双极膜电渗析的组装方式及其功用.TextMark(精)
海南双极膜电渗析
海南双极膜电渗析海南双极膜电渗析是一种利用膜分离技术进行物质分离的方法。
它是在电场作用下，通过膜的选择性渗透作用，将溶液中的离子或分子分离出来的一种方法。
双极膜电渗析技术在海南地区得到了广泛应用，并在水处理、海水淡化、废水处理、生物医药等领域取得了显著的效果。
双极膜电渗析技术的原理是基于膜的渗透性和电场的作用。
膜是由一层或多层选择性渗透性材料组成的，可以选择性地让溶质通过，而阻止其他组分通过。
在电场作用下，正负极电解液分别注入到两侧的电解槽中，形成电场。
当电解液中的离子或分子进入膜孔时，根据其电荷性质和大小，会受到电场力的作用，使其向相应的极板迁移。
通过调整电场强度和膜孔大小，可以实现对不同离子或分子的分离。
海南双极膜电渗析技术具有许多优点。
首先，它可以高效地分离多种离子或分子，具有很好的选择性。
其次，该技术操作简便，设备成本低，能耗小。
另外，该技术对处理水质的适应性强，可以处理高浓度的溶液，适用于不同的应用场景。
此外，双极膜电渗析还可以实现连续操作，提高了处理效率。
在海南地区，双极膜电渗析技术在水处理领域得到了广泛应用。
海南是一个海岛省份，水资源相对紧缺。
海水淡化成为解决供水问题的重要途径之一。
双极膜电渗析技术可以有效地去除海水中的盐分，使其变为可以使用的淡水。
此外，海南还有许多海水养殖场和海洋化工厂，产生大量的含盐废水。
通过双极膜电渗析技术处理这些废水，可以回收水资源和有价值的溶质，同时减少对环境的污染。
除了水处理领域，双极膜电渗析技术在生物医药领域也有应用。
例如，在药物制剂过程中，通过双极膜电渗析技术可以实现对药物溶液的浓缩和纯化，提高药物的纯度和产量。
此外，在生物分离和纯化过程中，双极膜电渗析技术也可以起到重要的作用。
海南双极膜电渗析技术是一种高效、经济、环保的物质分离方法。
在水处理、海水淡化、废水处理和生物医药等领域具有广泛的应用前景。
随着科技的不断进步和创新，相信双极膜电渗析技术在海南地区将会发挥更大的作用，为当地的可持续发展做出更大的贡献。
电渗析双极膜
电渗析双极膜
双极膜是一种电渗析设备，它具有高效率、低成本、良好的环境
友好性和安全性等优点。
由两端的聚合物或涂层的膜片构成的双极渗
析设备可以将非极性物质从溶液中分离出来，而不会增加溶液的温度。
双极膜的原理是在放电过程中利用电流的拉力效应。
在电解质膜
的电渗析过程中，外来的电子会影响双极膜的电位差，并引发分子离
子交换反应，最终使得一种物质逐渐从一端浓度减弱，从而封闭其另
一端，使另一种物质在另一端附近形成高浓度，使其另一端阻止物质
的穿越，从而实现高效分离。
双极膜可应用于水处理、医药、食品加工等行业，能有效地剥离
微量有机物、有机磷、营养素、氯代物等有害物质。
此外，它还可以
用于水质处理、污染物去除、医疗废水回用、废泥分离等应用领域。
双极膜有着极高的吸附和分离效率，具有体积小、反应速度快、
温度可调、操作简单等优点。
其有效使用电能，无需使用其他能源，
安装和运行费用较低，有利于节约能源，环境友好。
双极膜是解决水处理、作物补钾、废水回用等技术难题的首选设备，是一项创新性的应用技术。
它在保证水体卫生的同时，提高水的
利用率，改善水质，是人类社会的发展和经济的必要组成部分。
双极膜电渗析技术在有机酸生产中的应用进展.TextMark
文章编号:1007-8924(2007)03-0075-05双极膜电渗析技术在有机酸生产中的应用进展徐芝勇3,张建国(浙江大学生命科学学院,杭州310027)摘 要:双极膜电渗析技术能直接将水解离为H +和OH -,因而能在不外加酸的情况下使有机酸盐转化为有机酸,且不产生任何废液.这一特殊的优势是传统工艺中的酸化沉淀法、离子交换法和普通电渗析无法比拟的.近年来,双极膜在柠檬酸和乳酸等有机酸生产中的应用研究进展迅猛.因此现谨就双极膜电渗析技术的原理、与传统工艺相比的优势、在实验和生产方面的研究进展和对未来的展望作一综述,以指导相关的研究工作.关键词:双极膜;电渗析;有机酸;柠檬酸;乳酸中图分类号:TQ028.8 文献标识码:A 在最近的10几年里,双极膜电渗析技术(Elec 2trodialysis with Bipolar Membrane ,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[1],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/L 25℃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[2].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 -.收稿日期:2005-07-14;修改稿收到日期:2005-11-14作者简介:徐芝勇(1976-),男,浙江省淳安市人,硕士生,助理工程师,从事生物医药产品研发.3通讯联系人〈tar 2trate @ 〉第27卷 第3期膜 科 学 与 技 术Vol.27 No.32007年6月MEMBRAN E SCIENCE AND TECHNOLO GYJ un.2007 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所示的可称为产碱的二室式.两张双极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效益;且过程简单,产品回收率和纯度高,而由此导致的产品质量提高所带来的经济效益更为显著.表1就用直观的列表方式对这四种方法进行简单比较. ・76 ・膜 科 学 与 技 术第27卷 表1 双极膜电渗析法与传统工艺的比较Table1 The comparison of EDBM and traditional technics酸化沉淀法离子交换法 普通电渗析法 双极膜电渗析法消耗大量酸、碱或钙盐消耗大量的酸、碱消耗大量的酸不消耗任何酸、碱、盐产生很多酸、盐废液产生很多酸、碱废液产生很多盐废液不产生任何废液产生的废液难以回收产生的废液难以回收产生的高纯碱液可以回用产生的高纯碱液可以回用适应大规模生产不太适合于大规模生产能适应大规模生产能适应大规模生产回收率不高、纯度不高回收率不高、纯度高回收率高、纯度较高回收率高、纯度很高设备投入不高设备投入较高设备投入较高设备投入很高(目前)3 双极膜电渗析在有机酸发酵生产中应用的研究进展 在过去的10几年里,全球有10几家知名的工厂共装备了大约2500m2的双极膜.1986年双极膜电渗析技术首次在Washington Steel(US)公司用于从不锈钢浸洗液中回收氢氟酸和硝酸.