi——进料液中组分i的浓度，g/L；

Qfi——进料液进口流速，L/h。

②扩散透过通量Fd　指单位时间单位有效面积某一溶质的透过量，g/（m2·h）。

　　（11-70）

式中，T为操作时间，h；Am为有效膜面积，m2。

③渗漏率Ip（%） 指溶质中某一杂质的扩散回收率。计算方法同扩散回收率，只是分子中的cdi换成杂质的浓度cdi，分母中的cfi换成杂质的浓度cfi即可。

④分离系数S　若进料液中i和j两种溶质浓度为cfi和cfj，渗析液中的浓度分别为cdi和cfj，则其分离系数为：

　　（11-71）

分离系数表明分离效果，若S=1，则只有扩散，没有分离。S越大，表明分离效果越好。

⑤水的渗透率Pw　指在渗透压作用下，渗析液中的水渗透到进料液中的速度，单位m3/s。

　　（11-72）

式中，Cp为渗透系数，m/（Pa·s）；Δπ为渗透压力差，Pa。

另外，水还作为水合水随溶质迁移，这一部分水的迁移方向与水的渗透方向相反，可根据溶质水合数进行计算。

⑥渗析负荷Lp　指单位时间单位有效膜面积所处理的进料的量，g/（m2·h）。

　　（11-73）

扩散渗析可从酸/盐混合溶液中分离出酸，或从碱/盐混合溶液中分离出碱，扩散渗析过程的驱动力是浓差梯度。相比于借助外力驱动的膜分离过程，比如电势差驱动的电渗析过程，扩散渗析是一种较为缓慢的分离过程，单位膜面积的处理量较低，因此通常需要较大的膜面积。然而，扩散渗析过程的运行能耗非常低，主要是泵送液体的极少量电耗。扩散渗析过程的经济性主要取决于前期投资以及膜的性能，扩散渗析器的设计对于扩散渗析过程有重要影响。

11.4.1.4　板框式扩散渗析器

目前工业应用的扩散渗析器均为板框式组件（plate-and-framemodule），如图11-47所示。扩散渗析膜和隔板交替排布，形成了由扩散渗析膜间隔的渗析室（dialysate）和扩散室（diffusate），渗析室通入待处理酸/盐或碱/盐料液，扩散室通入纯水接收液。在膜两侧的浓度差驱动下，渗析室中的酸或碱扩散进入扩散室，从而实现酸或碱的分离回收；料液出口酸或碱浓度降低成为残液，接收液出口成为回收液。酸分离回收采用阴离子交换膜，碱分离回收则采用阳离子交换膜。扩散渗析器内膜的装配数量与设备的处理量直接相关，典型扩散渗析器装配200～500张膜，单体设备装配扩散渗析膜可超过500m2。

通常扩散渗析器内的两种液流采用逆流操作（counter-current），液体的线流速很低，一般不超过1mm。板框式扩散渗析器在放置上可以是立式（图11-48），也可以是卧式（图11-49）。立式放置的扩散渗析器中，渗析室内的料液流向为由下而上，而扩散室内的接收液流向为由上而下。

11.4.1.5　螺旋卷式扩散渗析器

中国科学技术大学开发了螺旋卷式扩散渗析器（spiral-wounded module）［157］，其外围相似于卷式压力驱动膜组件，其内部扩散渗析膜与隔网卷绕，如图11-50和图11-51所示，膜的一侧为渗析液流道并与一对渗析液进出接管相连通，另一侧为扩散液流道并与一对扩散液进出接管相连通。卷绕以拼合起来的一对中心管为轴心，两个中心管半管分别作为渗析液出口和扩散液进口，在卷绕形成的圆筒体外围形成对称分布的两侧流管，分别作为渗析液进口和扩散液出口。由此，渗析液螺旋式地由外向内流动，而扩散液则螺旋式地由内向外流动。

图11-52为螺旋卷式扩散渗析器实物图。目前，单个螺旋卷式扩散渗析器的装配膜面积为十几平方米到几十平方米，适用于处理体量较小的体系。

11.4.2　扩散渗析工艺设计

典型的扩散渗析工艺如图11-53所示，料液和接收液逆流通入扩散渗析设备，通过扩散渗析膜实现酸或碱从混合溶液中分离。针对具体的处理对象，扩散渗析系统一般还包含预处理单元，系统中还可能需要配备水泵、流量计、浓度测试装置等。扩散渗析是较为复杂的过程，以扩散渗析酸分离工艺为例，料液中除了含有酸外，还含有盐，有的应用场合还含有多种酸（混合酸）。酸从渗析室扩散进入扩散室的过程伴随结合水的迁移，另外由于渗析室高渗透压导致水从扩散室进入渗析室；当渗析室中酸和盐浓度较高时，水的迁移对扩散渗析过程有重要影响。

扩散渗析工艺设计需要解决料液处理量与膜使用面积（或设备数量）、料液中酸或碱的回收率的关系。回收率是指酸或碱的回收量与料液中总量的比值。对于给定的扩散渗析设备，即给定的膜使用面积，回收率与料液处理量呈反向相关，即回收率越高，处理量越低。一个简化的模型关联了这些参数［158］。以扩散渗析酸分离工艺为例，假定料液室与接收液室有同样的厚度和同样的流量，忽略渗透压差导致的水迁移，接收液为纯水，则根据物料平衡可得到：

　　（11-74）

式中，cf、cd和Cp分别为料液、残液和回收液中的酸浓度。

料液中酸的减少量与接收液中酸的增加量一致，可得到：

　　（11-75）

式中，k是酸渗析系数，即在单位时间单位浓度梯度通过单位膜面积的酸的物质的量；Am是扩散渗析设备内装配的有效膜面积；Δc是膜两侧溶液的酸浓度差；Qm是回收液（或料液）的流量。

在逆流操作下，Δc可取扩散渗析设备进出口的算术平均值，即

　　（11-76）

结合式（11-74）、式（11-75）和式（11-76），可得到

　　（11-77）

即

　　（11-78）

式（11-78）关联了酸回收率、料液处理量（Qm）、需要的膜面积（Am）以及酸渗析系数（k）。很多工业应用要求酸回收率不低于90%，已知酸渗析系数和单台设备的膜面积，由此可估算单台设备的处理量

　　（11-79）

扩散渗析过程除了酸的迁移，盐同样会从料液室迁移进入接收室，对应的盐泄漏系数表征了单位时间单位浓度梯度通过单位膜面积的盐的物质的量。酸渗析系数以及盐泄漏系数均相关于溶液的温度和浓度。一般而言，随着温度升高和溶液浓度升高，酸渗析系数和盐泄漏系数均升高；两者的比值，即酸/盐分离因子，随着浓度增加而呈下降趋势。很多工业应用要求盐泄漏量不超过10%。

扩散渗析工艺设计和扩散渗析过程建模是相当复杂的，因为料液包含了多种组分且浓度较高，采用浓度数值代替活度数值导致了计算偏差，并且基于膜两侧的浓度差导致水的迁移不可忽略。当料液中含有多种酸时，扩散渗析过程变得更为复杂。本节的简化模型只能作为扩散渗析过程设计的初步估算。

11.4.3　电渗析器

11.4.3.1　压滤型电渗析器结构

图11-54显示了压滤型电渗析器的结构。这是我国自己设计、生产的最常用的结构形式。本节关于电渗析器结构与参数的讨论都指这种形式的电渗析器。

11.4.3.2　电渗析器水力学设计

（1）隔室水力学特性

隔室的水力学特性取决于隔室的网格（湍流促进器）形式及应用流速。采用不同网格的水力学试验表明，隔室的液体流动具有围绕浸没物体或通过填充塔的流动特点，而不像液流通过长管子那样，当Re在2000时发生滞流到湍流过渡的流动变化。实际上，在电渗析隔室中，一般Re在10～40之间便逐渐偏离滞流状态［159］。

隔室网格的水力学特性用填充塔式模型来描述，包括滞流和湍流两部分［160］。

对于滞流部分，隔室的比压降可用类似于半径为R的圆管中流动的表达式。

　　（11-80）

液流流经的隔板网具有相当复杂的截面。若隔板网的水力半径为Rn，则上式可写成

　　（11-81）

式中，hL为沿程水力学压降；<L>为隔室中实际流程长度；<V>为隔室中的实际流速；ν为运动黏度；g为重力加速度。

定义水力半径Rn为隔室空隙率ε和润湿表面积Ω之比，即。

对于湍流部分，用闭合流道流动的修正式表示，

　　（11-82）

式中，λ0为摩擦系数。

对于隔室中的高度湍流，摩擦系数只是相对黏度的函数，将上两式相加，

　　（11-83）

即

　　（11-84）

对于常用的各种隔板网，液流在隔室中的实际流动方向与总的流动方向有一夹角θ，所以实际流速<V>及实际流程长度<L>较表观流速V及流程长度L要大：

并代入式（11-84），得：

　　（11-85）

式（11-85）为隔网水力学性能的关系式，用于电渗析器隔室的压降计算。

（2）膜堆配水均匀性

一个膜堆可由数十个至数百个膜对组成。将液流均匀分布到各个并联隔室中去是电渗析器设计的关键。液流分布少的隔室将有大的传质阻力，并容易发生浓差极化，影响整个膜堆的应用性能。

液流通入电渗析器的途径是：总进水管→布水内管（隔板和膜的进水孔叠加而成）→隔板布水槽→隔室（网格部分）→隔板集水槽→集水内管（隔板和膜的出水孔叠加而成）→总出水管。

