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1、探析双极膜技术在环境工程中应用 摘要：本文简述了双极膜基本理论，介绍了双极膜技术在环境工程中的一些应用实例，详细分析了其研究现状及发展状态。关键词：双极膜；离子交换膜；水解离；环境工程中图分类号：TN431文献标识码：A文章编号：前言膜一般定义为两相之间的不连续区间,它是把两相分开而又使之互相关联,发生能量和质量传递以及进行化学的反应的中间介质。由于具有选择性好、效率高、能耗低、操作条件温和等许多突出特点,正在逐步取代一些传统的单元操作如精馏、萃取、常规反应等,以膜为基础的分离过程已显示了巨大的生命力,对环境工程及其相关工业产生了深远的变革。双极性膜,是近年来发展比较迅
2、猛的一种新膜,它通常由阳离子交换层(N型膜)和阴离子交换层(P型膜)复合而成的一种新型离子交换复合膜,是近年来从离子膜中分开并单独成为比较活跃的研究领域,近年来双极膜的研究已成为膜领域内的一个极其重要的分支。，双极膜的应用从化工行业扩展到生命科学、环境科学、能源等诸多领域。1双极膜的主要性能71.1双极膜水解离电渗析电渗析法近15年来,水的脱盐淡化、制盐等领域增长率都保持在15%左右,其中以水的脱盐规模最大,其次是超纯水的制备。但这些领域都已经成熟、且市场容量接近饱和,所以开发新的应用领域就非常必要了。目前国外已把研究和开发的重点转移到水解离技术和水压渗技术上,水解离技术
3、已成为目前市场增长率最快的生长点。所以以双极膜(BPM)为基础的水解离技术已成为电渗析技术中现在研究和应用的首要目标.双极膜一般指由阴离子交换树脂层(AL)和阳离子交换树脂层(CL)及中间界面亲水层组成,在直流电场作用下,它能将水直接解离成H+和OH-。Frilete最早发现阴、阳离子交换膜中水解离现象,并导致电渗析膜面上形成钙镁垢的生成,和溶液中产生中性扰乱现象,这并不是我们所希望的.但由于它在离子膜表面能将水直接解离成H+和OH-,所以人们想到利用这一现象通过双极膜的途径,将水直接解离成H+和OH。可以使盐生成相应的酸和碱。在图2中,电极通电时,反应过程有氢气和氧气产
4、生。阴极在1N酸中的电解反应：H2O→1/2O2↑+2H++2e理论电位：1.229V7阳极在1N碱中的电解反应：H2O+2e→H2↑+2OH-理论电位：0.828V总的电解反应：3H2O→1/2O2↑+H2+2H++2OH-总电位：2.057V如图2所示，在直流电场作用下，双极膜中间层水解离时的反应：2H2O→H3O++OH-，其总的理论电位为0.828V。可见，用双极膜产生H+和OH-具有能耗低、过程无副产物氧气、氢气生成等优点，且在双极膜电渗析器中只需一对电极，结构可更紧凑。1.2双极膜的双重电荷排斥性首先，双极膜这种材料有一定的孔径，并且阳膜阴膜荷有不同电荷，使得
5、双极膜具有“筛分效应”与“荷电效应”，当双极膜两侧的分离推动力为压力差时，它会象其它荷电膜一样，完成的是介于超滤和反渗透之间的操作——“钠滤”。但由于双极膜的双重电荷排斥性，双极膜钠滤又具有独特的优点。单一的荷电膜只能分离同离子，但双极膜则对2价阳离子、阴离子同时具有截留作用，可同时将1价、2价阳离子、阴离子分离。2双极膜在环境工程中的应用2.1双极膜就地生产酸碱用于树脂再生7传统的树脂再生剂一般采用浓酸、浓碱的稀释液，需要专门的浓酸碱储存装置，安全隐患大，工业生产这些酸碱会污染环境，同时再生后的废液的排放也会对环境造成威胁。用双极膜电渗析器电解盐类可以得到相应的酸碱，如
6、电解NaCl可以得到低浓度的NaOH和HCl。2.2有机酸的制造根据有机酸盐易电离和有机酸离解度小的特性,可利用双极膜电渗析器直接将有机酸盐转化为纯度较高的有机酸。这种电渗析器的基本单元由二张双极膜和一张阳膜组成,这三张膜把电渗析器分成酸室和碱室,有机酸盐MR直接进入酸室,在直流电场作用下,双极膜阳膜侧析出的H+进入酸室,与有机酸根离子R-结合生成难电离的有机酸分子,被H+置换出的金属离子M+则在电场作用下通过阳膜进入碱室,因此该转化器可达到将有机酸盐转化为有机酸及副产品碱的目的,蒋维钧等已利用该装置对葡萄糖酸钠进行转化,证明是可行的。2.3金属离子的分离和富集Co和Ni
7、的性质有许多共同之处,一般很难将这二种物质分离,但利用双极膜和配位化学的结合很容易将这两种物质分离,该过程用下述二个电渗析器(A和B)来完成。将Co2+、Ni2+混合液加入A器的2室,在A电渗器的3室加入配位剂乙酰丙酮(以R2表示),通电时,2室中的Co2+、Ni2+进入3室,由于NiR2稳定常数更大,因此Co2+不与R2作用(在Ni2+存在下),直接进入47室最后迁移到没有配位剂的5室中。3室中主要为含NiR2的溶液,把此溶液引入B电渗器中的4室,利用双极膜产生的H+而置换出配位剂,离解的Ni进入B电渗析器5室中,再生后的B