从1995年后,在美国、意大利、日本、法国、德国和捷克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.值得一提的是,1997年Eurodia Industrie在法国建成了一个用双极膜电渗析法将有机酸盐转化为有机酸的工厂,年运行8000h,年产2600t.两个膜组型号为EU R20-240,组装膜81m2.其有机酸的转化率(纯度)98%,浓度达到390g/L,但原文中未透露具体是哪种有机酸[1,3].3.1 柠檬酸双极膜电渗析技术在柠檬酸发酵生产中研究较多.Novalic等[4]深入地研究了三室式双极膜电渗析法分离柠檬酸的特性,研究的电流密度范围在30～100mA/cm2之间,其产出的柠檬酸浓度为20%～60%,产生的碱为1～3.5mol/L.Pinacci等[5]研究了用双极膜电渗析法从发酵液中提取柠檬酸的方法.他们比较了双极膜电渗析器的3种结构模式(如图1,2,3),认为“双极膜-阳膜-双极膜”的模式(如图2)能得到满意的结果,而另外两种模式不适合柠檬酸的生产.结果还显示在连续生产中转化率以80%为宜,再提高转化率时电能消耗就会陡升;在单批试验中转化率可达92%.Xu Tongwen等[6,7]也分析了这3种结构模式,得出与Pinacci相同的结论.另外他们认为柠檬酸钠的最佳起始浓度为0.5～1.0mol/L.3.2 乳酸在1989年,Nispen等[8]发明了一种用双极膜从发酵液中提取和纯化乳酸的方法.Hábová等进一步改进,采用两步法从发酵液中分离乳酸,并对影响结果的条件进行了大量的研究[9].最佳结果是:第一步用普通电渗析(ED)浓缩乳酸盐达到175g/L,第二步再用双极膜电渗析转化乳酸,使含量达到151g/L.Li Hong等[10]直接制作了一个双极膜电渗析生物反应器,整合在发酵设备中,实时提取生成的乳酸.生物反应器还备有自动p H传感器,在不另加碱的情况下,就能自动调节好p H.另外还发现通过这样的生物反应器及时地分离乳酸,降低了发酵的产物抑制,提高了乳酸的产出率.3.3 酒石酸林涛、余立新[11]通过实验证实了二室式和三室式双极膜电渗析法用于从酒石酸盐制备酒石酸过程的可行性,系统研究了制备过程中的电流效率、能耗、产品浓度和纯度等技术指标.实验表明:在二室式中,以15%的钠盐进料,循环210min,可以使97112%的钠盐转化为酸,平均电流效率为82.9%,电能消耗2.09kW・h/kg酸;三室式中以10%的钾盐进料,318min后可得到纯度为99.9%的酒石酸溶液,电流效率为91.8%,能耗为7.04kW・h/kg.同时他们指出两个重要问题,其一是当酒石酸盐浓度较高时,电渗析过程中容易形成酒石酸氢钠晶体而损害膜;其二是要得到高纯度酒石酸溶液就必须延长转化时间,但是电渗析到后来时,电流效率是相当低的,势必会耗费大量电能而造成经济上不合算.他们建议除去少量Na+的任务可再加一步小负荷的离子交换来完成.这可能也是今后研究所面临的主要问题.3.4 其他有机酸早在1992年,蒋维钧等[12]就申请了“双极性膜电渗析法制备有机酸的设备与工艺”的专利.他们以葡萄糖酸为例,采用1.2mol/L的葡萄糖酸钠液为原料,电流密度100mA/cm2,循环6h后转化率达到98%. 第3期徐芝勇等:双极膜电渗析技术在有机酸生产中的应用进展・77 ・ Trivedi[13]、Yu Lixin[14]等就双极膜电渗析在乙酸回收或生产中的应用也有相应的报道.Yu Lixin[15]还对双极膜电渗析在维生素C生产中的应用进行过系统研究.研究结果表明,转化率高达98%,平均电流效率达70%,平均耗电1.0kW・h/kg,制得的粗维生素C产品符合工业生产要求.另外,Alvarez等[16]在水杨酸,余立新等[17]在牛磺酸,曾小君[18]在亚氨基二乙酸方面都有相应的研究报告,但都限于实验阶段.4 展望虽然国内外双极膜电渗析技术的研究进行得如火如荼,国外应用于大规模生产也有将近20年历史,但由于双极膜的价格一直比较贵,生产设备一次性投入非常大,所以国内基本未见应用于大规模生产;并且国内生产的双极膜与国外高质量的双极膜还有相当明显的差距.因此需要大力加强膜本身的研究,降低膜的成本和膜电阻,提高膜的抗污染能力;同时开发更适合于有机酸生产的低价的双极膜电渗析器.总的来说,双极膜电渗析技术生产有机酸,过程简单,消耗化工原料少,无污染,产品回收率高、纯度高,易于工业放大和实现自动化及连续操作,并且可以和发酵偶联,降低产物反馈抑制效应,提高发酵产率.所以只要在双极膜本身的研究方面有所突破,特别是双极膜的生产成本能够大幅度降低的话,那么双极膜电渗析技术在有机酸生产中的应用将会很快普及并代替传统的工艺.参考文献[1]Bailly M.Production of organic acids by bipolar electro2dialysis:realizations and perspectives[J].Desalination, 2002,144(1-3):157-162.[2]Xu Tongwen,Y ang Weihua,He Binglin.Water dissociationphenomena in bipolar menbrane:The configurations and theoretical voltage analysis[J].Science in China(Chem),1999,42(6):589-598.[3]G illery B,Bailly M,Bar D.Bipolar menbrane electrodialy2sis:The time has finally come[A].Presented at the16thInternational Forum on Applied Electrochemistry[C].Amelia Island Plantation FL,2002:10-14.[4]Novalic S,Okwor J,Kulbe K D.The characteristics of cit2ric acid separation using electrodialysis with bipolar mem2branes[J].Desalination,1996,105(3):277-282.[5]Pinacci P,Radaelli M.Recovery of citric acid from fer2mentation broths by electrodialysis with bipolar membranes [J].Desalination,2002,148(1-3):177-179.[6]Xu Tongwen,Y ang Weihua.E ffect of cell configurations onthe performance of citric acid production by a bipolar mem2 brane electrodialysis[J].J Membr Sci,2002,203(1-2): 145-153.