①布水内管、集水内管的静压分布　布水内管、集水内管与隔室布水槽、集水槽直接连接，通过布水槽液流分配到各个隔室中去。显然，布水内管和集水内管中液流属变质量流动。若膜堆每个隔室的形体阻力相同，则布水内管、集水内管的压力分布对膜堆配水均匀性将有重要影响。

液流在布水内管、集水内管中的流动如化工设备中密布的多孔管径向分流器如图11-55和图11-56所示。

对于分流流动来说，若水流以速度va进入等截面积A的布水内管，然后逐步分流，流速随分流支管数的增加逐渐下降。各支管的几何尺寸相同，支管孔间距相等。假定进入支管入口处的水流的流动方向垂直于主管轴线，并在x方向减速至零。据此，可以列出动量微分方程［159］

　　（11-86）

式中，p为静压强；ρ为液体密度；D为分流主流道直径；v为水流沿程（主流道）流速；τ0为管壁单位面积上的内摩擦力。

令，并代入上式，经整理得：

　　（11-87）

由于流入各支管入口处的水流的流动方向变化并非90°角，x方向上的速度也不是完全减至零，因此，上式应做修正。

　　（11-88）

式中，kd为动量回升系数，它用于校正流入支管入口处之水流速度的轴向分量对动量变化的影响，以及水流管壁边界层和管壁局部摩擦的影响；λ为摩擦系数。

假设水流在主流道内的速度是沿程呈线性变化的，即

　　（11-89）

式中，va为流道进口速度。把式（11-89）代入式（11-88），经整理得

　　（11-90）

假定λ和kd为常数，对上式积分，经整理得布水内管的静压分布公式：

　　（11-91）

或

　　（11-92）

式中，Δpd为静压差；hd为压头损失；x为布水内管任意截面处的管长。

若x=L，由式（11-92）可得主流道全程的压头损失：

　　（11-93）

从上式可看出变质量流与均质量流之间的差异。变质量流的压头损失除摩擦阻力损失项外，还含动量交换项，而且摩擦阻力项只是均质量流的1/3。由于摩擦阻力项和动量交换项的符号相反，摩擦阻力项使主流道静压沿程下降，动量交换项使静压沿程回升。因此，当时，动量交换项的作用可忽略，主流道全程的压头损失将由摩擦阻力项决定，属摩擦阻力控制型；当时，摩擦阻力项的作用可忽略，主流道全程的压头损失将由动量交换项决定，属动量交换控制型；还有一种情况是动量交换项和摩擦阻力项都起作用的混合型。膜堆布水内管中的分流流动属于摩擦阻力项占优势的混合型流动。静压沿布水内管的水流方向下降。

对于集水内管的汇合流动，同理可导出主流道的静压分布式：

　　（11-94）

或

　　（11-95）

上两式中，kg为动量耗散系数。

若x=L，则式（11-95）变为：

　　（11-96）

式（11-94）和式（11-95）表明，集流流道与分流流道不同，摩擦阻力项和动量交换项符号都为正，它们总是叠加的。因此不管是摩擦阻力项占优势，还是动量交换项占优势，静压总是沿集水内管的水流方向下降。

由于在布水内管和集水内管的静压都是沿水流方向下降，且集水内管静压下降坡度更大，则膜堆内每个隔室两端的静压都不一样，压差也不相同，所以流经每个隔室的流量不可能做到分配相等，只能通过控制流经膜堆各部分的压降分布来达到所希望的均匀分配程度。

②配水偏差　一台实用电渗析器并联隔室的配水偏差要求在±5%之内，定义配水偏差φ为

　　（11-97）

式中，qav为膜堆隔室平均流量；qi为膜堆任一隔室流量。

通过隔室流量与压力关系的变换，式（11-97）可写成

　　（11-98）

式中，hav为某一隔室两端的压头损失；hi为膜堆平均压头损失。

根据式（11-98）只要测定膜堆的压头损失和任一隔室的压头损失，就可计算出膜堆的配水偏差。

（3）提高配水均匀性的措施

膜堆液流通道各个部分的压降分布对配水均匀性都有影响。调整压降分布是提高配水均匀性的关键。这与膜堆内各部分液流通道的几何形体设计有关，也与隔室流速（膜堆流量）与布水内管、集水内管的液流流动方向有关。

①阻力比与配水的均匀度　定义阻力比为

　　（11-99）

式中，hav为膜堆平均压头损失；hd为布水内管的全程压头损失；hg为集水内管的全程压头损失。

hd、hg和hav（hav=hL）可用式（11-93）、式（11-96）与式（11-85）计算，但通常仍以实测数据为主。

阻力比越大，配水均匀性越好。阻力比达到6以上，配水均匀度提高缓慢。电渗析器设计时，只要σ≥7.5［161］，便可达到要求的配水均匀性。可见，减小布水内管、集水内管的压降，提高隔室部分的压降是提高配水均匀度的关键。组装时应尽量减小内管的摩擦系数。隔室流速越高，阻力比越大，配水均匀性越高。

②配水形式　膜堆配水有O型、Z型和π型三种形式。液流由膜堆布水内管两端流入并从集水内管两端流出的配水形式为O型配水；布水内管与集水内管流动方向相同的为Z型配水，流动方向相反的为π型配水。通过以上讨论可知，在相等流量下，不同配水形式对阻力比的影响不同，显然，配水形式的优劣次序是：O型>Z型>π型。

③控制膜对数　膜对数越多，内流道越长，则沿程摩擦阻力损失越大，分、集流静压分布曲线的相似性也越差。因此，一个膜堆的对数不宜多。采用小膜堆配水是提高配水均匀度的有效途径。

④隔板厚度均一　尽量保证膜堆所有并联隔室在相同压降下流量相等。在上百对并联的隔室中，厚度越小的隔室，水流阻力越大，过水量越少。因此，对隔板加工精度要求很高。加工好的隔板还必须进行挑选，尽量做到每台电渗析器所有隔板厚度均一，同一张隔板框和网的各个部位厚度均一。布水槽和网结构上的差异是引起隔室平面水流分布不均的重要原因，因此，各布水槽结构应统一，网眼尺寸应均匀一致。

⑤良好的运行状态　一台良好设计的电渗析器在运行中发生局部极化现象是经常的，这是脏物堵塞布水槽或极化结垢增加了隔室的液流阻力所致。应通过完善预处理措施与合理采用操作参数来预防极化现象。

11.4.3.3　电渗析电极

（1）电极反应

电渗析电极分阳极和阴极两种。阳极和阴极分别与直流电源的正极和负极相连接，形成直流电场。通电过程中，在阳极表面发生氧化反应，在阴极表面发生还原反应，以完成由外电路的电子导电转变为膜堆内部的离子导电过程。

电渗析装置应采用不溶性电极材料。不溶性电极的电极反应主要是电解质溶液中被电解的物质参加的反应，而电极本身不参加反应或反应速率极小。铂、钛涂铂、二氧化钌以及石墨等都属于不溶性电极材料。

①阳极反应　在稀释的酸性氯化物溶液中，以不溶性电极作为阳极，E􀱉为标准电极电位。其主要电极反应为：

也就是说，在电解氯化物溶液时，阳极的主要反应产物为氯气和氧气。释出的氯气和氧气的相对数量为多少很难预测。从热力学的观点看，氧气首先释出，实际上则正好相反，而是氯气首先从电极释出。因为电极反应主要受动力学控制，而不能仅考虑电极电位。一般来讲，电极的电流密度越低，Cl-的浓度越高，其释氯电流效率就越高，而释氧的电流效率就越低。相反，电流密度越高，Cl-的浓度越低，其释氯的电流效率就越低，释氧的电流效率就越高。

在电解酸性的硫酸盐、碳酸氢盐等无氯离子的电解质溶液时，硫酸根或碳酸氢根不可能在阳极上放电，其主要的阳极反应为水的解离放电，即：

而在碱性的上述溶液中，电极反应历程和电极电位都与在酸性或中性溶液中不同。

实际上电极反应是很复杂的，除了主要电极反应以外，还有许多副反应。例如不溶性电极电解稀释的中性氯化物溶液时，阳极上至少有下列反应［162］：

a. 2Cl--2e- Cl2↑（阳极）

b. Cl2+H2O HOCl+Cl-+H+

c. HOCl H++OCl-

d.

e. OCl-+2HOCl Cl+2Cl-+2H+

f. Cl+H2O-2e- Cl+2H+（阳极）

g.

