重金属废水具有毒性、难降解性和生物富集性。含重金属离子的工业废水主要来源于机械加工、矿山开采、钢铁及有色金属冶炼和部分化工企业等，主要含有铬、镍、锌、锰、铜、铅、砷等。

目前，常见的重金属废水处理方法有化学沉淀法、扩散渗析法等。马建伟等^〔1〕采用硫化沉淀法处理贵重金属炼制废水中的重金属离子，最终出水中各重金属离子含量满足国家废水排放标准。但化学沉淀法处理成本高，效果不稳定，易造成二次污染，且无法回收酸，在处理过程中易生成其他物质，存在安全隐患^〔2-4〕。其课题组采用扩散渗析法处理酸性重金属废水，膜有效面积为800 cm²，在最佳实验条件下，扩散渗析装置运行2.5 h后达到动态平衡，平均金属离子截留率达到85%。但扩散渗析法采用的膜有效面积较大，且装置运行时间较长，导致其处理效率低下。电渗析作为一项成熟的技术，因效率高，能耗低，对分离组分选择性高，操作方便，对预处理要求低，原水回收率高，环境友好等显著优点而被广泛应用于水处理领域^〔5-6〕。单价选择性离子交换膜可通过各离子组分与膜亲和力的差异以及各组分的迁移速度在膜相中的差异性来实现各离子组分的选择性分离^〔7〕。本研究采用单价选择性离子交换膜电渗析法来处理酸性重金属废水，以探索其可行性。

实验采用某冶金企业生产排放污酸为原水，水质见表1。在分离重金属实验中，要求H⁺透过率达到80%，Zn²⁺、Cd²⁺泄漏率不超过20%。

采用JRBP3010-Ⅱ型电渗析设备（北京洁睿环保科技有限责任公司）。电渗析装置有4个隔室，分别为淡水室、浓水室和2个极水室；阳极采用钛涂钌电极，阴极采用不锈钢电极。选用日本ASTOM公司的单价选择性阳离子交换膜（CIMS）和山东天维膜技术有限公司的普通阴离子交换膜，膜主要性能见表2。膜有效面积为122.5 cm²（L=17.5 cm，B=7 cm），膜室体积为1.5 L，淡水室装有原水水样，浓水室装有同体积的去离子水，极水室装有0.5 mol/L Na₂SO₄溶液。

单价选择性阳离子交换膜可借助孔径筛分效应和静电排斥作用实现对一价、多价阳离子的选择性分离^〔8〕。在电场力作用下，淡水室中的H⁺通过单价选择性阳离子交换膜进入到浓水室中，而Zn²⁺、Cd²⁺被截留在淡水室中，Cl^-和SO₄^2-通过普通阴离子交换膜进入到浓水室中。这样浓水室中就只有H⁺、Cl^-和SO₄^2-，从而实现了重金属与酸的分离。电渗析实验装置如图1所示。

采用单因素法确定电渗析最佳电流密度、流量、电压及酸度，并在最佳条件下进行电渗析实验，测定淡水室和浓水室中各离子浓度，为后续浓水处理奠定基础。

H⁺浓度采用NaOH滴定法测定，Zn²⁺浓度采用EDTA滴定法测定，Cd²⁺浓度采用原子荧光分光光度法测定。

淡水室中H⁺、Zn²⁺、Cd²⁺的分离效率^〔9〕按式（1）计算。

(1)

式中：η_i—分离效率，%；

C_i0—淡水室中i物质的初始浓度，mol/L；

C_i1——淡水室中i物质的最终浓度，mol/L。

淡水室中膜的选择透过性^〔10〕按式（2）计算。

(2)

式中：PA2+H+——淡水室中膜的选择透过性；

t——通过膜的离子的迁移数；

J——通过膜的离子通量，mol/（m²·s）；

c——淡水室中的离子浓度，mol/L。

淡水室中膜的单价选择性分离效率^〔5〕按式（3）计算。

(3)

式中：S（t）——淡水室中膜的单价选择性分离效率，%；

c_t（A）——淡水室中物质A最终浓度，mol/L；

c_t（B）——淡水室中物质B最终浓度，mol/L；

c₀（A）——淡水室中物质A初始浓度，mol/L；

c₀（B）——淡水室中物质B初始浓度，mol/L。

在电流密度分别为10、15、20、25、30 mA/cm²，流量为20 L/h的条件下进行电渗析实验。155 min时，各电流密度下离子分离效率如图2所示。

由图2可以看出，电流密度增加时，H⁺透过率逐渐增大，Zn²⁺泄漏率整体趋于上升，Cd²⁺泄漏率先降低后上升。这是因为随着电流密度的不断增大，电场力逐渐增强，膜表面排斥力的阻碍作用逐渐减小，H⁺的迁移速度逐渐上升。当电流密度为10 mA/cm²时，相对于Cd²⁺，离子交换膜对H⁺的单价选择性较低，导致Cd²⁺泄漏率较高；电流密度为30 mA/cm²时，H⁺透过率达到95%，淡水室中的H⁺很少，电场力较强，膜表面产生的阻碍作用微乎其微，因此，Zn²⁺、Cd²⁺会快速迁移。