[7]Xu Tongwen,Y ang Weihua.Citric acid production by elec2trodialysis with bipolar membranes[J].Chem Eng and Proces,2002,41(6):519-524.[8]Nispen V,Maria J G,Ronald J.A process for the fermenta2tive preparation of organic acids[P].EP0346983A2,1989 -12-20.[9]HábováV,Melzoch K,Rychtera M,et al.Electrodialysisas a useful technique for lactic acid separation from a model solution and a fermentation broth[J].Desalination,2004, 162(3):361-372.[10]Li Hong,Mustacchi R,Knowles C J,et al.An electroki2netic bioreactor:using direct electric current for enhanced lactic acid fermentation and product recovery[J].Tetra2 hedron,2004,60(3):655-661.[11]林 涛,余立新.双极性膜电渗析技术在酒石酸生产中的应用研究[J].化学工程,2002,30(3):58-61. [12]蒋维钧,林爱光,李 琳.双极性膜电渗析法制备有机酸的设备与工艺[P].CN1081120A,1994-01-26. [13]Trivedi G S,Shah B G,Adhikary S K,et al.Studies onbipolar membranes.Part II.Conversion of sodium acetate to acetic acid and sodium hydroxide[J].Reactive and Functional Polymers,1997,32(2):209-215.[14]Yu Lixin Yu,Lin Tao,Guo Qingfeng,et al.Relation be2tween mass transfer and operation parameters in the elec2 trodialysis recovery of acetic acid[J].Desalination,2003, 154(2):147-152.[15]Yu Lixin,Lin Aiguang,Zhang Liping,et al.Applicationof electrodialysis to the production of vitamin C[J].Chem Eng J,2000,78(2-3):153-157.[16]Alvarez F,Alvarez R,Coca J,et al.Salicylic acid produc2tion by electrodialysis with bipolar membranes[J].JMembr Sci,1997,123(1):61-69.[17]余立新,苏 静,林 涛.双极性膜电渗析法制备牛磺酸[J].河南化工,2002(2):15-16.[18]曾小君.双极性膜电渗析技术在亚氨基二乙酸制备中的应用[J].精细化工.2002,19(4):204-207. ・78 ・膜 科 学 与 技 术第27卷 Applications of bipolar membrane electrodialysisin the production of organic acidsX U Zhiyong ,ZHA N G Jianguo(College of Life Sciences ,Zhejiang University ,Hangzhou 310027,China )Abstract :Under the driving force of an electrical field ,a bipolar membrane can efficiently dissociate water into hydrogen (H +)and hydroxyl (OH -)ions.So electrodialysis with bipolar membrane (EDBM )can be used to di 2rectly acidify the organic salt without the addition of other inorganic acids and avoiding waste streams.There 2fore ,this technique is simultaneously economically attractive and has a low impact on the environment as com 2pared with ion -exchange and conventional electrodialysis techniques.However ,the number of installed EDBM plants worldwide has been relatively small until now.This is due to many reasons ,such as high investment ,a perceived unreliability of the technology and the limited range of economical/practical applications.With the de 2velopment of EDBM technology ,the number of EDBM plants in operation should greatly increase in the next few years.The principle of EDBM ,the recent advances in this filed are reviewed.And the future development trends are also proposed.K ey w ords :bipolar membranes ;electrodialysis ;organic acids ;citric acid ;lactic acid“第六届全国膜与膜过程学术报告会”将于2008年5月下旬在天津召开“第六届全国膜与膜过程学术报告会”将2008年5月23～26日在天津召开,主承办单位为天津大学和天津工业大学.