可溶性电极的电极材料本身参加反应，电解质溶液也可能参加反应，二者反应的相对数量要视具体条件而定。不锈钢在电解氯化物溶液中作为阳极，就属于可溶性电极，其阳极反应主要是靠不锈钢中的元素的溶解来进行的。

式中，M代表Fe、Ni、Cr等元素。

如果稀释的氯化钠溶液中还含有硫酸盐、碳酸氢盐或其他种类的盐，则除了不锈钢本身溶解之外，溶液中的Cl-或H2O也可能失去电子，不锈钢电极板上就可能释出氯气和氧气，可能有如下的电极反应：

当然，如果溶液中Cl-浓度很低，比如小于100mg/L，而硫酸盐或碳酸氢盐浓度较高，或还有硝酸盐，则不锈钢也可能不被溶解，电极反应主要是释出氧气或氯气。

在电渗析装置中，所使用的铅电极也是如此。铅在氯化物溶液中作为阳极使用，铅为可溶性电极，其阳极反应主要是铅的溶解：

如果电渗析处理硫酸盐，以铅作为阳极，则铅电极基本上不溶解或溶解很少，这时的阳极反应主要是释氧，电极表面形成一层二氧化铅薄膜，阻止了铅本身的溶解。有趣的是，不锈钢或铅电极在含有硫酸盐、碳酸氢盐等的稀释氯化物溶液中作阳极，随着电极上电流密度的增加，不锈钢或铅电极的溶解度反而减小，这是由于高电流密度下形成金属氧化物钝化层所致。

阳极反应的结果是使电极液pH下降，阳极反应产生的初生态的氯和氧对靠近电极的离子交换膜有很强的氧化腐蚀性，所以通常用含氟材料制作阳极膜。

②阴极反应　对不溶性电极的阴极反应来说，不论电解氯化物、硫酸盐，还是电解碳酸氢盐等电解质溶液，其阴极上的反应主要是释氢。

在碱性溶液中：

在酸性溶液中：

如果电解质溶液中含有重金属离子，例如Cu2+、Fe2+、Pb2+等，也就是说，如果电解质溶液为硫酸铜、硫酸亚铁、氯化锌、氯化铅等时，其阴极上就会有重金属沉积上去。

阴极反应的结果是使电极液pH上升。如果阴极附近溶液中聚集的OH-和迁移到阴极附近的Ca2+、Mg2+的浓度大于溶度积，便产生Ca（OH）2和Mg（OH）2的沉淀。如果电极液含有HC和S，也可能产生CaCO3、MgCO3和CaSO4的沉淀，这些沉积物覆盖阴极，甚至会填塞极水通道，严重时还会因局部电阻过大影响膜堆，造成运行障碍。通常用极水酸化、极室酸洗与在运行中定期调换电极极性的方法来解决。

（2）电极材料

电极材料应具有良好的导电性能和电化学稳定性，又要有一定的机械强度。目前国内主要应用二氧化钌、石墨和不锈钢作电极材料，过去也用铅板电极。国外主要应用钛镀铂电极、石墨电极和不锈钢电极，而钛镀铂电极比我国常用的二氧化钌电极价格昂贵。

①二氧化钌电极　二氧化钌电极也称钛涂钌电极，是我国使用最多的电渗析电极。钛虽然是一种耐腐蚀性能很好的金属，但它不能直接作为阳极使用。因为钛作为阳极材料时，由于氧化反应，其表面会形成一层高电阻氧化膜，致使电流很小，电位很高。为了使钛能作阳极使用，在20世纪60年代发明了一种在钛基体上涂一层所谓陶瓷-电催化-半导体（简称CESC）涂层的方法。这种方法制得的电极耐腐蚀、性能稳定［163-166］。

该电极是用热分解法制备的［167］。钛基可用钛丝或钛板，钛材型号优先选用TA1和TA2，也可选用TA。先将钛基去油脂，用10%草酸腐蚀3h或用其他方法处理，使钛材形成粗糙的表面。再把三氯化钌（RuCl3）、氯铱酸（H2IrCl6）以及钛酸丁酯［Ti（OBu）4］按一定比例用36%的盐酸和异丙醇配制成涂液，按一定顺序涂敷在处理好的钛基体表面上。每涂一次，用红外灯烤干，然后放到450℃的炉子里烘焙15min，取出冷却后，再涂下一次。这样反复涂、烤、烘焙15～20次，最后一次在450℃炉子里烘焙1h，以使涂层完全转化成二氧化钌、二氧化铱以及二氧化钛的固熔体。

由于钌、铱、铁的离子半径非常接近（分别为0.65×10-10m、0.66×10-10m、0.68×10-10m），其点阵结构和空间群属于同一类型，因此，在热处理的共氧化过程中能够形成RuO2-IrO2-TiO2的固熔体，具有牢固的稳定性。

CESC涂层是以二氧化钛为主的。二氧化钛是陶瓷的主要原料，涂层经高温烘焙后可以像陶瓷一样牢固地黏附在钛基体上。但二氧化钛的导电性能特别差，所以涂层中需要有二氧化钌和二氧化铱。由同晶型的二氧化钌和二氧化钛生成扭变的N型混合晶体，其中存在一些氧原子的缺位，因此具有金属导电的性质，可以将阳极表面的电子导入金属钛上。二氧化钌为释氯催化剂，它对于氯气的释出具有催化活性，因此它对于氯的过电位较低。但是二氧化钌对于氧的释出会导致活性层（CESC涂层）钝化，以致电极电位上升，甚至电极不导电。因此，为了延长电极的使用寿命，涂层中又增加了二氧化铱的成分。实践证明，电渗析用的二氧化钌电极，涂层中加铱和不加铱成分，使用寿命相差很大。涂层加铱，电极的使用寿命比不加铱的电极提高十几倍以上，可见铱在电渗析用二氧化钌电极涂层中的重要作用。据报道［163］，铱对于氧的形成和还原反应表现出可逆性。而且，铱上的释氧速度是很快的，对于氧的释出反应，铱具有很好的催化活性。从电渗析电极的反应可知，阳极反应除释氯外，还要释出大量氧气。所以，电极涂层中加进含铱的成分可大大提高了电极的使用寿命。

电渗析用二氧化钌电极与氯碱工业用二氧化钌阳极是不同的，电渗析在工艺上采用调换电极极性的操作方式，所以电极既要作阳极又作阴极用，要求其既要耐氧化又要耐还原。而在涂料配方中，氯碱工业用阳极不含铱，而且钛的含量也较低。

为了测定二氧化钌电极的使用寿命，已建立了二氧化钌电极寿命的快速测定方法［168］。一般其使用寿命可达3年。

②石墨电极　石墨电极是电渗析的常用电极材料。它具有耐腐蚀、释氯过电位低、价格便宜等优点。为了延长石墨电极的使用寿命，必须在使用前进行浸渍处理。石墨是由晶粒组成的，其晶粒越小，结构就越紧密，耐腐蚀性能也就越好；相反，晶粒越大，结构就越疏松，耐腐蚀性能也就越差。一般选择晶粒小、密度为1.8g/cm3的致密石墨作为电极材料并将其加工成10～20mm长的板状。通常加工方法是将其放在高温的沥青、石蜡、环氧树脂、酚醛树脂或呋喃树脂等中浸渍，为了增加浸渍深度，最好是在真空条件下进行。浸渍深度一般在1～2cm。曾用下列方法浸渍石墨，得到了较好的效果：先将加工好的石墨板分层置于200℃的烘箱中，保持3～4h，除去石墨中的水分，然后放在200～220℃的石蜡槽中，浸渍2～3h，待石蜡槽温度降至70～80℃时，将石蜡板取出冷却即成。国内有的厂家先将加工好的石墨分层置于200℃左右的烘箱中，保温12h，然后逐渐降温至150℃，放入预先加热至120℃熔化的石蜡（80%）和蜂蜡（20%）槽中，恒温保持48h以上，最后蜡槽温度降至80～90℃，将石墨板取出冷却即成。据称，通过这样处理的石墨电极，在淡化苦咸水条件下，可使用2年以上。

③不锈钢电极　选用Cr18Ni9Ti作电极材料。电极可以做成丝状或板状，板状电极厚度一般取3mm。

一般来说，不锈钢只能作为阴极材料，不能作为阳极材料。因为电渗析所处理的水中所含的Cl-会导致不锈钢阳极溶解，生成铁、铬、镍等离子。但是，不锈钢在不同浓度的碳酸氢盐、硝酸盐溶液中，不仅可以作为阴极材料，还可以作为阳极材料使用［169］。不锈钢在这种情况下不溶解或溶解量极少。因为HC、N、S或N等离子对不锈钢的氧化表面膜有保护作用。在电渗析装置中，如果选择上述几种电解质溶液作为极水循环使用，不锈钢就可以作为阳极，调换电极极性运行。从电极反应可知，用上述几种电解质溶液作为极水，电解质（即上述各种盐）不会被消耗，电极反应只消耗水。其主要的电极反应是：

如果溶液中氯离子含量较低，并存在适量的硝酸盐、碳酸氢盐或硫酸盐等，则不锈钢也可以作为阴、阳极在电渗析装置中调换电极极性应用。因为像N、HC、S等这些离子对不锈钢表面氧化物的形成有促进作用，也就是说，像N、HC、S等这些离子对不锈钢有缓蚀作用。由于这些离子的存在，防止了氯离子对不锈钢表面氧化物膜的破坏。有趣的是，单纯的HC对不锈钢毫无缓蚀作用，单纯S的缓蚀作用也不明显，而两种离子的混合溶液，在氯离子浓度较低的情况下，对不锈钢具有较好的缓蚀作用。电极液选取适当，不锈钢电极也可以使用2年左右。

④不同电极材料的选取　掌握电极材料的电化学性能和适用水质范围对工程应用十分重要，见表11-16。

从表11-16中可看出，适用于铅作电极材料的水质，同样适用于不锈钢电极，加之铅有公害，在天然水脱盐过程中应尽量避免采用。二氧化钌电极是我国为海水淡化而研制的，具有广泛的应用范围，但在阳极反应以释氧为主的场合，仍应优先选用不锈钢电极，其又有价格便宜的优点。如在北京地区，不锈钢电极的应用就比较成功。

