双极膜的应用与展望

双极膜应用与展望双极膜应用展望离子交换膜从1890年发现至今已有100多年的发展史，国内外已开发出了多个品种，并在化工生产、海水综合利用、脱盐等方面得到了广泛应用，特别是上世纪八十年代双极膜的工业化，使离子交换膜的应用领域得到了大大的拓宽，并使离子交换膜应用的经济性、合理性、全面性实现了突破性进展，它的应用将给一些化工产品生产、化工及冶金工业废水处理、生化、有机电化学、工业废气等多个领域带来革命性的变化；它的应用将改变基础化工原料的产业结构；它的应用会使一些大量使用酸碱的行业的酸碱实现循环利用成为可能；它的应用对化工、冶金清洁生产技术的进步起到独特的关键性的作用，它使企业对污水和废气进行彻底治理的同时，不但不会增加企业的负担，而且还会降低产品的生产成本，提高产品质量，给企业带来更高的经济效益，使企业真正达到零排放。

总之，双极膜的应用，对节能减排，发展循环经济，节约资源，提高资源利用率，解决保护环境与发展经济之间的矛盾都具有重大深远的战略意义。

一、离子交换膜离子交换摸是电膜过程的“心脏”，通常是由骨架状有机高分子聚合物或无机高分子聚合物所构成的膜状物和附着在骨架上的固定离子基团构成。

当离子基团是阴离子时，阳离子可以与其中的阴离子基团结合，进入膜内，在直流电场的作用下，阳离子可在膜内沿电场方向向阴极方向迁移，进而到达膜的另一侧，而阴离子由于同电相斥原理，而不能进入并穿过该膜，简言之，它只允许阳离子通过，所以这种膜被称为阳离子交换膜，与之相反，当离子基团是阳离子时，它只允许阴离子通过，故此称之谓阴离子交换膜。

二、双极膜双极膜是在同一张离子交换膜上，一侧带有固定阴离子基团（称之为阳离子交换层），而另一侧带有固定阳离子基团（称之为阴离子交换层）它的这一结构赋予了该膜的一些特殊性能。

一方面阴离子和阳离子均不能穿过该膜，另一方面，它能把水分子离解成H+和OH-，并在“正”直流电场作用下，分别从阳离子交换层和阴离子交换层迁出，该膜称之为双极膜。

它的工作原理如图1：图1：双极膜工作原理三、双极膜电渗析原理双极膜与阳离子交换膜和阴离子交换膜同时或分别进行组合，构成双极膜电渗析单元，双极膜电渗析单元有三种，即：双极膜与阴、阳离子交换膜组合；双极膜与阳离子交换膜组合；双极膜与阴离子交换膜组合，三种组合型式可在实际应用中实现不同的分离效果，它们的工作原理如下：1、双极膜与阴离子交换膜和阳离子交换膜的组合（如图2）BP——双极膜C——阳离子交换膜A——阴离子交换膜+——阳离交换膜（层）-——阴离子交换膜（层）M+——阳离子A-——阴离子图2：双极膜与阴、阳离子交换膜组合单元工作原理图从图中可以看出，在电场的作用下，盐室阳离子向阴极方向迁移，通过阳离子交换膜进入碱室，与双极膜电离出的OH-结合生成碱，而盐室中的阴离子则向阳极方向迁移，通过阴离子交换膜进入酸室，与双极膜电离出的H+结合形成酸，这样，盐室中的盐被脱除，并转化为相应的酸和碱。

这种组合型式适用于强酸强碱盐的分离过程。

2、双极膜与阳离子交换膜的组合（如图3）BP——双极膜C——阳离子交换膜+——阳离交换膜（层）-——阴离子交换膜（层）M+——阳离子A-——阴离子图3：双极膜与阳离子交换膜组合单元工作原理图从图中可以看出，在电场的作用下盐室的阳离子向阴极迁移，通过阳离子交换膜进入碱室，与双极膜电离出的OH-结合形成碱，剩下的阴离子与双极膜电离出的H+ 结合形成酸，盐室形成酸与盐的混合物，这种组合型式适用于强碱弱酸盐的分离和碱回收过程。