本届会议的主题是:“发展膜科学技术,提高自主创新能力”.会议将邀请国内知名膜专家到会并做主题报告,同时,还将举行多场专题研讨会.征文范围为:(1)膜材料、膜制备与膜结构表征;(2)膜传递、膜过程与膜污染;(3)膜应用技术与膜工程;(4)其他相关研究.征文要求:(1)符合征文范围,未公开发表的论文;(2)论文请用中文撰写,也接受英文撰写的稿件;(3)应征论文请首先提供1000字以内(限1页)的中文摘要,截至日期为2007年9月1日.请用电子邮件投稿,发送止:E -mail :membrane @ (确有困难者也可一式三份纸样邮寄).(4)论文摘要经会议科技委员会审核录用后,将发第二轮通知告知本人,收到第二轮通知后,请按版面要求编排论文并发送至组委会.论文请用Word 2000或Word 97排版(A4纸),版面23cm ×15cm ,图尺寸为6cm ×6cm ,论文标题(三号黑体),姓名(四号宋体),单位、邮编、正文(五号宋体),采用1.5倍行间距,篇幅限制在4页以内.请用电子邮件投稿或软盘/光盘邮寄,所有论文将收录在光盘论文集中.真诚欢迎膜科学与技术研究和应用领域及其它相关领域的专家、学者和其他各界人士踊跃参加,欢聚天津,共献智慧,为这三年一次的全国学术水平最高的膜界盛会增辉!通讯地址:天津大学化工学院化学工程研究所 邮编:300072 联系人:李保安 王纪孝 王 越电 话:(022)27404347 27892091 传真:(022)27404496 E -mail :membrane @欢迎登陆http :///membrane 浏览会议详细内容.第六届全国膜与膜过程学术报告会组委会 第3期徐芝勇等:双极膜电渗析技术在有机酸生产中的应用进展・79 ・ 。
双极膜电渗析技术介绍
双极膜电渗析技术介绍电渗析（ED）是一种利用离子在直流电场下迁移作用的电化学分离过程，广泛应用于系统的脱盐或盐浓缩。
电渗析是在直流电场作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性，使溶液中呈离子状态的溶质和溶剂分离的一种物理化学过程。
如下图所示，当含盐水通过由阴、阳离子交换膜及浓、淡水隔板交替叠装，且在两端设置电极而成的电渗析的隔室时，在直流电场作用下产生离子定向迁移，即阳离子向阴极方向迁移，阴离子向阳极方向迁移，由于离子交换膜具有选择透过性，阴离子交换膜只能让阴离子通过，阳离子交换膜只能让阳离子通过，结果淡水室中的阴离子向阳极方向迁移，透过阴膜进入浓水室，阳离子向阴极方向迁移，透过阳膜进入浓水室；而浓水室中的阴、阳离子，虽然也在直流电场的作用下，分别向阳极和阴极方向迁移，但由于受到隔室两侧阳膜和阴膜的阻挡，无法迁出浓水室，从而留在浓水室中，这样，浓水室因阴、阳离子不断进入而浓度提高，淡水室因阴、阳离子不断移出而使浓度下降，通过隔板边缘特制的孔，分别将各浓、淡隔室的水流汇聚引出，便产生两股主水流，脱盐水和浓缩盐水。
电渗析脱盐原理图双极膜电渗析双极膜电渗析（BPED）是一种利用离子在直流电场下迁移作用的电化学分离过程，广泛应用于带电介质与不带电介质的分离。
双极膜电渗析是在直流电场作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性，使溶液中呈离子状态的溶质和溶剂分离的一种物理化学过程。
双极膜一般由阴离子交换树脂层（AL）、阳离子交换树脂层（CL）和中间催化层组成。
如图1所示，在直流电场的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O被电解成H+和OH-并分别通过阳膜和阴膜，作为酸H+和碱OH-离子的来源。
图1双极膜H2O电解成H+和OH-原理图图2 双极膜NaSO4转换H2SO4和NaOH原理图如图2所示，硫酸钠进入盐室时，在直流电场作用下，硫酸根通过阴膜迁移至酸室，遇到双极膜的阴膜面，由于阳膜面带负电，所以硫酸根无法继续迁移，留在酸室，跟双极膜阳膜面分解出的氢离子结合生成硫酸。
高中化学微专题-双极膜电渗析法
双极膜电渗析原理
1、双极膜的结构
双极膜是一种新型的离子交换复合膜，一般由阴离子交换树脂层（AL）、阳离子交换树脂层（CL）和中间层组成。
中间层市场上常用别称：过渡层、催化层、复合层、界面层等。
2、双极膜电渗析原理
在直流电场的作用下，阴、阳膜复合层间的 H2O 解离成 H+和 OH-，并进行离子定向迁移，分别通过阳离子交换膜层和阴离子交换膜层，作为系统H+和 OH-离子供应源。
H+和 OH-则主要通过过渡区水的解离而得到及时的补充，消耗的水又通过周围溶液中的水向膜中间渗透而弥补。
如果将双极膜与其他阴阳离子交换膜组合成双极膜电渗析系统 , 能够在不引入新组分的情况下将水溶液中的盐转化为对应的酸和碱, 这种方法称为双极膜电渗析法。
3、双极膜电渗析法的应用
基于双极膜的特点，配备不同的阳离子交换膜、阴离子交换膜及其他配件，可以组装成不同形式的双极膜电渗析( 双极膜电渗析的形式含：二隔室、三隔室、四隔室、五隔室等)。
生产中常规双极膜电渗析（BPED或EDBM）主要作用如下：
①无机盐制备对应的酸和碱：硫酸钠、氯化钠、硫酸锂等。
②有机酸盐制备对应的有机酸和碱（有机碱盐与之类似）：酒石酸、葡萄糖酸、柠檬酸、维生素C、四甲基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵等；
基于双极膜制酸、碱功能，双极膜电渗析在很多无机系统、有机系统中常常会被用来与电解法做对比。
以纯氯化钠系统为例，两种工艺对比如下：
练习：1、
答案：D
2、
答案：
3、
答案：。
双极膜电渗析由葡萄糖酸钠制备葡萄糖酸的实验研究
