电渗析水处理除氟的研究进展及主要影响因素

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-1159

工业水处理 ›› 2022, Vol. 42 ›› Issue (12): 1-9. doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2021-1159

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电渗析水处理除氟的研究进展及主要影响因素

罗胜^1,²(),朱铭^1,³,田秉晖^1,²(),MALALAGAMA Theekshana^1,²

^1.中国科学院生态环境研究中心，环境水质学国家重点实验室，北京 100085
^2.中国科学院大学，北京 100049
^3.天津城建大学环境与市政工程学院，天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384

收稿日期:2022-10-25 出版日期:2022-12-20 发布日期:2022-12-20
通讯作者: 田秉晖 E-mail:763644263@qq.com;tbh_8@163.com
作者简介:罗胜（1995— ），硕士。电话：18810238272，E-mail：763644263@qq.com|田秉晖，副研究员，博士。E-mail：tbh_8@163.com。
基金资助:
中国-斯里兰卡国家自然科学联合基金(218611422020);“一带一路”国际科学组织联盟资助项目(ANSO-CR-KP-202005);中国科学院国际合作项目(121311KYSB20190071)

Research progress and the main influencing factors of fluoride removal by electrodialysis water treatment

Sheng LUO^1,²(),Ming ZHU^1,³,Binghui TIAN^1,²(),Theekshana MALALAGAMA^1,²

^1.State Key Laboratory of Environmental Aquatic Chemistry，Research Center for Eco-Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100085，China
^2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
^3.Tianjin Key Laboratory of Water Quality Science and Technology，School of Environmental and Municipal Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China

Received:2022-10-25 Online:2022-12-20 Published:2022-12-20
Contact: Binghui TIAN E-mail:763644263@qq.com;tbh_8@163.com

摘要/Abstract

摘要：

饮用水氟化物超标对牙齿、骨骼、内脏等人体器官健康有重要影响，因此，除氟是饮用水处理技术的重要研究方向之一。目前常用的吸附、离子交换、化学沉淀、电絮凝、反渗透和纳滤等方法各自存在成本高、操作复杂等问题。电渗析除氟具有电流效率高（97%以上）的技术特性，是当前研究的热点之一。综述了电渗析除氟的基本概念、技术原理，系统阐明了初始氟化物浓度、电压和电流密度、进水流速、pH、温度、原水性质和浓度、电极溶液的成分和浓度，以及离子交换膜等因素对电渗析除氟效果的影响规律，并提出电流密度、流速是影响饮用水电渗析除氟的较关键因素。与氯离子相比，饮用水原水中的氟离子具有浓度低，水合离子半径、斯托克斯半径及吉布斯自由能大的特点，存在浓度竞争效应及竞争性迁移速率慢的问题，因此，提高氟离子竞争性迁移速率是关键问题。最后，展望性地提出氟氯离子竞争性迁移概念，给出选择性场控电迁移、选择性膜堆结构和选择性分离膜的三级强化选择性分离技术路线。

关键词: 水处理, 电渗析, 除氟, 选择性去除

Abstract:

Excessive fluoride in drinking water has an important impact on the health of teeth， bones， viscera and other human organs. Therefore， fluoride removal is one of the important directions of drinking water treatment technology. Currently commonly used methods such as adsorption， ion exchange， chemical precipitation， electro-flocculation， reverse osmosis and nanofiltration have high costs， complex operation and other problems. Electrodialysis for fluoride removal has the technical characteristics of high current efficiency （more than 97%）， is one of the current research hot spots. The basic concepts and technical principles of fluoride removal by electrodialysis were reviewed. The initial fluoride concentration， voltage and current density， inlet water flow rate， pH， temperature， raw water properties and concentration， electrode solution composition and concentration， as well as ion exchange membrane and other factors on electrodialysis effect for fluoride removal was systematically clarified. And the current density， flow rate were key factors affecting the electrodialysis of drinking water to remove fluoride. Compared with chloride ions， fluoride ions in raw drinking water have low concentration， large hydrated ion radius， Stokes radius and Gibbs free energy， and there are problems of concentration competition effect and slow competitive migration rate. Therefore， to improve the competitive migration rate of fluoride ions is key issue. Finally， a concept of competitive migration of fluorine and chloride ions was prospectively proposed， and a three-stage enhanced selective separation technology route of selective field-controlled electromigration， selective membrane stack structure and selective separation membrane was given.