11.4.3.4　电渗析器组装方式

（1）组装方式

①常用术语

膜对——由阴膜、淡水隔板、阳膜和浓水隔板各一张组成的最小电渗析工作单元。

膜堆——由若干膜对组成的总体。

水力学段——电渗析器中淡水水流方向相同的膜堆部分。

电学级——电渗析器中一对电极之间的膜堆。

端电极——置于电渗析器夹紧装置内侧的电极。

共电极——电渗析器膜堆内，前后两级共同的电极。

②电渗析器组装方式

a.一级一段电渗析器　即一台电渗析器仅含一段膜堆，也可以说是仅有一级，使用一对端电极，通过每个膜对的电流强度相等。这种形式的电渗析器产水量大，整台的脱盐率就是1张隔板流程长度的脱盐率，多用于大、中型制水场地。在我国一级一段电渗析器多组装成含有200～300个膜对。

b.一级多段电渗析器　通常一级中常含2～3段。这种电渗析器仍用一对电极，膜堆中通过每对膜的电流强度相同。级内分段是为了增加脱盐流程长度，提高脱盐率。这种形式的电渗析器单台产水量较小，压降较大，脱盐率较高，适用于中、小型制水场地。

c.多级多段电渗析器　电渗析器使用共电极使膜堆分级。一台电渗析器含有2～3级、4～6段，如二级四段、二级六段。也可以级、段数相同，如二级二段、三级三段。将一台电渗析器分成多级多段组装是为了追求更高的脱盐率，多用于单台电渗析器便可达到产水水量和水质要求的场合。小型海水淡化器和小型纯水装置多用这种组装方式。

这种装置若用一台整流器供电，则各级之间电压降相等，每级各段之间电流强度相等。做到各级、段的操作电流都比较接近极限电流，达到供电参数合理是一件不容易的事情，需要通过分析计算试验数据，调整各级、各段的膜对数来解决。

把一台电渗析器组装成一级多段或多级多段要使用浓、淡水倒向隔板来改变浓、淡水在膜堆中的流动方向，如图11-57所示。

（2）国产电渗析器的规格和性能

我国在1973年以前主要生产1.5mm厚PVC有回路隔板电渗析器。1974年以后主要生产薄隔板无回路电渗析器，配用异相离子交换膜。经过十几年的工程应用实践，编制了电渗析技术标准［171］和电渗析标准图集［172］，并都出版实施。工业用电渗析器的规格性能和设计数据可参见本手册第7章表7-65～表7-68。

11.4.4　电渗析工艺设计

11.4.4.1　基础计算式

电渗析工艺参数计算以欧姆定律和法拉第电解定律为基础，在目前出版的书刊中一般用摩尔浓度。在这一节中符号顺延使用，不再一一标注。

①流速和流量　电渗析工艺参数一般皆与一个淡水隔室的流量或淡水隔室的线流速相关联。一个淡水隔室的流量为

　　（11-100）

若一段膜堆组装N对膜，则膜堆总流量为

　　（11-101）

根据已知的电渗析器的组装形式与产水量，可以用下式分段计算淡水隔室的水流速度：

　　（11-102）

式（11-100）至式（11-102）中，t为淡水隔板厚度，cm；W为淡水隔板宽度，cm；v为淡水流速，cm/s；Fd为一个淡水隔室的流量，L/s；Q为一段膜堆的流量，m3/h；N为一段膜堆的组装膜对数。

②脱盐率是电渗析器的重要性能指标，系统脱盐率要以单台或单级的脱盐率为基础进行计算。定义：

　　（11-103）

式中，ε为脱盐率；cdi、cdo分别为电渗析器进口、出口浓度，取相同浓度单位。

③单位时间膜堆盐的迁移量Δm（mol）

　　（11-104）

式中，η为电流效率；I为电流强度，A；Δc为电渗析进口、出口浓度差，mol/L；F为法拉第常数。

④膜堆需要的功率Ns等于膜堆电阻Rs与操作电流I平方的乘积，从式（11-104）可得：

　　（11-105）

式中，Ns单位为W；Rs单位为Ω。其他符号意义及单位同前。

影响Rs的因素有阴/阳离子交换膜的电阻、渗析液和浓缩液的电阻，以及扩散层的欧姆电阻。除膜电阻由膜的物化性能决定以外，其他影响因素都为液流浓度或速度的函数，计算相当复杂，一般由实测值确定。

⑤迁移单位物质的量盐的耗能E（J/mol）从式（11-104）、式（11-105）可得：

　　（11-106）

从式（11-105）、式（11-106）可看出，迁移每摩尔盐的能耗与电流的一次方成正比，而功率消耗则与电流的平方成正比。

⑥电流效率η　指电流通过膜堆产生的盐分实际迁移物质的量与通过膜堆的电化物质的量之比，由膜堆的实测数据来计算。根据法拉第定律，电流效率的一般表达式为：

　　（11-107）

式中，Q为淡水流量，L/s；cdi、cdo为淡水系统进、出电渗析器的浓度，mol/L；I为电流强度，A；N为组装膜对数；F为法拉第常数。

我国在工程应用中，习惯用如下计算式：

　　（11-108）

式中，Q的单位为m3/h；cdi、cdo的单位为mol/L。

式（11-107）表明，电流效率不直接取决于膜堆电阻和电压降，其主要影响因素有：

a.膜的选择透过性；

b.因浓差引起的电解质透过膜的扩散，这与膜本身的性能和流程设计所取浓、淡水浓度比有关；

c.因浓差引起水透过膜的渗透和电渗失水；

d.极化状态下引起的H+和OH-迁移；

e.电流通过布水槽的内漏和通过膜缘的外漏以及液流通过布水槽的内漏或膜堆漏水。

所以电流效率不仅是重要的设计计算数据，也是检查膜堆性能的重要参数。

11.4.4.2　极限电流密度的确定

电渗析工艺参数的确定皆以极限电流密度的推算为前提，相应再导出极限状态下的其他计算式。若不顾及极化条件，仅从法拉第定律出发，为达到所期望的脱盐目的而计算出的操作电流、脱盐率等参数如果超过极限电流的范围，则这些计算值是毫无意义的，如用于工程设计，则会导致工程应用失败。推算极限电流密度主要有Wilson法与Mason-Kirkham法两种方法，这两种方法提出的计算式都以试验数据为基础进行整理。Mason-Kirkham法在我国应用较少，而Wilson法为我国所习用，并被进一步发展。

（1）Wilson经验式

1960年Wilson［173］根据一定的流速和浓度范围内，且温度变化不大的情况下的实验数据，提出了如下的极限电流密度经验式：

　　（11-109）

式中　ilim——极限电流密度，A/cm2；

v——淡水流速，cm/s；

cm——淡水进、出口平均对数浓度，mol/L；

k——水力学常数。

由于推导过程中做了很多假设，实践中发现有较大的偏差。在一些研究者的早期研究工作中同样发现极限电流密度与流速及浓度的关系并非一次函数关系［174］。1963年，Wilson又提出如下修正式：

　　（11-110）

我国电渗析工作者，习惯用电渗析的进水浓度、淡水水流速度直接与极限电流强度Ilim相关联。这样根据已知的进水浓度与所要求的产水量可以直接算出极限电流强度，经验式可写成：

　　（11-111）

式中，m为浓度指数，一般为0.95～1.00；n为流速指数，一般为0.5～0.8。

对于定型设计的电渗析器，选定离子交换膜后，上式中各常数值主要随原水离子组分和温度的不同而异。原水水型、水温确定后，在一定原水浓度和流速范围内，k、m、n为定值。

电渗析进水离子组分不同，对极限电流有很大的影响。在文献［175］中，将天然水划分为4种水型。

①Ⅰ-Ⅰ价水型　一价Na+、K+阳离子和一价Cl-阴离子分别占天然水中阳、阴离子总物质的量浓度的50%以上。

②Ⅱ-Ⅱ价水型　二价Ca2+、Mg2+阳离子和二价S阴离子分别占天然水中阳、阴离子的总物质的量浓度的50%以上。

③碳酸氢盐水型　HC占天然水中阴离子总物质的量浓度的50%以上。

④不均齐价型　不同于上述三种水型的混合离子天然水。

另外，为了获得基准数据，采用人工配制的NaCl型水质进行电渗析极限电流测试试验，NaCl水型为在纯水中加入NaCl制成。

这样，不同的水型可以采用不同的极限电流表达式。

例如，对于我国最常用的DSAⅡ-1×1/200型电渗析器［见11.4.3.4（2）］，在25℃下，极限电流的表达式如下。

NaCl水型，式（11-110）的具体形式：

　　（11-112）

碳酸氢盐水型，式（11-110）的具体形式：

　　（11-113）

式（11-112）和式（11-113）中，I为电流强度，A；cm为淡水进出平均对数浓度，mol/L；v为淡水流速，cm/s。

NaCl水型，式（11-111）的具体形式：

　　（11-114）

碳酸氢盐水型，式（11-111）的具体形式：

　　（11-115）

式（11-114）和式（11-115）中，cdi为淡水进水浓度，mg/L。

水温对极限电流也有明显的影响。在我国水处理用水电渗析器采用异相膜的情况下，电渗析极限电流温度校正经验式为：

　　（11-116）

式中，f为极限电流温度校正系数；T0为测定极限电流时的水温， ℃，采用本节的经验式或数据时取25℃；T为设计运行的水温， ℃。

根据用NaCl水型做出的极限电流表达式，再用极限电流水型系数进行校正，可以得出用于各种水型的极限电流计算式，这也是目前国内经常采用的推算极限电流的方法之一。

在测试和进水浓度c条件相同的情况下，天然水型的极限电流与NaCl水型的极限电流的比值称为水型系数。定义水型系数ΦAB：

　　（11-117）

用上述4种天然水型与人工配制的NaCl水型的溶液进行大量的极限电流试验，然后把数据校正到相同的温度，就可以按式（11-117）统计计算出不同天然水的水型系数。文献［176］报道了国内在这方面所进行的系统性的工作，并给出了在0℃时的极限电流水型系数值。将1975年以后所进行的不同电解质极化行为研究的若干数据［177］与结合工程设计的需要所开展的稀释海水型、HC水型、S水型和高硬度水型的极限电流研究的若干数据进行综合整理，得出了常温下的极限电流水型系数数据，列在表11-17中。