3、双极膜与阴离子交换膜的组合（如图4）BP——双极膜A——阴离子交换膜+——阳离交换膜（层）-——阴离子交换膜（层）M+——阳离子A-——阴离子图4：双极膜与阴离子交换膜组合单元工作原理图从图中可以看出，在电场的作用下盐室的阴离子向阳极迁移，通过阴离子交换膜进入酸室，与双极膜电离出的H+结合形成酸，剩下的阳离子与双极膜电离出的OH-结合形成碱，盐室形成碱与盐的混合物，这种组合形式使用于强酸弱碱盐的分离和酸回收过程。

四、双极膜电渗析器的工作原理双极膜电渗析器是由上述的一种多个双极膜电渗析单元叠加在一起和两端的电极组成，由于双极膜电渗析单元有三种，因此，双极膜电渗析器也有三种，由多个双极膜与阴、阳离子交换膜组成的双极膜电渗析单元叠加而成的双极膜电渗析器称为三室双极膜电渗析器，由多个双极膜与阳离子交换膜组成的双极膜电渗析单元叠加而成的双极膜电渗析器称为单阳膜二室双极膜电渗析器，由多个双极膜与阴离子交换膜组成的双极膜电渗析单元叠加而成的双极膜电渗析器称为单阴膜二室双极膜电渗析器。

1、三室双极膜电渗析器工作原理（如图5）+——阳离交换膜（层）-——阴离子交换膜（层）+-——双极膜图5：三室双极膜电渗析器工作原理图根据上图看出三室双极膜电渗析器可将盐转变为酸和碱，盐得到脱除。

可用于强碱强酸盐的分离。

2、单阳膜二室双极膜电渗析器工作原理（如图6）+——阳离交换膜（层）+-——双极膜图6：单阳膜二室双极膜电渗析器工作原理图根据上图可以看出，单阳膜二室双极膜电渗析器可将盐转化为碱和稀盐与酸的混合物，可用于碱回收和强碱弱酸的分离。

3、单阴膜二室双极膜电渗析器工作原理（如图7）+——阳离交换膜（层）+-——双极膜图7：单阴膜二室双极膜电渗析器工作原理图从图中可以看出，单阴膜二室双极膜电渗析器可将盐转化为酸和稀盐 与碱的混合物，可用于酸回收和强酸弱碱的分离。

五、双极膜电渗析器的优缺点。

1、双极膜电渗析器的优点（1）双极膜电渗析器的主要特性是将水溶性（或其它溶剂）盐转化为相应的酸和碱的溶液，它不发生氧化还原反应，对于一些易被氧化或还原的产品来说，可得到预期的产物，而电解则有氧化还原反应。

如氯化钠的电解的总反应式为：↑+↑+−−→−+2220Cl H OH N H Cl N a a 电解而双极膜电渗析器的反应为：OH N HCl H Cl N a a +−−→−+直流电02尽管双极膜电渗析器在两极也发生氧化还原反应，但它与电解相比量很小，另外，两个极室与中间的单元是独立的，极少混入产物中。

（2）相对电解，双极膜电渗析器使用的电极较少，这样会减小设备体积和投资，避免了大量的电极消耗和电极能耗。

（3）实现酸碱的循环使用。

达到零排放，节约资源，对于一些在生产过程中使用酸碱形成盐的场何，可利用产生的盐转化为酸碱，实现循环使用，它的费用远低于购入酸碱的费用，这样可以降低产品的生产成本和废物排放，并避免了新购入酸碱所带来的一些新杂质，为后续产品的精制减轻了负担，提高了产品质量，对于使用酸或碱而产生“废酸”或“废碱”的场何，可利用双极膜电渗析将其纯化回收循环使用，达到减少排放，降低废水处理费用，实现废水的零排放之目的，另外，还可以避免废水对产品的夹带，提高产品收率。

2、双极膜电渗析器的缺点（1）由于各种离子交换膜的选择透过性不是100%，因此，所产出的酸和碱均带有一定量的盐，能进一步精制尚可，对不能精制而对产品纯度要求又较高的场何，这一缺点是致命的。