双极膜电渗析由葡萄糖酸钠制备葡萄糖酸的实验研究王伟;傅荣强;刘兆明【摘要】采用装配自产双极膜和阳膜的两隔室双极膜电渗析装置,研究了将10％(质量分数)葡萄糖酸钠溶夜转化为葡萄糖酸的实验过程.双极膜电渗析过程可使葡萄糖酸钠溶液电导率降低到3 mS/cm,实现超过95％转化率;随着料液中葡萄糖酸钠浓度的逐渐降低,电流密度、电流效率、产酸量均逐渐下降,而产酸能耗逐渐升高.随着膜对电压的升高,电流密度和产酸量均增加,产酸能耗也增加;膜对电压分别为1.3、1.5和1.8V时对应的电流密度为206、278和340 A/m2,对应的产酸量为56、73和98 mol/(m2·h),对应的产酸直流能耗为48、55和62kW· h/kmol;膜对电压的升高导致了较低的资本支出和较高的运营支出,最佳的膜对电压取决于总支出的最小化;当采用膜对电压为1.5V时第1年的总支出最小,但随后年份中膜对电压1.3V时的总支出最小.%The process of converting 10％ sodium gluconate feed to gluconic acid with a two-chambered bipolar membrane electrodialysis pilot module was studied.It was indicated that the electrical conductivity of sodium gluconate could be reduced to 3 mS/cm and the conversion rate could reach 95％.As the concentration of sodium gluconate decreased,the current density,the current efficiency and the acid generation rate gradually declined,but the energy consumption for perunit of produced acid increased significantly.With the increase of the voltage per cell pair,the current density and the acid generation rate increased,but the energy consumption increased too.When the cell-pair voltage was 1.3,1.5 and 1.8 V,the current density was 206,278 and 340A/m2 respectively,and the acid generation rate was 56,73 and 98mol/(m2 · h) respectively,and the energy consumption for per unit of produced acid was 48,55 and 62 kW · h/kmol respectively.The increase of the cell-pair voltage caused the lower capital expenditure and the higher operating expenditure.The optimum cell-pair voltage should be decided by the overall expenditure.With the cell-pair voltage at 1.5 V,the first year overall expenditure was the least.But as the growth of the years,the cell-pair voltage at 1.3 V could cause the minimum overall expenditure.【期刊名称】《膜科学与技术》【年(卷),期】2017(037)001【总页数】7页(P107-113)【关键词】双极膜;电渗析;葡萄糖酸;离子交换【作者】王伟;傅荣强;刘兆明【作者单位】山东天维膜技术有限公司,潍坊261061;山东省荷电高分子膜材料省级重点实验室,潍坊261061;山东天维膜技术有限公司,潍坊261061;山东省荷电高分子膜材料省级重点实验室,潍坊261061;山东天维膜技术有限公司,潍坊261061;山东省荷电高分子膜材料省级重点实验室,潍坊261061【正文语种】中文【中图分类】TQ028.8葡萄糖酸是一种重要的工业原料，可用于医药工业生产葡萄糖酸衍生物作为营养强化剂及药用补充剂，可用于食品工业作为酸味剂、豆腐凝固剂以及防止乳品中乳石沉淀，也可用于配制清洗剂、织物及金属加工的助剂、皮革矾鞣剂、金属除锈剂、混凝土塑化剂、生物降解的螯合剂及二次采油的防沉淀剂等，具有广泛的应用[1-3].葡萄糖酸是由葡萄糖酸钠经氢型阳离子交换树脂置换钠离子而得，葡萄糖酸钠的工业生产有均相化学氧化法、电解氧化法、多相催化氧化法和发酵法等.均相化学氧化法采用次氯酸钠氧化法生产葡萄糖酸钠，转化率高，但中间步骤多，副产物多，成品含有氯化钠.电解氧化法能耗大，不易控制，因此工业化生产中很少采用.多相催化氧化法工艺简单，反应平稳，易于控制，反应条件温和，但该技术采用稀有金属钯/碳作为主要催化剂，价格昂贵，催化剂循环使用后容易失活，催化效率下降，目前已基本被发酵法取代.我国葡萄糖酸钠工业化生产普遍采用的是黑曲霉菌发酵制葡萄糖酸钠工艺，在葡萄糖溶液中加入无机盐、氮源和黑曲霉种子液后进行发酵；发酵过程中流加氢氧化钠控制发酵液pH在5.0～5.5，通过循环水控制发酵温度在35～38 ℃；菌体与发酵液分离后，发酵液经真空浓缩、结晶后可得葡萄糖酸钠晶体，或经喷雾干燥后制得葡萄糖酸钠粉状产品.葡萄糖酸钠转化为葡萄糖酸的传统生产工艺是离子交换法，即葡萄糖酸钠溶解后，经H型阳离子交换树脂转化为葡萄糖酸，再经真空浓缩、结晶、干燥，即得到葡萄糖酸产品.离子交换工艺中[4]，阳离子交换树脂交换饱和后必须再生才能继续使用，一般通过硫酸再生；该过程不仅耗费大量酸，同时还产生大量高COD含盐废水，COD高达8 000 mg/L，含盐高达30 000 mg/L，该废水难以处理.为此，基于生产过程清洁化和工业可持续发展的要求，人们提出采用双极膜电渗析技术替代离子交换工艺[5-6].双极膜是一种具有特殊功能的离子交换膜，由阴膜层和阳膜层复合而得，在电场作用下能够解离水生成H+和OH-；当双极膜与阴、阳离子交换膜组合使用，形成电渗析设备，就可以实现即时酸和碱的生产.借助双极膜水解离作为H+和OH-的供应源，可以将有机酸盐直接转化为有机酸，同时副产的氢氧化钠循环用于发酵液的pH值调控，节约了工艺前端购买氢氧化钠的费用；同时双极膜电渗析生产工艺无需外加酸，不产生大量高COD含盐废水，在生产成本和环境友好方面明显优于离子交换工艺.已经有研究单位进行了双极膜电渗析制备葡萄糖酸的试验.徐铜文[7]研究了双极膜电渗析的组合形式对生产的影响，并通过传统电渗析与双极膜电渗析的集成提高生产效率[8]；金可勇[9-11]研究了杭州水处理技术研究开发中心生产的不同规格BPM2型双极膜电渗析设备在处理该料液体系时的适用性.这些研究表明，由双极膜和阳膜组成的2隔室结构电渗析设备更适合葡萄糖酸生产，且操作电流强度对生产成本有重要影响.山东天维膜技术有限公司经过多年的研发，成功开发了新型双极膜、新型阳离子交换膜以及实验型电渗析设备.