这样将式（11-110）或式（11-111）、式（11-116）与水型系数一起考虑，可以写出如下推算极限电流的经验式

　　（11-118）

使用上式，可以把电渗析器用NaCl水型所做的极限电流经验式推广到该电渗析器用于各种水型和所允许的使用水温下进行极限电流的计算，误差一般在±5%以内。

（2）Mason-Kirkham经验式

1959年Mason和Kirkham导出了极化参数关联式［178］，这一论文被称为电渗析参数设计的经典论文。利用这一关联式，必须对已定型设计的电渗析器做出不同应用条件下的若干基础数据和工作曲线，确定关联式中的一些常数。这一关联式对各种浓度的天然水脱盐，包括海水淡化都能适用。

若设沿膜堆隔室流水道任一点上浓、淡水平均摩尔浓度为ca：

　　（11-119）

用交流电测定的每对膜的电阻Rp：

　　（11-120）

或

　　（11-121）

式中，ca的单位为mol/L；Rp的单位为Ω。

在一定温度下，对于定型的隔板、膜及溶液体系，K1、K2、K3均为常数。在稀溶液中K3项可忽略不计。式（11-120）就简化成：

　　（11-122）

因在稀溶液中，强电解质的电阻近似与浓度成反比，而膜电阻相对地与电解质浓度无关。故式（11-122）意味着，膜对电阻由溶液电阻项K1/ca加膜电阻项K2组成。

极化参数是极限电流密度对淡水室电解质浓度的比率。

　　（11-123）

式中，i为极限电流密度，A/cm2；cd为淡水层浓度，mol/L；Fa为淡水层流量，L/（层·s）；a为方程式系数；m为流量指数。

极化参数的关联式为：

　　（11-124）

式中，η为电流效率；Ap为每对膜的有效面积，cm2；（i/cd）0为极化参数在出口处的值；F为法拉第常数；cdi为淡水进口浓度，mol/L；g为淡水进口浓度与浓水进口浓度比cdi/cci；ε为脱盐率。

K1、K2、K3和ε由电渗析器的特性所决定，g和极化参数i/cd由设计决定。i/cd随ε的增加而增加，即脱盐率随流道的增长而增加，最大值在淡水出口处。为避免极化，应取i/cd的安全值，一般可取其70%左右。

若每一段的脱盐率为ε0，每对膜需要的外加电压Vp为：

　　（11-125）

式中，Rm0为出口处每对膜的电阻，Ω；Vp的单位为V。

电渗析直流电功率P为：

　　（11-126）

式中，N为膜对数；P为每对膜的直流电功率，kW·h。

生产1m3淡水的耗电量W（kW·h）：

　　（11-127）

（3）V-I曲线法测定极限电流

我国推荐采用V-I曲线法测定电渗析器的极限电流。为了排除膜堆因配水不均产生局部极化，一般建议将电渗析器组装成一级一段膜堆，含100对膜。采用实际应用的一级一段膜堆进行测试也是可行的。多级多段组装的电渗析器，整台测试难以获得准确的数据，必须分级进行试验。为排除电极电压波动的影响，试验前要在膜堆与电极之间插入厚度为0.2mm的铜片，使铜片与离子交换膜接触的有效面积不少于0.5cm2，以利于导电。这样所测取的电压为膜堆中所有膜对的总电压降。若使用新的离子交换膜，注意充分转型是很重要的。经过浸泡的离子交换膜还需在试验水质下通水，通电2～4h，每对膜施加电压在0.5V以下，并每小时倒换电极极性一次。测试时，还需重新配制所要求的原水。

将被测溶液泵入电渗析器，待溶液浓度和温度恒定，流量稳定，且淡水、浓水和极水进口压力平衡的情况下，可通电并记录数据。使用无级可调整流器，初始电压选在每对膜0.1～0.2V，以后每次升高电压的量控制在0.1V左右。两次调压的时间间隔应为淡水流在隔室停留时间的3倍。其间准确、快速地记录施加电压、相应的电流强度和流量、压力等数据。在适当的电压区间，采取水样进行分析。至每对膜电压降在2V左右时，即停止试验。

利用所记录的电压、电流数据，在算术坐标纸上作V-I曲线，如图11-58所示。将图中各点连接成曲线，作曲线的切线AP和DP交于P点，由P点作平行于x轴和y轴的直线交曲线于B、C两点，C点即为标准极化点，与C点对应的电流强度即为极限电流。

图11-58中，曲线AD段为极化过渡区。在A点已开始极化，所以在海水淡化或高硬度脱盐范围中，也可把B点或A点选作极化点。有时做出的V-I曲线没有明显的AD段极化过渡区，这时可直接取两直线的交点为极化点。

11.4.4.3　常用流程及计算式

（1）脱盐流程

①一次式脱盐流程　指使用单台电渗析器就能达到制水产量与质量要求的一种简单流程形式。这种系统的优点是可以连续供水，辅助设备少，动力消耗少。膜堆多采用一级多段或多级多段组装。这种流程形式对产水量和脱盐率的调节能力很小，所以多在产水量小和脱盐率要求较高的情况下采用，如一次式小型海水淡化装置、制备纯水或高纯水时用电渗析预脱盐就采用这种流程。

②多级连续式脱盐流程　如图11-59所示，淡水给水经多台单级或多台多级串联的电渗析器后，一次脱盐达到给定的脱盐要求，直接排出成品水。该法具有连续出水、管道简单等优点，动力耗电在总电耗中占比较小。缺点是操作弹性小，在给水含盐量变化时适应性差。该流程是国内最常用的形式之一，常采用定电压操作。根据产水量、原水及产品水水质等要求，可采用单系列多台串联或多系列并联的流程，适用于中、大型脱盐场地。

③部分循环脱盐流程　如图11-60所示，即电渗析脱盐系统出口的脱盐水（成品水）部分返回到电渗析系统淡水进水槽，使淡水进水浓度降低，从而可以减少串联的级（段）数。当淡水给水浓度或成品水水质要求有较大的波动时，该流程可以通过调节补充水流量、成品水回流量和操作电流密度等来适应其变化。

显然，电渗析器中的淡水流量不等于产水量，可根据具体设计项目的要求选定合适的回流比。此脱盐流程比一次连续式灵活，在进水浓度有明显波动的情况下，仍能达到产品水质的要求。但配管复杂，动力耗电比一次式要大。这种流程常采用定电流操作，电流强度取决于进水浓度和流速。

④循环式脱盐流程　如图11-61所示，将一定量的原水注入淡水循环槽内，经电渗析器多次反复脱盐。当循环脱盐到给定的成品水水质指标后，输送至成品水槽。它适用于脱盐深度大，并要求成品水水质稳定的小型脱盐站。该流程适应性较强，既可用于高含盐量水的脱盐，也适用于低含盐量水的脱盐，特别适用于给水水质经常变化的场合，它始终能提供合格的成品水。例如流动式野外淡化车、船用脱盐装置等多采用此流程。另外，小批量工业产品料液的浓缩、提纯、分离和精制也常用之。但它需要较多的辅助设备，动力耗电大，且只能间歇供水。实际装置一般采用定电压操作，即以脱盐终止时极限电流所对应的电压作为操作电压，可保证在整个脱盐过程操作电流密度低于极限电流密度。

（2）计算式

①一次式脱盐流程　对于一级一段组装的电渗析器，可以根据给定的产水量计算所组装的膜对数N

　　（11-128）

式中，Q为淡水流量，L/s；t为隔室水流道厚度，cm；W为隔室水流道宽度，cm。

也可以根据产水量和水质计算膜对数N

　　（11-129）

式中，Q为淡水流量，L/s；cdi、cdo为淡水系统进、出膜堆的浓度，mol/L；F为法拉第常数；η为电流效率；i为操作电流密度，mA/cm2；Ap为单张膜的有效通电面积，cm2。

式（11-129）为基础设计计算式，可以推广到多级连续式流程膜对数的计算。

②多级连续式脱盐流程　如果串联的一级一段电渗析器组装的膜对数相等，隔室流速相同，则在极限电流下每级的脱盐率基本不变，在计算上可视常数处理。

若单级的脱盐率为εp，要求脱盐系统的总脱盐率为ε，则串联级数n可按下式计算：

　　（11-130）

经整理后得脱盐级数为：

　　（11-131）

若串联各级的进口浓度分别为c1，c2，…，cn，各级的操作电流密度分别为i1，i2，…，in，在各级隔室流速相同、脱盐率相等且电流效率不变的情况下，可推出：

　　（11-132）

　　（11-133）

已知某一级的进、出口浓度后，即可求得k值，并求得脱盐系统从给水浓度cdi（式中c1）脱盐至成品水水质cdo（式中cn+1）所需的脱盐级数。反之，脱盐级数定出后，用式（11-133）同样可计算出任何级的进、出口浓度。

③部分循环脱盐流程　见图11-60，进入电渗析器的液流浓度cdi不等于原水的浓度cR，且随回流量G的增加而降低；电渗析器的流量也不等于产水量Q。部分产水回流的目的在于提高脱盐系统的脱盐率ε，使其大于电渗析器的脱盐率εp，降低产水浓度cdo，从物料平衡可给出下列计算式。

电渗析器进水浓度：

　　（11-134）

回流量：

　　（11-135）

产水量

　　（11-136）

式（11-134）至式（11-136）中各种流量取相同单位，同样各种浓度也取相同单位。

④循环式脱盐流程　循环式脱盐过程中，随着淡水循环浓度的变化，系统主要工艺参数不是常数，为了简化计算，采用对数平均电流密度im作为一个批量的操作电流，并假定电流效率不变，则所需膜对数计算式为