实验结果表明，电流密度为20、25 mA/cm²时，离子分离效率均能满足处理要求。此时，电渗析运行时间分别为159、140 min，能耗分别为0.032、0.042 kW·h。从能耗角度考虑，电流密度为20 mA/cm²时，耗能最低。但从Zn²⁺、Cd²⁺分离效率来看，电流密度为25 mA/cm²时分离效果更好。综合考虑，选择25 mA/cm²为最佳电流密度。

此外，在最佳电流密度下，180 min内膜选择透过性平均值为19.74、69.12，膜单价选择性分离效率平均值达到67.95%（H⁺:Zn²⁺）、83.08%（H⁺:Cd²⁺）。可见180 min时膜对Cd²⁺的单价选择性高于对Zn²⁺的单价选择性，但总体效果都比较理想。

在电流密度为25 mA/cm²，流量分别为10、15、20、25、30 L/h的条件下进行电渗析实验，155 min时各流量下的离子分离效率如图3所示。

由图3可见，随着流量的增加，H⁺透过率逐渐增大，Zn²⁺、Cd²⁺泄漏率先降低后上升。主要原因是随着流量的不断增大，相同时间内电渗析完成的循环次数增多，H⁺的迁移率逐渐升高。流量为10 L/h时，相对于Zn²⁺、Cd²⁺，离子交换膜对H⁺的单价选择性较低，导致Zn²⁺、Cd²⁺泄漏率较高；流量为30 L/h时，H⁺透过率达到97%，淡水室中H⁺极少，电渗析完成的循环次数增多，Zn²⁺、Cd²⁺迁移率增大。

流量为15 L/h、电渗析运行时间为155 min时，能耗最低，为0.042 83 kW·h，且分离效果最好。因此，选择15 L/h为最佳流量。在此流量下电渗析168 min，对阳离子的单价选择性相对较高（见图4）。

当电流密度为25 mA/cm²、流量为15 L/h、电渗析运行168 min时，实验对重金属离子的分离效果最佳。此时，淡水室中H⁺的透过率达到85%，Zn²⁺、Cd²⁺泄漏率均达到12.86%。

在流量为15 L/h，电压分别为3、4、5、6、7 V条件下进行电渗析实验。155 min时各电压下的离子分离效率如图5所示。

由图5可以看出，电压增加后H⁺透过率逐渐增大，Zn²⁺、Cd²⁺泄漏率整体趋于上升。这是由于随着电压的不断增大，电场力逐渐增强，膜表面排斥力的阻碍作用逐渐减小，导致H⁺的迁移速度升高。当电压达到7 V时，淡水室中剩余的H⁺很少，电场力较强，膜表面产生的排斥作用很小，Zn²⁺、Cd²⁺就会快速迁移。

结果表明，流量为15 L/h的条件下，电压只有在6 V时能够满足要求，但离子分离效果较差。电压为6 V、180 min内膜选择透过性平均值分别为14.12、20.47，膜单价选择性分离效率平均值分别为64.15%（H⁺:Cd²⁺）、73.85%（H⁺:Zn²⁺）。

由此可知，稳流状态下的膜单价选择性优于稳压状态。且稳压状态下Zn²⁺、Cd²⁺分离效果也不理想。因此进行电渗析实验时应选择稳流状态。

在电流密度为25 mA/cm²，流量为15 L/h，酸度分别为3%、4%、5%、6%、7%、8%的条件下进行电渗析实验。155 min时各酸度下的离子分离效率如图6所示。

由图6可以看出，随着酸度的增加，H⁺透过率反而降低，Zn²⁺泄漏率整体趋于下降，Cd²⁺泄漏率先降低后上升。主要原因是随着酸度的增大，H⁺越来越多，相同的迁移速度下H⁺透过率不断减小。酸度为3%时，淡水室中几乎没有剩余的H⁺，在电场力的作用下Zn²⁺、Cd²⁺会快速迁移；酸度为8%时，相对于Cd²⁺，离子交换膜对H⁺的单价选择性较低，导致Cd²⁺泄漏率升高。

实验结果表明，在电流密度为25 mA/cm²、流量为15 L/h的条件下，酸度为5%、6%时，各离子分离效率均能满足要求。综合比较，酸度为5%时处理效果最佳。

（1）在污酸酸度为5%，Zn²⁺、Cd²⁺初始质量浓度为20、5 mg/L的条件下，电渗析装置的最佳电流密度为25 mA/cm²，淡水室和浓水室适宜进水流量为15 L/h，运行时间为168 min。在最佳条件下，淡水室中H⁺的透过率达到85%，Zn²⁺和Cd²⁺泄漏率均为12.86%。

（2）电渗析装置在稳流条件下的重金属分离效果优于稳压条件。因此，采用电渗析法分离重金属时建议选择稳流状态。

（3）酸度对分离重金属效果影响较大，实验中酸度为5%时处理效果最佳。