双极膜在电膜分离过程的应用研究

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1、摘要摘要双极膜(BipolarMembrane，简称BPM)是一种由阳离子交换层、界面亲水层和阴离子交换层复合而成的新型离子交换膜，其特点是反向加压时界面层内自动发生水解离，且水解离产物旷和OH‘离子分别朝向膜两侧的主体溶液迁移。双极膜与电渗析以及填充床电渗析的耦合技术可以满足生产、资源再生和废液处理三同时，目前研究涉及化工、生物、环保、能源等多个领域。双极膜电渗析(BMED)技术可用于制备有机酸、脱除无机盐、电酸化等，双极膜填充床电渗析(BMEDI)技术可用于制各超纯水、直接再生离子交换树脂等。本文分别对BMED与BMEDI技术进行了实验研究。选取发酵法生产柠檬酸(H3Cit)

2、的发酵液为研究对象，对BMED技术将发酵液中的柠檬酸钠(Na3Cit)转化为产品H3Cit的工艺过程进行了实验研究。以电膜分离过程和可逆化学反应为切入点，探讨了电流密度、Na3Cit初始浓度、酸室和碱室结构对过程的回收率、电流效率和单位产酸能耗的影响。在本文的实验条件下，H3Cit的回收率达到了97．15％，并获得以下研究结果：第一，升高电流密度会同时增加进入和迁出酸室的矿离子数量，因此与Cit3‘离子形成H3Cit的数量变化由二者共同决定。第二，一等阳离子以水合形式穿过阳离子交换膜，导致H3Cit溶液被浓缩，抑制产酸反应进行。实验证明，采用在隔室中填充离子交换树脂降低电阻的方法

3、可以缓解上述不利影响；另外，增加Na3Cit溶液初始浓度会三倍的增加Na+离子浓度，离子过膜迁移加快了酸室循环液水分子的流失。第三，在碱室填充树脂既可避免使用电解质溶液又可获得纯碱液回用于上游工艺，无废水排放；第四，碱室的BPM被阴离子交换膜代替后，虽然节约了膜成本，但单位产酸能耗升高，酸回收率和电流效率下降。采用低浓度含Ni2+离子溶液模拟电镀镍漂洗废水作为原水，以消除膜堆内部金属氢氧化物结垢问题以及同时浓缩和回收废水中的Ni2+离子为实验目标，对BMEDI膜堆构型及操作条件进行了探索。设计出一种含有两个淡化室、一个浓水室和阴、阳电极室的膜堆构型。通过对比不同工作电流密度下BM

4、EDI实验现象和参数的变化，发现随着工作电流密度的升高，BPM水解离对树脂表面水解离的抑制作用逐渐增强，并进而提出酸化．浓缩．酸化的操作方式彻底解决膜堆内摘要部金属氢氧化物的结垢问题。实验结果表明，以含24mg．L‘1Ni2十离子的NiS04溶液为原水，在40mA·cm也电流密度下浓缩19小时后，浓缩液中Ni2+离子浓度达到743mg．L～，约将原水浓缩近31倍，整个过程中未从淡水出水中检测到Ni2+离子的存在，膜堆内部没有观察到绿色的Ni(OH)2沉淀。本文的实验研究表明，在电渗析和填充床电渗析器中引入双极膜，可以在保留其原始功能的同时实现常规反应器所不能进行的反应或分离过程，

5、使其应用价值得到进一步提升。关键词：双极膜水解离电渗析柠檬酸重金属IIAbstraetAbstractBipolarmembrane(BPIVl)isacompositemembraneconsistingofacationexchangelayer、ananionexchangelayerandallinterfacelayerbetweenthem．Underreversepotentialbias，BPMCansplitwaterinto矿andOH。iOIlSattheintefface．Thenthe旷andOH"ionsmigrateoutoftheinterface

6、throughthetwomonopolarlayersintotheoutersolutionsintheoppositedirection．ThetechnologycouplingBPMtoelectrodialysis(calledBMED)orelectrodeionization(caUedBMEDI)Canmeettherequirementofproduction、materialrecycleandwastewatertreatmentatthesametime．Nowadaystheirapplicationshaveextendedtomanyfieldss

7、uchaschemicalindustry、biologicalmedicine、environmentalprotectionandenergyutilization．SeveralBMEDexamplesusedfororganicproduction、desalination、electro-acidificationandBMEDIexamplesusedforhigh-purewaterproduction、．．ion-exchangeresinsregeneratio