Key words: water treatment, electrodialysis, fluoride removal, selective removal

中图分类号:

TU991.2

罗胜,朱铭,田秉晖,MALALAGAMA Theekshana. 电渗析水处理除氟的研究进展及主要影响因素[J]. 工业水处理, 2022, 42(12): 1-9.

Sheng LUO,Ming ZHU,Binghui TIAN,Theekshana MALALAGAMA. Research progress and the main influencing factors of fluoride removal by electrodialysis water treatment[J]. Industrial Water Treatment, 2022, 42(12): 1-9.

https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I12/1

图/表 10

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吸附剂	优势	不足
骨炭	无需调节原水pH，吸附容量大	原料来源有限，预处理复杂，成本较高
活性氧化铝	操作简单，成本低	对pH和吸附温度要求较高
沸石	成本低、设备简单	吸附容量低、吸附时间长
活性炭及其复合材料	吸附时间短、容易再生、经济方便	一般要求pH<3
氧化镁	吸附能力强、效率高，吸附pH范围广	吸附设备和工艺有待推广

吸附剂	优势	不足
骨炭	无需调节原水pH，吸附容量大	原料来源有限，预处理复杂，成本较高
活性氧化铝	操作简单，成本低	对pH和吸附温度要求较高
沸石	成本低、设备简单	吸附容量低、吸附时间长
活性炭及其复合材料	吸附时间短、容易再生、经济方便	一般要求pH<3
氧化镁	吸附能力强、效率高，吸附pH范围广	吸附设备和工艺有待推广

地点	进水类型	处理量	氟初始质量浓度/（mg·L^-1）	去除率/%
巴西巴伊亚州桑塔纳市	地下水	0.6 m³/h	7.49	80
摩洛哥本格瑞尔市	地下水	2 200 m³/d	2.32	40
摩洛哥恩扎拉特-拉德姆	地下水	1 m³/h	1.8	10
巴西南部汉布尔戈的诺沃市	生活污水	80 L/h	0.6	72
土耳其库塔希亚基兹德雷市	地下水	40 mL/min	20.6	95

地点	进水类型	处理量	氟初始质量浓度/（mg·L^-1）	去除率/%
巴西巴伊亚州桑塔纳市	地下水	0.6 m³/h	7.49	80
摩洛哥本格瑞尔市	地下水	2 200 m³/d	2.32	40
摩洛哥恩扎拉特-拉德姆	地下水	1 m³/h	1.8	10
巴西南部汉布尔戈的诺沃市	生活污水	80 L/h	0.6	72
土耳其库塔希亚基兹德雷市	地下水	40 mL/min	20.6	95

阴离子	吉布斯自由能/（kJ?mol^-1）	斯托克斯半径/nm
F^-	472	0.164
Cl^-	347	0.119
SO₄^2-	1 138	0.230

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Research progress and the main influencing factors of fluoride removal by electrodialysis water treatment

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项目	具体角度	适用范围	存在问题
离子交换膜	离子交换膜类型	所有阴离子	选膜过程复杂，针对性较小
	一二价离子交换膜	F^-、SO₄^2-等二价离子	只能分离一二价离子，无法消除一价阴离子对F^-的干扰
	目标离子吸附捕获膜	所有阴离子	针对F^-的吸附捕获膜有待开发
实验条件	电流密度、进水流速	所有阴离子	可以减小而不能完全消除干扰
工艺	纳滤—电渗析耦合工艺	所有阴离子	前端工艺只能消除部分离子干扰

种类	含水率/%	离子交换容量/（meq·g^-1）	膜厚度/mm	通量/（mol·s^-1·cm^-3）
聚氯乙烯膜ACM	13~18	1.4~1.7	0.15	1.48 ×10^-8
聚2-氯苯胺膜	20	0.55	0.05	0.03 ×10^-8
季胺基膜SB-6407	42	2.1~2.5	0.15	1.62×10^-8

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电渗析水处理除氟的研究进展及主要影响因素

Research progress and the main influencing factors of fluoride removal by electrodialysis water treatment

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