　　（11-137）

式中

　　（11-138）

式中，i1、in分别表示循环起始和终止时的电流密度。其他符号意义同式（11-129）。

在讨论各种脱盐流程所需膜对数时，没有考虑膜的物化性能在应用过程中的下降，也忽略了盐的浓差扩散和电渗失水。当处理高浓度原水时，这是不容忽略的，产水量中应考虑水迁移项。

11.4.4.4　原水的利用

（1）设计水量

①电渗析装置产水量由式（11-139）确定：

　　（11-139）

式中　Qp——电渗析设计产水量，m3/h；

Q'p——用水高峰期的电渗析平均产水量，m3/h；

r1——安全稳定运行系数，取r1=1.1～1.3；

r2——温度系数，采用表11-18的经验数据；

r3——自用水量，包括膜堆清洗、倒极、泄漏等用水，取r3=1.05。

除非采用部分连续循环式系统设计，对于一个较佳的固定系统设计，电渗析装置产水量的调节能力是不大的。一般可限定，否则难以保证出水水质。对于用水量波动大的现场，应考虑设计备用系列。如饮料行业，用水高峰期持续时间较长，应直接以高峰期用水量进行电渗析产水量设计。

②预处理水量　原水需经一级或多级预处理才能进入电渗析器。预处理水量的设计可按下式确定。

　　（11-140）

式中，Q0为总预处理量，m3/h；Qp为电渗析产水量，m3/h；Qc为电渗析浓水排放量，m3/h；Qe为电渗析极水排放量，m3/h；a为预处理设备自用水系数，一般取a=1.05～1.10。

极水的排放量与极水组分、极框设计和运行条件有关，一般可取淡水产量的5%～20%。

③原水回收率　电渗析装置的原水回收率若从预处理水量进行计算应该更合适。由于预处理自用水量相差较大，习惯上常以进入电渗析的各路水量为依据进行计算，原水回收率K可写成：

　　（11-141）

（2）浓水排放量

脱盐用电渗析器浓、淡水隔板的设计相同，也就是说在电渗析器中浓水与淡水的流量相等。若将浓水全部排放，则原水回收率仅为40%左右。提高原水回收率的关键是减少浓水排量。

在工程设计上通常采用浓水部分循环的方式来减少浓水排放量。一种方式是将浓水出水部分返回浓水池，部分作高浓度废水排放，运行时维持浓水池浓度基本不变，浓水排出量恒定，补充到浓水池中经预处理的原水量与浓水排放量相等。采用这种方式时，极水通常为一个独立的系统，并对极水采用酸化等措施。另一种方式是浓水部分循环，但不直接排放浓水废水，而是将浓水废水部分返回浓水池，部分返回极水池，用浓水作极水，最后以极水废水排放。采用这种方式时极室多采用较高的流速，若极水排放量不够，仍需从极水池排出少量浓水，典型的浓水循环系统见图11-62。

如图11-62所示，浓水池中的浓度c由下式计算：

　　（11-142）

式中，c为浓水池浓度，mg/L；c0为原水浓度，mg/L；ε为电渗析脱盐率；Q1为浓水循环量，m3/h；Q2为极水排放量，m3/h；Q3为多余浓水排放量，m3/h。

显然

Q2+Q3为浓水总排放量，Q3有时可取为0。

若定义浓缩倍率B=cc/c0，cc为浓水出水浓度，mg/L；c0为原水浓度，mg/L，则：

　　（11-143）

式（11-143）表明，提高浓缩倍率，也就是提高原水利用率的关键在于减少浓水排放量。

浓水排放量由电渗析浓水系统所允许的最高浓度所限定。天然水中的Ca2+、HC在电渗析过程中得到进一步的浓缩，达到一定的浓度会在离子交换膜面产生沉淀结垢。一般用兰格利尔饱和指数（Langelier saturation index，LSI）作为浓水浓度的控制指标。若LSI为正值，则水溶液为结垢型的；LSI为负值，表明水溶液不结垢或有腐蚀倾向。常规电渗析系统，浓水LSI不大于0。EDR系统的LSI允许高达2.2。在电渗析系统中，可通过降低脱盐率或增加浓水排放量来减小LSI。在预处理中去除Ca2+、Mg2+、HC或向浓水系统中加入化学药品，如防垢剂和酸等，也可以降低LSI。

处理高硬度高硫酸根型的天然水时，要十分注意控制CaSO4的沉淀。CaSO4难以酸洗去除。在预处理步骤中去除部分Ca2+和S或在浓水流中添加六偏磷酸钠可以在较小浓水排放量下保证膜堆不结垢。六偏磷酸钠可使CaSO4暂时成为稳定的胶状体，使CaSO4的溶度积由Ksp≤1.9×10-4提高到Ksp=10×10-4。六偏磷酸钠的加入量为5～10mg/L。

图11-63为CaSO4的溶度积曲线图，利用该图可计算给定水溶液的CaSO4饱和度，由Ca2+（mol/L）占总阳离子的百分数和S（mol/L）占总阴离子的百分数算出CaSO4的饱和度（mg/L）。CaSO4饱和度按下式计算：

单向电渗析系统浓水中CaSO4的饱和度要大于100%，在短期倒极电渗析系统中，可接近100%。在EDR系统中，浓水中不加化学药品，CaSO4饱和值的设计上限为17%，在添加化学药剂的情况下，CaSO4饱和值的设计上限可达到300%［180］。在EDR中试现场试验中，在加15mg/L的六偏磷酸钠的情况下，CaSO4的饱和百分数达400%也能稳定地运行［181］。

（3）极水

极水流速的选取应考虑能利于冲出电极反应的产物，并保持极水压力与浓、淡水压力相平衡。极水流速一般选取在20～40cm/s，在海水或高硬苦咸水淡化中，若极水不加酸化措施，甚至可用50cm/s以上。极水在极框中的流动同样要求有较好的水力学条件，使阴极沉淀物不易附着在极框内。使用板状电极时，常增设湍流促进器。减小极框的厚度或减少极水的排放量都可以节约极水，提高原水回收率。极水的选用常见以下三种方式。

①原水作极水　在天然水电渗析脱盐中这种方式较少采用。若采用这种方式，则预处理水量大，原水回收率低，仅在原水水源丰富且原水为高硬、高硫酸根水型时采用。海水淡化、海水浓缩制盐时，电渗析极水多选用原海水。

②浓水作极水　这是天然水脱盐中通常选用的方式。

③人工配制极水　这种方式仅用于极水排放量不大的小型电渗析装置，且极水作为一个独立的系统循环应用，定期排出部分极水废水并补充新配制的极水。天然水电渗析脱盐一般不采用这种方式。电渗析用于化工料液的分离时，由于料液昂贵，用原料液作极水不经济时可采用这种方式；于室内安装的电渗析器，为了防止排出对人有害的氯气，也可采用这种方式；有时为防止阴极沉淀又节约极水或适应电极材料对极水的要求也可采用这种方式。人工配制极水可采用NaHCO3、亚硝酸盐、硝酸盐或某些还原性电解质。阳极水和阴极水也可采用不同的电解质体系。

在坑道或船上安装的电渗析器，以天然原水或浓水作极水时，为了防止阳极反应产生的氯气对人体的损害和对仪表的腐蚀作用，可向阳极水中加入Na2SO3或Na2S2O3等还原性物质以消除氯气：

也可以将极水出水经过活性炭吸附器以去除Cl2：

采用阴极水单独循环的方式，常向极水中加入HCl或H2SO4，调至pH为2左右，以防止阴极室产生沉淀结垢。

电渗析阳极排出的O2与阴极排出的H2积累到一定的浓度，遇明火即可爆炸，加之考虑Cl2的有害影响，电渗析装置安装车间在设计上应保证其具有良好的通风条件，中大型场地应安装排气设备，电渗析极水出口可置于室外，或将极水废水进行中和处理或采用废气吸收措施。

11.4.4.5　EDR装置

（1）几种电渗析运行方式

膜堆内部极化沉淀和阴极区沉淀一直是电渗析装置运行的主要障碍。在电渗析技术发展的近50年的历史中，非常重视控制电渗析过程沉淀结垢和提高装置自身清洗效果的研究，试图寻找一种简便的操作运行方式，利用过程的内在因素来解决这一问题。这样，在运行过程中，倒换电渗析电极极性的运行方式得到了发展，可分为以下几个阶段。

①单向电渗析　指在运行过程中，电渗析电极极性保持不变的一种电渗析方式。也就是在运行过程中电流方向保持不变，膜堆内部浓、淡水室不能互换。20世纪60年代以前，电渗析技术应用初期，大多采用这种运行方式。由于沉淀物会在膜面上继续发展，最终可能堵塞隔室流水道，以致必须拆开膜堆清洗，所以电渗析装置的运行周期较短。

在20世纪60年代也进行过脉冲直流电源用于电渗析的实验研究。由于离子透过膜迁移，在浓缩室膜-液界面扩散边界层中出现离子浓度的高峰，可沉淀物质会迅速达到饱和点，水的解离又使该边界层pH升高，CaCO3会首先沉淀出来，pH继续升高，Mg（OH）2也会沉淀出来。CaSO4因达到溶度积也会沉淀出来。过饱和溶液生成沉淀必有一个过程，先生成晶核，然后晶核逐渐生成晶体。也就是说，从沉淀开始到沉淀出的晶体附着在膜面上需要一个最短的时间。采用脉冲电源，在晶体还未牢固地附着在膜面上以前，利用反向电流形成一次反向极化，使浓缩边界层瞬时变为脱盐边界层，利用水流把初始沉淀出的晶体冲出电渗析器。脉冲直流电源在6～10s的周期内，有一个1s的反向电流时间。脉冲周期根据被处理水溶液的组分来确定。国外资料报道和国内在20世纪70年代所进行的试验都表明，脉冲周期选得合理，都有较好的效果。但这一研究成果仅停留在小型装置的试验阶段，没有投入工业应用。