本文将采用该自产双极膜、阳膜和电渗析设备，研究包括葡萄糖酸钠浓度(转化率)和操作电压在内的操作参数对双极膜电渗析制备葡萄糖酸的影响，这些操作参数的影响规律也适用于其它有机酸生产中，为双极膜电渗析技术应用于有机酸生产行业提供应用数据支持.1 实验部分1.1 实验试剂葡萄糖酸钠为山东福洋生物科技有限公司友情提供，分析纯；氢氧化钠和盐酸购自于国药集团化学试剂有限公司，分析纯；氯化钠由山东省海洋化工科学研究院友情提供，分析纯.1.2 实验装置实验所用的双极膜电渗析装置为山东天维膜技术有限公司自主研发生产，为2隔室结构膜堆，共组装10个膜对，每膜对含1张双极膜和阳离子交换膜(简称阳膜)；实验中使用的双极膜和阳膜均产自山东天维膜技术有限公司，型号分别为TWBP1和TWEDCII-2.双极膜和阳膜的性能参数如表1所示，双极膜电渗析器相关参数如表2所示，双极膜电渗析器组装示意图及双极膜电渗析原理示意图分别如图1和图2所示.双极膜在电流密度为1 000 A/m2下的跨膜电压小于1.5 V，水解离效率大于94%；阳膜在0.5 mol/L NaCl溶液中的面电阻为4～5 Ω·cm2，表观迁移数大于0.97(参比样Astom CMX面电阻为4 Ω·cm2，表观迁移数为0.98)；双极膜电渗析器隔板厚度为0.55 mm，单张膜片有效膜面积为84 cm2.双极膜电渗析装置配以直流电源、储液罐、循环泵、转子流量计、压力表以及恒温水浴锅构成了电渗析系统.通过恒温水浴锅控制实验在25 ℃下进行.表1 双极膜TWBP1和阳离子交换膜 TWEDCII-2性能参数Table 1 The performance parameter of TWBP1 and TWEDCII-2膜类型参数数值双极膜TWBP1湿态厚度0.20～0.25mm跨膜电压1.0～1.5V水解离效率0.94～0.98阳离子交换膜TWEDCII2湿态厚度0.15～0.17mm离子交换容量0.90～1.10mmol·g-1(干)水含量20%～30%面电阻4～5Ω·cm2表观迁移数0.97～0.98 注1：双极膜跨膜电压和水解离效率均在0.5 mol/L NaCl溶液测试，溶液温度25 ℃，电流密度1 000 A/m2；水解离效率指双极膜水解离产生OH-量与该电流下OH-理论产量的比值.注2：阳离子交换膜面电阻在0.5 mol/L NaCl溶液测试，溶液温度25 ℃，采用直流电流测量，电流密度70 A/m2；表观迁移数在0.1/0.5 mol/L NaCl溶液测试，溶液温度25 ℃.表2 双极膜电渗析器参数Table 2 The parameter of bipolar membrane electrodialysis参数数值双极膜TWBP1阳膜TWEDCII2极膜(靠近阳极室或阴极室的离子膜)全氟磺酸阳膜膜片尺寸10cm×20cm膜片有效尺寸7cm×12cm隔板厚度0.55mm电极板钛板,表面镀钌铱图1 双极膜电渗析器组装示意图Fig.1 The assembly diagram of bipolar membrane electrodialysis1.3 实验过程初始时，料液室溶液为3.2 L、质量分数约10%的葡萄糖酸钠溶液，碱液室溶液为0.6 L、质量分数2%的NaOH溶液，极室溶液为2 L、2%的NaOH溶液.实验过程中，料液和碱液的循环流速为3 cm/s，极室溶液循环流速为6 cm/s.实验采用恒电压操作，分别在膜对电压为1.3、1.5和1.8 V条件下进行，每隔1 min记录电流数据，每隔30 min记录料液和碱室体积并取样进行葡萄糖酸钠和氢氧化钠浓度的测定，实验至料液电导率基本不再降低时结束.图2 双极膜电渗析原理示意图Fig.2 Flow chart of bipolar membrane electrodialysis1.4 分析方法料液葡萄糖酸钠浓度的测定：配制一系列葡萄糖酸钠与葡萄糖酸的混合溶液，将葡萄糖酸折算为葡萄糖酸钠后溶液总浓度为10%；测试混合溶液的电导率，绘制溶液浓度与电导率标准曲线；双极膜电渗析过程中通过测量溶液电导率计算溶液中葡萄糖酸钠浓度.碱液NaOH浓度的测定：通过酸碱滴定法计算NaOH浓度，采用酚酞指示剂.葡萄糖酸钠转化率k、电流效率η以及能耗Ec分别根据公式(1)、(2)和(3)计算：(1)(2)(3)式中，V0和c0分别为初始时料液体积(L)及料液中葡萄糖酸钠浓度(mol/L)；Vt 和ct分别为时间t时料液体积(L)及料液中葡萄糖酸钠浓度(mol/L)；F为法拉第常数；N为双极膜电渗析器膜对数；It为电流，A；U为膜堆电压，V.2 结果与讨论2.1 双极膜电渗析过程控制膜对电压为1.5 V，双极膜电渗析转化葡萄糖酸钠过程的相关性能数据如表3所示.实验中碱液初始为2% NaOH，这是为了避免采用纯水时其过低电导率导致电渗析过程电流偏低，从而影响了电渗析设备处理量.随着实验的进行，料液中葡萄糖酸钠逐渐转化为葡萄糖酸，料液体积逐渐减少，而碱液体积逐渐增加；料液电导率逐渐降低，碱液电导率逐渐升高，电流密度随之逐渐降低，转化葡萄糖酸钠为葡萄糖酸过程逐渐变慢.实验开始时料液电导率为18.33 mS/cm，电流密度高达477.38 A/m2；在120 min时，料液电导率降为4.45 mS/cm，该点葡萄糖酸钠浓度为1.02%，转化率为89.65%，电流密度为94.05 A/m2；随后电流密度进一步降低，在210 min时，料液电导率为3.56 mS/cm，葡萄糖酸钠转化率超过95%，电流密度为65.48 A/m2.由此可计算双极膜电渗析过程的电流效率、产酸能耗(除另有说明，本文中的能耗均指直流能耗)以及产酸量(表4)，为深入了解该过程，对该3参数分别计算了每30 min的阶段数据和自实验开始计的累积数据.随着实验的进行，料液中葡萄糖酸钠浓度逐渐降低，阶段电流效率和阶段产酸量迅速降低，阶段产酸能耗迅速升高，如图3所示.实验刚开始的30 min，电流效率为79.21%，产酸量为每平方米双极膜每小时产葡萄糖酸131.42 mol，相应地每产1 kmol葡萄糖酸耗电45.75 kW·h；在第90 min到120 min阶段，葡萄糖酸钠浓度降低至1.0%～1.5%之间，电流效率为41.70%，产酸量为17.66 mol/(m2·h)，产酸能耗为105.99 kW·h/kmol；而在最后的30 min，电流效率仅为16.12%，产酸量为4.02 mol/(m2·h)，产酸能耗为281.37 kW·h/kmol.电流效率的下降相关于碱液浓度的增加以及料液电导率的降低，更高的碱液浓度导致更多的OH-穿过阳膜到达料液室中和了葡萄糖酸，更低的料液电导率导致更高的料液室电阻，从而更多的电流可能从电渗析器的进/出口通道中旁路通过[12]；电流效率的下降导致了产葡萄糖酸能耗的上升，电流效率和电流密度的同步下降导致了产葡萄糖酸量的快速下降.