双极膜电渗析技术在有机酸生产中的应用进展

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1、双极膜电渗析技术在有机酸生产中的应用进展  在最近的10几年里，双极膜电渗析技术(Elec-TrodialysiswithBipolarMembrane，EDBM)的理论和应用研究获得了突飞猛进的发展。双极膜的应用研究已经深入到环境、化工、生物、食品、海洋化工和能源等各个方面。但是真正用于大规模生产的，主要也就是在有机酸发酵生产中的应用了。采用双极膜电渗析技术可以浓缩发酵液中的有机酸，可以除去发酵液中的无机盐离子。对于发酵产物为有机酸盐的，还可以实现从有机酸盐到有机酸的转化，而不需要另外加酸，也不产生任何酸碱盐废液。因此能够减少环境污染，降低化工原料和能源消耗，具有显著的工业应用价

2、值和环境效益。同时因其产品回收率高、纯度高，而由此导致的产品质量提高所带来的经济效益更令人振奋。所以从1995年后，在美国、意大利、日本、法国和德国等都纷纷建立了双极膜电渗析法生产有机酸或氨基酸的工厂，而国内大多还只停留在实验研究阶段。我们也正在从事这方面的研究，但由于双极膜价格贵，设备一次性投入很大，因而在大规模生产上还不是很普及。所以若能在双极膜本身的生产方面有所突破，那么双极膜电渗析技术在有机酸生产中的应用前景将会非常乐观。1双极膜电渗析技术生产有机酸的原理双极膜是近年来发展比较迅猛的一种新型离子交换复合膜，由阴、阳膜层缔合而成，在电场的作用下，阴、阳膜层的界面就会发生水的解

3、离，产生H+和OH-．H+可与阴离子结合成酸，OH-可与阳离子结合成碱，这就是双极膜能够实现制酸、制碱的关键所在。据理论计算，制备1mol/L25℃的酸和碱，双极膜的理论电势只有0.83V，而电解需2.1V，因此利用双极膜进行水解离制备酸和碱比直接电解水要经济得多。双极膜电渗析技术是在离子交换基础上发展起来的一种高效膜分离技术，其基本依据是离子在电场作用下的定向运动和离子交换膜的选择透过性，以及双极膜特有的水解产生H+、OH-的能力。在此法中同时还有配套使用的阴膜和阳膜。阳膜通常含有带负电的活性基团，能透过阳离子，阴离子则受到阻挡；而阴膜通常含有带正电的活性基团，能透过阴离子，但排

4、斥和阻挡阳离子。这就是离子交换膜的选择透过性。双极膜因其由阴阳膜缔合而成，所以兼具阴阳膜的特性；同时产生了新的特性：在电场作用下能解离水，产生H+和OH-。双极膜电渗析法有三种基本的结构模式：三室式和两种二室式。如图1(略)所示的三室式中，一个单元由双极膜、阴膜和阳膜分隔组成酸室、盐室和碱室。有机酸盐MX进入中间的盐室后，在电场作用下，其阳离子M+通过阳膜进入碱室，与双极膜分离出来的OH-形成碱MOH；而阴离子X-则通过阴膜进入酸室，与双极膜分离出来的H+形成有机酸HX。所以，应用这种电渗析法可由盐同时制得纯酸与纯碱。二室式电渗析有两种，图2(略)所示的可称为产碱的二室式。两张双极

5、膜间用阳膜分隔成盐室和碱室。有机酸盐MX的溶液进入左边盐室，在直流电场作用下，双极膜阳膜侧析出的H+直入盐室，与有机酸阴离子X-结合成有机酸分子；M+则在电场作用下通过阳膜进入右边碱室，与双极膜产生的OH-形成碱。这种电渗析法可由有机酸盐制得一种纯碱和酸与盐混合液。另一种可称为产酸的二室式。如图3(略)所示，两张双极膜间用阴膜分隔成酸室与盐室。有机酸盐MX进入右边盐室，在直流电场作用下，阴离子X-通过阴膜进入左边酸室，形成酸HX；而在盐室中的M+与双极膜产生的OH-形成碱。这种电渗析法可由有机酸盐制得一种纯酸和盐与碱的混合物。2双极膜电渗析法与传统工艺相比的优势传统的有机酸发酵生产

6、下游处理工艺大多是酸化沉淀法。因为很多有机酸的发酵过程是先得到有机酸盐，然后进一步转化成相应有机酸的。酸化沉淀法一般是用硫酸酸化有机酸盐，生成硫酸盐和相应的有机酸。这一生产工艺包括酸解、沉淀、过滤等过程，不仅需要消耗大量硫酸，而且过程复杂，生产劳动强度大，形成大量废液、废渣污染环境，特别是产品收率低。所以很多人就试图采用离子交换法、电渗析法(ED)以及新型的双极膜电渗析法(EDBM)。离子交换法是使有机酸盐溶液通过酸型阳离子交换柱，其中金属离子与阳离子交换树脂上的氢交换，从而转化成有机酸。这种方法所用的离子交换柱体积庞大，离子交换树脂需反复再生，操作复杂，还要消耗大量的酸碱和洗涤用

7、水，并产生大量废液。普通电渗析法利用离子交换膜(阴、阳膜)在电场作用下的选择透过性，处理有机酸盐发酵液，得到有机酸，过程相对简单，消耗化工原料相对减少，污染也少。但其不能自行产生H+，所以依然要加入大量的酸，然后产生大量相应的盐。若用双极膜电渗析直接从发酵液生产有机酸，借助于双极膜离解的H+将发酵液中的有机酸根转化为有机酸，离解的OH-和发酵液中的阳离子结合形成碱，再回用于发酵。这样极大程度地减少废物排放、环境污染，降低化工原料和能源消耗，具有显著的工业应用价值和环境