（2）对进入设备的溶液中的杂质，特别是高价阳离子要求较高，需精制。

（3）产品的浓度稍低。

六、双极膜的应用与展望1、无机化工方面一般情况下，水溶性无机盐制水溶性无机酸和水溶性无机碱以及水溶性无机酸和水溶性的无机碱的回收，均可通过双极膜电渗析来实现，如钾盐：KCl DNO3KF K2SO4KClO3KClO4KBF4等等；钠盐：N a Cl N a NO3N a2SO4N a ClO3N a ClO4N a2B4O7N a B r N a2SO3等等；铵盐：NH4Cl (NH4)2B4O7NH4B r(NH4)2SO3NH4NO3NH4F 等等，均能得到相应的酸和碱，但用于生产酸碱作为产品销售，它的经济性，产品结构的适应性，质量指标的适应性均有待进一步考查，对于以上废盐制酸碱并实现循环利用这是可行的。

现在一般市售碱均为氯盐法，含有一定量的氯离子，一些对氯离子有严格要求的产品能否使用含有其它阴离子杂质的碱来合成，这也是一个非常值得研究的问题。

基于双极膜电渗析的这一特性，对于一些无机化工生产过程有着极其特殊的意义。

在海水提溴过程中，海水首先要进行酸化，然后通氯氧化、空气吹除碱吸收。

这一过程需耗用酸和碱，如用双极膜电渗析，将海水酸化同时制碱，碱用于吸收溴素，这一过程可与海水淡化工程相结合，利用海水淡化后的浓水，除提溴外还可制碱和酸，避免浓水回海，造成海水盐度增加破坏海洋生态，可谓一举多得。

在氯碱生产过程中，同样存在类似问题，精盐电解前需酸化，而粗盐液精制前要进行碱化，如利用双极膜电渗析，将精盐酸化，将制得的碱应用于粗盐液精制，可节省大量酸碱，降低能耗。

在烷基化反应中，采用HF做为催化剂，洗液是KF，通过双极膜电渗析转化为HF循环使用，而氢氧化钾则用于HF酸洗液。

对于一些多酸盐类化合物的制取可用单阳膜双室双极膜电渗析进行转化。

如重铬酸钠的制备，一般是用铬酸钠进行酸化，然后分离制得，如果利用双极膜电渗析，从铬酸钠分子中移出一个钠离子，利用双极膜产生的H+实现“无阴离子酸化”，这在化工生产中无疑是一个新的酸化方式，类似的还有，如钨酸铵生产偏钨酸铵，钼酸铵转化为仲钼酸铵。

这一过程对后续分离精制带来极大的方便，提高了产品的纯度。

在一些金属氢氧化物和金属氧化物，特别是无机颜料的生产过程中，消耗酸碱，并副产含盐废水，在有些产品生产工艺中可实现酸碱的循环利用，在这方面有很大的应用空间，值得去探讨和实验，如钼酸生产过程中消耗氨水和硝酸，转化为硝酸铵，生成酸碱可循环利用；碱法活性氧化铝生产过程中，使用氢氧化钠和硝酸，副产硝酸钠，转化成酸碱可循环使用；碱法钛白粉生产大量使用氢氧化钠和硫酸副产硫酸钠，由于使用的酸浓度不是很高，因此也可以利用双极膜电渗析分离出酸碱并循环利用；苦卤粉生产活性氧化镁等等。

另外，一些产品利用双极膜电渗折来生产工艺也值得探讨，如BaCl2+NaOH+生产Ba(OH)2。

能否采用双极膜法；二氧化氯生产，一般采用氯酸钠酸性条件下用还原剂还原，能否采用双极膜电渗折脱钠酸化，再进行还原；菱镁矿制氢氧化镁，副产氯化铵的循环利用；离子交换树脂转型废液处理等等。

2、在湿法冶金与金属加工方面双极膜电渗析在湿法冶金和金属加工领域的污水治理和酸碱循环利用方面有着极其重大的意义，越来越受到人们的关注。

在湿法冶金与金属加工行业的生产过程中，会有大量含金属离子的酸溶液、碱溶液以及盐溶液产生，它的循环再利用会大大降低它们的生产成本，同时也适应了当前企业面临的节能减排，保护自然环境的要求；生产成本的降低和冶炼技术的提高会使当前一些低品位矿物也有其利用的价值，从而大大缓解资源紧缺状况。

但应用时会涉及传统工艺的一些改变，还需做大量的基础研究工作，一些被认为污染大，消耗高的老工艺可能被重新使用或改进，扬其长，避其短。