②倒极电渗析　指在运行过程中，在2～8h之间倒换一次电极极性的电渗析方式。在倒极时，还要改变浓、淡水系统的流向，使浓、淡水室同时互换。这种方式因能消除膜面沉淀物积累，对克服膜堆沉淀有显著效果。国内从20世纪70年代以来，大多采用倒极电渗析，再结合定期酸洗，提高了电渗析装置的稳定运行周期，不少苦咸水和初级纯水电渗析装置的连续运行周期都在半年以上，也有运行周期超过1年的实例。

倒极周期的确定要考虑以下因素。在原水硬度、碱度或S浓度较高，要求原水回收率较高，运行中不采用浓水酸化措施以及操作电流接近极限电流时，倒极周期可短一点，可取2～4h；其他情况倒极周期可取4～8h。在应用现场，可根据装置运行的稳定性来调整倒极周期或操作参数。倒极电渗析的管路设计和运行操作比单向电渗析复杂。若突然倒极，会产生2～5倍的冲击电流，可能损毁供电设备和仪表。所以在倒极时，总是先将整流器的输出电压降到零，其间用原水冲洗原浓水室，调换浓、淡水系统，再将电极极性反转，逐渐升压。在手动操作的情况下，整个倒极过程只需要几分钟。在整个倒极过程中，要保证不合格淡水不能排入淡水池。

③EDR装置　美国Ionics公司将其开发的15～30min自动倒换电极极性并同时自动改变浓、淡水水流流向的电渗析称为EDR（electrodialysis reversal），为了与我国常规倒极电渗析有所区别，已通称为频繁倒极电渗析，EDR具有如下优点［182］：

a.每小时3～4次破坏极化层，可以防止因浓差极化引起的膜堆内部沉淀结垢；

b.在阴膜朝阳极的面上生成的初始沉淀晶体，在没有进一步生长并附着在膜面上以前，便被溶解或被液流冲走，不能形成运行障碍；

c.由于电极极性频繁倒转，水中带电荷的胶体菌胶团的运动方向频繁倒转，减轻了黏泥性物质在膜面上的附着和积累；

d.可以避免或减少向浓水流中加酸或防垢剂等化学药品；

e.运行过程中，阳极室产生的酸可以清洗自身电极，克服阴极面上的沉淀；

f.比常规倒极电渗析操作电流高，原水回收率高，稳定运行周期长。

（2）EDR装量工艺流程

EDR装置和常规倒极电渗析管路设计相同。因频繁倒极时需要同时调换浓、淡水的水流系统，所以水流要以电动阀或电磁阀控制。图11-64为多级连续式EDR装置流程图。经前级预处理的原水，由给水泵打入10μm的精密过滤器，再分配给浓水、淡水和极水系统。淡水系统水流为串联连续式。浓水系统水流为循环式，一部分水量排放，循环部分的水量在浓水泵前进入浓水系统，与原水相混合。倒极期间的不合格淡水返回原水池。运行时，电渗析阳极出水和阴极出水混合后排入极水箱，在极水箱中和后排放。阳极过程产生的氯气和氧气及阴极过程产生的氢气也被极水带入极水箱，在极水箱上安装小型脱气机，将这些气体排出室外。

为了提高原水回收率，在工艺上采取了三个措施［183，184］。

①浓水循环　EDR装置以倒极周期内不产生附着在膜面上的沉淀为最高浓度控制指标，所以浓水允许的最高浓度比常规倒极电渗析要高，大部分浓水可以循环使用。标准的EDR装置不采用加化学药品的方法来防止沉淀。增加倒极频率可允许更高的浓水浓度，从而得到更大的原水回收率，一般EDR的原水回收率可达80%～85%。在处理含CaSO4或HC过多的水时，向浓水系统中加六偏磷酸钠或酸，对控制沉淀结垢非常有效，并可使原水回收率提高到90%。

②分级倒极　EDR倒极期间，膜堆的脱盐水流和浓缩水流要进行交换，原浓水室的浓水要降低到产品水要求才能排入淡水池，这期间不合格的淡水要返回原水池中。20世纪70年代EDR应用初期，是将EDR装置串联的各极同时倒换电极极性。以标准的EDR系统来说，15min倒换一次电极，倒换时间为90s，即在运行中有1/10的时间不能生产合格淡水。20世纪80年代初以后，EDR装置采用分级倒极，其程序是从装置进水阀门开始，依次进行调向。对于每一级来说，进水阀门换向、倒换电极极性、出水阀门换向分别进行控制；对于系统来说，第一级进水阀门换向后，水流流至哪一级，哪一级才进行换向。即使在这样短的倒极时间内，最后一级或几级的容水量仍能作合格淡水排出，缩短了排放不合格淡水的时间，也降低了不合格淡水的浓度，使之不再作废水排放，可返回到原水池中，从而提高了原水的回收率。当然，这需要较高的自控技术才能实现。

③调整倒极频率　EDR装置自动倒极频率是可以调整的。工业用大型EDR装置的倒极周期一般在15～30min之间。我国研制的小型纯水EDR装置，倒极周期在15～60min之间。在多数应用现场，延长运行周期也能保证装置稳定运行，这就缩短了产生不合格淡水的时间，提高了原水的回收率。

EDR装置在自身清洗阴极沉淀方面有突出的特点。电极极性倒换以后，新的阳极为原来的阴极。阳极过程产生的酸有助于溶解附着在电极和极室中的沉淀物质。为了使阳极水酸性更强，使阳极水大部分时间处于不流动状态，以增加H+浓度，使pH值低到2～3。阳极产生的气体会在极室聚集，增加了电极过程电阻，增加了电极区电压降。为减轻这一问题，使阳极水短时间流动，冲击这些气体，以液流带出极室。阴极水总是稳定流动的。由于阴极沉淀可以自身消除，极室可以设计得较薄，厚度3mm就可以了，所以阴极水流速较高，这又便于直接冲出沉淀物。EDR的极水用量为原水的5%左右。

11.4.4.6　预处理

（1）电渗析进水水质指标

为防止膜堆污染与堵塞，保证电渗析系统安全稳定运行，我国提出了如下电渗析器进水水质指标：

淤塞密度指数SDI是国内近年来才提出作为电渗析器进水指标的，它表征水中胶体物和悬浮物含量的多少。与浊度相比，它是从不同的角度来表示水质，但是SDI要比浊度准确、可靠得多。浊度仪的工作原理是用光敏法或比色法来确定水中微粒的含量，对于不感光的一些胶体微粒就测不出来。SDI是测定在标准压力和标准时间间隔内，一定体积水样通过一特定微孔膜滤器的阻塞率。微孔滤膜的孔径为0.45μm，凡大于0.45μm的胶体、细菌与其他微粒皆截留在膜面上，所示数据重现性好，并有可靠的可比性。

使用淤塞密度指数测定仪（也称污染指数测定仪）来测定SDI，承压罐内采用孔径0.45μm、直径47mm的微孔滤膜。在测试系统中通入氮气，保持在恒压0.21MPa下过滤原水，记下初始滤出500mL所需时间t0，保持继续滤水，待10min（含t0）以后，再继续滤出500mL水样的时间为t10。用下式计算SDI：

　　（11-144）

（2）预处理系统

一般来说，预处理方式的选择应该考虑以下几个方面：

①原水来源　地下水处理比较简单，一般可用砂滤器过滤。地表水的处理比较复杂，一般应采用加氯、凝聚、澄清、过滤流程。对于采用0.5～0.9mm隔板电渗析器，宜在砂滤器后再设细砂过滤器。澄清器的出口水游离氯应维持0.1～0.5mg/L。地表水和地下水经预处理后，当采用0.5～0.9mm隔板电渗析器时，在进入电渗析器以前应通过10～20μm的精密过滤器。

②电渗析隔板厚度　对于薄隔板（厚度在0.75mm以下），对原水预处理要求较高一些。

③离子交换膜的种类　主要指膜的耐污染性能与抗氯、抗氧化腐蚀的性能。

④隔室流速与运行方式　较高的流速利于冲出部分悬浮物与沉积物，频繁调换电极的操作方式可减轻膜面污染与沉积物的附着。

⑤特殊用水要求　在预处理部分除去某种特指成分。

国内外报道的部分原水预处理系统汇集于下，供选用参考。

①地下水→一级过滤→电渗析　作为一级过滤器的是砂滤器或滤筒式过滤器。地下水多采于深层，比较洁净。

②地下水→一级过滤→二级过滤→电渗析　作为一级过滤器的是砂滤器或无阀滤池，作为二级过滤器的是精密过滤器、微孔管过滤器等。这种系统用在地下水水质较浑、悬浮物较多的情况下。

③自来水或净化污水→活性炭→过滤→电渗析　主要用于含有少量有机物的原水，活性炭用来除去原水中的有机物，之后的过滤器可以是砂滤器或精密过滤器，防止活性炭细微颗粒等机械杂质进入电渗析器。美国、日本等以次一级生物处理厂流出水为原水的电渗析处理系统也按此系统进行试验。