从累积数据分析，到第120 min，葡萄糖酸钠浓度降低至约1%，实现葡萄糖酸钠转化率约90%，此时总电流效率为70.87%，总产酸量为73.46 mol/(m2·h)，总能耗为54.66kW·h/kmol；随后的90 min内，实现了葡萄糖酸钠转化率达到95%，而总电流效率降低至62.55%，总产酸量降低至44.55 mol/(m2·h)，总能耗升高至63.65 kW·h/kmol.表3 双极膜电渗析转化葡萄糖酸钠实验数据1(膜对电压1.5 V)Table 3 The data 1 of gluconic acid preparation process (1.5 V)时间/min料液体积/L料液电导率/(mS·cm-1)料液NaGlu质量分数/%NaGlu转化率/%碱液体积/L碱液质量分数/%电流密度/(A·m-2)03.2218.339.330.000.602.00477.38303.1612.255.6940.090.666.17413.10603.117.5782.8970.070.727.98271.43903.075.3121.5484.260.757.98144.05120 3.054.4451.0289.650.789.0494.051503.034.0290.7792.210.798.4877.381803. 013.7550.6193.910.818.0470.242102.993.5560.4995.130.837.9865.48表4 双极膜电渗析转化葡萄糖酸钠过程实验数据2(膜对电压1.5 V)Table 4 The data 2 of gluconic acid preparation process (1.5 V)时间/min阶段电流效率/%累积电流效率/阶段产酸量/(mol·m-2·h-1)累积产酸量/(mol·m-2·h-1)阶段产酸能耗/(kW·h·kmol-1)累积产酸能耗/(kW·h·kmol-1)0------3079.2179.21131.42131.4245.7545.756073.5376.6898.25114.8352.0648.459 063.9474.1946.5292.0665.8651.3812041.7070.8717.6673.46105.9954.66150 26.4667.718.4060.45169.7357.8618020.4164.995.5551.30221.5760.8121016. 1262.554.0244.55281.3763.65图3 电流效率(a)、产酸量(b)及产酸能耗(c)与料液葡萄糖酸钠浓度的关系(膜对电压1.5 V)Fig.3 The relationship between the current efficiency (a), the acid generation (b), the energy consumption(c) and the concentration sodium gluconate(1.5 V)双极膜电渗析在转化有机酸盐过程中无法实现100%转化率，一般需要配以阳离子交换树脂进一步转化有机酸盐[5].上述实验表明，当葡萄糖酸钠浓度降低至约1%后，即料液电导率降低至约4.5 mS/cm，转化率约为90%，进一步提高转化率过程中的电流效率很低，以产酸能耗和单位膜面积产酸量计算的代价很高，工业生产过程中应避免追求过高的双极膜电渗析转化率.2.2 膜对电压对双极膜电渗析过程的影响双极膜电渗析过程的电流密度、产酸能耗以及产酸量显著地受膜对电压的影响，图4显示了膜对电压在1.3、1.5和1.8 V时平均电流密度、累积产酸能耗以及累积产酸量与料液中葡萄糖酸钠浓度的关系曲线.膜对电压为1.3 V时的平均电流密度和产酸量远低于膜对电压为1.5 V和1.8 V时的相应数据；而膜对电压为1.8 V时的平均电流密度和产酸量高于膜对电压为1.5 V时的相应数据.从图4中可读出，当料液中葡萄糖酸钠浓度降低到约1%时，膜对电压1.3 、1.5和1.8 V对应平均电流密度为206、278和340 A/m2，对应的产酸量为56、73和98 mol/(m2·h).产酸能耗相应地随操作电压的增加而增加，当料液中葡萄糖酸钠浓度降低到约1%时，膜对电压1.3、1.5和1.8 V对应产酸能耗为48、55和62 kW·h/kmol.图4 膜对电压对平均电流效率(a)、累积产酸量(b)及累积产酸能耗(c)的影响Fig.4 The influence of operating voltages on the average current efficiency (a), the accumulation acid generation (b) and the accumulation energy consumption(c)随着膜对电压的增加，单台设备的产酸量增加，单位产酸量的能耗增加，这表明同样的产酸量需要的设备数减少，即资本支出(capital expenditure, CapEx)减少，但设备的运行费用增加，即运营支出(operating expense, OpEx)增加；一定时期内的总支出为资本支出与运营支出的总和，膜对电压过低时资本支出可能过高，膜对电压过高时运营支出可能过高，合适的膜对电压取决于总支出的最小化.假定需要每小时转化100 m3质量分数10%葡萄糖酸钠溶液，按表5中的参数核算双极膜电渗析过程在不同膜对电压运行下的各项支出.第1年各项支出如图5(a)所示，膜对电压1.8 V时资本支出(设备及系统)最少，膜对电压1.3 V时运营支出(运营电费)最少，但膜对电压1.5 V时总支出却最少.第1～4年总支出如图5(b)所示，第1年膜对电压1.5 V时总支出最少，但随后年份膜对电压1.3 V时总支出最少，因为较低膜对电压下运营费用的减少.图5 双极膜电渗析过程第1年各项支出及第1～4年的总支出Fig.5 The expenditure of the 1 year and the total expenditure of the 1～4 years表5 双极膜电渗析过程总支出核算参数Table 5 The total calculation parameters of bipolar membrane electrodialysis项目数值设备及系统相关双极膜单价3000元/m2 阳膜单价600元/m2 膜利用率75% 膜更换频率每2年设备其它组件占膜总价50% 系统其它组件占设备总价50%运营相关年运行时间8000h 电费0.6元/kW·h 交流/直流电转化效率90% 其它部件(水泵等)耗电占设备耗电10%3 结论双极膜电渗析过程可使10%葡萄糖酸钠溶液电导率从18.33 mS/cm降低到3mS/cm，实现超过95%的转化率；随着料液中葡萄糖酸钠浓度的逐渐降低，电流密度、电流效率、产酸量均逐渐下降，而产酸能耗逐渐升高.