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