④地下水→曝气→活性炭→滤筒式过滤器→电渗析　用来除去水中的H2S，曝气、加氯都是起着这个作用。活性炭用来除去微量的H2S、胶体硫以及游离氯。

⑤地下水→曝气→混聚、沉淀→过滤→电渗析　用来除去水中的硬度及铁。曝气可除去水中的H2S及铁。加石灰凝聚沉淀并过滤用来除去水中的暂时硬度。它用于原水水质较差的情况下，含铁及高暂时硬度的水。

⑥地下水→曝气→混聚、沉淀→过滤→活性炭→滤筒式过滤器→电渗析　由系统⑤发展而来，可用来除去水中的H2S、胶体硫和硫化铁。美国Ionics公司曾报道某地苦咸水含H2S量190mg/L，也能用曝气、通氯或加石灰去除。

⑦地下水→凝聚、沉淀→过滤→电渗析　用来除去水的硬度和铁、锰。一般认为，此系统在处理地下水中具有典型性，工程投资较低。

⑧地下水→弱酸阳离子交换→强酸阳离子交换→电渗析　用离子交换作为预处理，除去水中的大部分硬度和部分碱度。由于大部分阳离子转为Na+，电渗析极限电流可以提高，在电渗析器内不产生水垢。有的脱盐厂，地下水在进入离子交换之前，设有沉淀池以除去水中的细砂等杂质。

⑨河水→凝聚、沉淀→过滤→电渗析　用于水质较清、有机物含量不高的水源，主要除去水中的悬浮物及胶体。

⑩河水→凝聚、沉淀→过滤→活性炭→滤筒式过滤器→电渗析　用于受工业污水污染的水源。凝聚、沉淀和过滤除去水中的大部悬浮物及胶体，活性炭吸附除去水中的有机物，用精密过滤器除去水中的细小悬浮物。

河水→拦污栅→自动转筛沉淀→凝聚、沉淀→过滤→电渗析　用于很脏的地面水，除含大量悬浮物和胶体物质外，还含有许多漂浮杂质，这些杂质借栅筛、沉淀、凝聚沉淀、过滤等除去，加氯使水中的有机物氧化分解。

11.4.4.7　电渗析脱盐场地的布置

脱盐场地包括由电渗析器组成的脱盐部分、原水吸取和预处理部分、水的输送管路和储水池，以及配电、控制和整流器等必需的生产运行设备。此外，从运行管理和维护方面考虑，还应设有酸（和盐、碱）洗系统、水质分析台以及设备安装、维护场所和备件、药品储备场所。场地的总体布置就是使这些部分在占地面积小、操作管理方便、运行安全可靠、投资费用少等前提下合理地组合在一起。目前国内尚未形成统一的场地设计规范，以下仅提出场地布置的一些建议。

（1）电渗析脱盐部分

这一部分由主体设备电渗析器组成。小型场地可将电渗析器、预处理设备及后处理设备（包括离子交换器）合建在同一室内。产水量小于200～300m3/d的，多采用多级多段组装的电渗析器。中、大型场地可建造专门安装电渗析器的运转室，适合选用一级一段组装的大型电渗析器。

电渗析器之间、电渗析器与其他设备和构筑物之间应保持一定的距离，以方便操作管理和维修。这个距离以电渗析器压紧以后和本体直接相连部件的外缘部分计起。

电渗析器之间的距离可分两种情况考虑。一种情况是在固定支架上就地安装的情况。对于立放电渗析器来说，系列内各台电渗析器之间的距离应尽量缩小，能方便两台电渗析器之间接管的连接就可以了。两台电渗析器之间若取直管连接，距离可取0.4～0.6m，若取弯管连接，即保证每台电渗析器膜堆内部水流都自下而上，则距离可取0.9～1.1m。系列之间的距离可取电渗析器的高度（不含支座高度）的1.5～2.0倍，以便于翻转放平。平放电渗析器系列之间和系列各台电渗析器之间都可取为电渗析器宽度的2.0～3.0倍。另一种情况是电渗析器在专用场地上安装，然后吊装就位。不论是立放或平放的电渗析器只要和周围的电渗析器保持大约0.8～1.0m的距离就可以了。人们经常提到的立式放置的电渗析器占地面积小就是指的这种情况。一般取系列之间的距离大于系列内相邻两台电渗析器之间的距离。

若车间墙壁上不设置管道、阀门，或仅设置高位管架，作为通行检修的通道，电渗析器与墙内壁的距离可取1.0～1.3m，非通行通道不应小于0.4m。

小型场地多种设备布置在同一房间内时，电渗析器、水箱、整流器之间的距离不应小于2.0m，水泵也应考虑尽量与运转室隔开。

电渗析器的进水动力必须保持稳定，应设有专门的供水泵或高位水池供水，进水管路应安装阀门、流量计和压力表。

采用定期调换电极极性的运转方式时，多台或多系列并联的电渗析器宜在母管上装置调向阀门。电渗析器起始运行压力一般控制在不超过0.20MPa。为了深度脱盐采用多台串联时，若进水压力过高，可设置中间水箱以接力供水。直接采用中间升压泵的设计要慎重，必须同时设置运行故障的报警系统和控制系统。采用400mm×1600mm的电渗析器时，一般一个串联组含电渗析器3～4台；采用800mm×1600mm电渗析器时，一般一个串联组含电渗析器2～3台。

为防止电化学腐蚀和漏电，预处理设备进水阀门以前的管路可采用金属管；进水阀门以后与电渗析器相连接的管路应采用塑料管或衬胶管。电渗析器进水前段应设置冲洗排水阀。开泵时此阀门应是开启状态，以排除管道中的存水，避免将水锈带入电渗析器。我国许多中、小型场地，在预处理设备出水阀以后，通常釆用聚氯乙烯或ABS管路。小型电渗析器的本体连接管大多采用增强塑料软管。

与电渗析器进、出水口直接相连的管段采用可伸缩的软管或曲绕接头，可避免因拆装错位给安装接管带来的麻烦。为防止设备停运时膜内部形成负压使设备变形，在电渗析器出口的最高位置应设有真空破坏阀。另外，电渗析器不准有背压。

应设置酸（和盐、碱）洗设备和管路系统以及反冲洗管路系统。有的场地在反冲洗时，采用同时加入空气的方法。

要考虑电渗析器备用数量。组装3～5台电渗析器的场地可备用一台电渗析器及部分部件。对于大型场地，特别是如发电厂等供水不得中断的场地，也可考虑安置一备用系列。

中、大型场地可设置校验台，供水管路可与主供水管路连在一起，出水管路可返回原水池。将经过维修或拆洗重新组装好的电渗析器先就位于校验台位置，进行压力、流量、脱盐率、电流效率等主要参数的实验检查，认为合格后再吊装到运行位置投入应用。

（2）预处理部分

从原水开始，设备应尽量按多级预处理及脱盐流程的顺序进行布置，力求节约管路、布置紧凑。无阀滤池、大型机械过滤器和不需要经常维修的设备宜建在室外，在寒冷地区要采用防冻措施。在炎热地区，室外塑料连接管不得暴晒，可设置在地沟内。规模小的预处理设备可建在室内，可采用与电渗析脱盐部分同层楼面或不同层楼面的布置形式。若采用不同楼面布置，预处理设备应布置在底层。为防止外来的金属离子进入电渗析器，钢壳过滤器普遍采用衬胶处理。所建水池也要采用防腐蚀和防渗漏措施，常采用瓷砖或塑料板衬里以及喷抹树脂的方法。储水槽可用不锈钢或工程塑料制作，钢板焊接而成必须采取防腐措施。

（3）管道系统

场地管道系统的布置应考虑安装、检修方便和生产运行安全，并注意整齐和美观。中、小型场地，所用管径小，管道数量少，通常采用设支架沿墙明敷的方式。这种方式安装、检修都较方便，造价也低。对于中、大型场地，可设置管沟敷设，这种方式管道集中，排列整齐，但检修不够方便。

有的中、大型场地，由于产水量大，管道数量多，加之采用自控或部分自控措施，倒极用管路和气动控制管路繁杂，可设置管廊集中布置。这种布置投资较大，但电渗析运转室显得整齐。

（4）配电部分

这一部分主要包括整流器和配电控制柜。这些设备应集中安置在环境干燥、通风、采光良好的控制室内。电渗析运转时，由于存在不可避免的膜堆少量渗漏水或拆洗部件的大量冲洗水，整个环境湿度较大。控制室内通常布量配电设备和控制设备，所以防潮、防溅水问题必须特别注意。

除少部分用于海岛和舰、船的电渗析装置用直流发电机发电以外，电渗析所用直流电一般来自整流器。国内已建成的场地普遍采用无级调压的三相桥式全波硅整流器。在采用可控硅整流时，应注意可控硅的导通角与整流器额定电压之间的关系，即在设计可控硅整流器时，其额定电压、额定电流值应与电渗析器的所需值基本一致。交流电输入整流器应通过隔离变压器使所连接的电渗析器与外部动力电网不形成电流回路，以保证用电安全。整流器的输出应有正、负极开关，或自动调换极性的装置，还应装有稳流和过流保护装置。

电渗析器的供电是个非常重要的问题。它由电渗析本体在该应用条件的极限参数所制约，一般供电电流都低于极限电流值。多台并联的电渗析器可采用分台供电的方式。多台串联的电渗析器，因每台的参数不同，最好采用分台供电的方式。多系列多级串联的电渗析器，如果整流器容量允许，也可同一整流器连接两台进水浓度相同的电渗析器。

脱盐场地在所有设备安装完毕以后要进行调试，为满足对电渗析器做极限电流调试的需要，应设置一台大容量的整流器，其输出的电压、电流应比正常应用时的操作电压、电流大两倍左右，另外还要设置校验台的场地，这台大容量的整流器可与校验台连接。