随着膜对电压的升高，电流密度和产酸量均增加，产酸能耗也增加；膜对电压分别为1.3、1.5和1.8 V时对应电流密度为206、278和340 A/m2，对应的产酸量为56、73和98mol/(m2·h)，对应产酸直流能耗为48、55和62 kW·h/kmol；随着膜对电压的升高，导致了较低的资本支出和较高的运营支出，最佳的膜对电压取决于总支出的最小化；当采用膜对电压为1.5 V时，第1年的总支出最小，但随后年份中膜对电压1.3 V时的总支出最小.参考文献:[1] Ramachandran S, Fontanille P, Pandey A, et al. Gluconic acid: properties, applications and microbial production [J]. Food Technol Biotech, 2006，44(2): 185-195.[2] Hustede H, Haberstroh H J, Schinzig E. Gluconic acid Ullmann′s Encyclopedia of Industrial Chemistry[M]//Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2000.[3] 郭凤华, 刘昌俊. 葡萄糖酸合成方法研究进展[J]. 化学工业与工程, 2007，24(2): 173-177.[4] 汪炯. 葡萄糖酸以及葡萄糖酸内酯制备工艺研究[D]. 广州：暨南大学，2012.[5] Kemperman A J B. Handbook on bipolar membranetechnology[M]//Twente University Press,2000.[6] 徐芝勇, 张建国. 双极膜电渗析技术在有机酸生产中的应用进展[J]. 膜科学与技术, 2007,27(3): 75-79.[7] 黄川徽, 李应生, 徐铜文,等. 双极膜法生产葡萄糖酸的规模化研究[J]. 中国科学技术大学学报, 2008,38(6): 656-659.[8] 汪耀明. 双极膜电渗析法生产有机酸过程的几个关键科学问题研究[D]. 合肥：中国科学技术大学,2011.[9] 金可勇, 金玉水, 周勇,等. BPM2型双极膜装置在葡萄糖酸生产中的应用研究[J]. 水处理技术, 2010,36(10): 105-108.[10] 张希照, 金可勇, 柴志国,等. 双极膜法制备葡萄糖酸的中试生产研究[J]. 水处理技术, 2010,36(11): 117-119.[11] 金可勇, 胡鉴秋, 金玉水,等. 双极膜法制备葡萄糖酸工业化生产研究[J]. 水处理技术, 2011,37(11): 60-62.[12] Tanaka Y. Ion exchange membranes fundamentals and applications[M]//Elesevier,2007.。
电渗析(ED)技术及操作简介
电渗析（ED）技术及操作简介电渗析原理电渗析器是在外加直流电场的作用下，当含盐分的水流经阴、阳离子交换膜和隔板组成的隔室时，水中的阴、阳离子开始定向运动，阴离子向阳极方向移动，阳离子向阴极方向移动，由于离子交换膜具有选择透过性，阳离子交换膜（简称阳膜）的固定交换基团带负电荷，因此允许水中阳离子通过而阻挡阴离子，阴离子交换膜（简称阴膜）的固定交换基团带正电荷，因此允许水中的阴离子通过而阻挡阳离子，致使淡水隔室中的离子迁移到浓水隔室中去，从而达到淡化的目的。
电渗析器通电以后，电极表面发生电极反应，致使阳极水呈酸性，并产生初生态的氧O2和氧气Cl2。
阴极水呈减性，当极节水中有Ca=+和Ng++时由生成CaCO3和Ng(OH)2水垢，结集在阴极上，阴极室有氧气H2排出。
因此极水要畅通，不断排出电极反应产物，有利于电渗析器正常运行。
三、电渗析的结构电渗析不论其规格怎样，形式如何，均由膜堆、电极、夹紧装臵三大部件组成。
1.膜堆一张阳膜、一张隔膜、一张阴膜，再一张隔板组成一个膜对，一对电极之间所有的膜对之和称膜堆。
它是电渗析器的心脏部件，也是电渗析器性能好、坏的关键部件。
在此简单介绍组成膜对零件的主要材料：（1）阴、阳离子交换膜：按膜中活性基团的均一程度可分为异相膜（非均质），均相膜与半均相膜。
理论上讲均相膜优越，事实上由于各制膜厂技术水平不齐，生产经验不等，制出来的膜性能相关很大，即使同一家厂的产品由于批号不一样性能差别也不小。
本所通过试制比较确定采用上海化工厂生产的异相膜，该膜性能相对比较稳定。
（2）隔板：本所电渗析器隔板流进均为无回路短流形式。
其边框采用0.9毫米聚丙烯板冲压成型。
内烫二聚丙烯丝编织网构成水流通道，有时根据用户需要选用0.5或1.2毫米聚丙烯板加工成型（一般说隔板愈薄脱盐效果越好，但对进水水质要求也愈高）。
2.电极一般电渗析的电极采用石墨、铅、不锈钢材料，这些电极材料易得，造价低，制作方便；但电化学性能不好，寿命短。
信阳双极膜电渗析
信阳双极膜电渗析1. 介绍信阳双极膜电渗析是一种高效分离技术，广泛应用于分离、浓缩和纯化溶液中的离子、小分子有机物以及蛋白质等生物大分子。
它利用双极膜技术，通过电场作用，将溶液分子分离出纯净的产物。
2. 原理信阳双极膜电渗析的原理基于溶液中的离子在电场力作用下发生迁移的特性。
该技术通过双极膜将溶液分成两个室，其中一个为营养剂室，另一个为浓缩室。
电渗析系统通过施加电场，在双极膜上产生电荷，从而引发离子在电场中的迁移。
在电渗析过程中，溶液通过薄膜孔洞进入浓缩室，在电场力和电荷交换的作用下，离子在膜上的迁移速度不同，由此实现分离。
离子的选择性迁移是双极膜电渗析的关键特点，这是由于不同离子的电荷大小、形状和尺寸不同所引起的。
3. 设备和操作步骤信阳双极膜电渗析主要依赖以下设备和步骤，包括：3.1 设备•双极膜: 由具有不同孔径的膜状材料组成，可实现选择性分离和浓缩。
•电场源: 用于施加电场。
•浓缩室和营养剂室: 用于收集分离产物和提供营养溶液。
3.2 操作步骤1.准备双极膜设备和必要的实验室用品。
2.准备待处理的溶液，并将其注入到浓缩室中。
3.准备营养剂溶液，并将其注入到营养剂室中。
4.将双极膜设备中的电场源打开，并施加合适的电场强度。
5.开始电渗析过程，将待处理溶液中的离子和小分子有机物迁移到浓缩室中。
在此过程中，离子的迁移速度受到电场强度、膜孔径和离子电荷大小的影响。
6.根据需要调整电场强度，以优化分离和浓缩效果。
7.当达到所需的分离和浓缩程度时，停止电渗析过程。
8.将分离产物从浓缩室中收集，获取纯净的溶液。
4. 应用领域信阳双极膜电渗析技术在以下领域具有广泛的应用：•生物制药：用于蛋白质的纯化和浓缩，以及药物中杂质的去除。
•食品加工：用于果汁和乳制品中的浓缩和纯化。
•环境保护：用于处理废水、海水淡化和资源回收等领域。
5. 优势和局限性5.1 优势•高效分离：能够实现高效的离子和分子的分离和浓缩。
•选择性分离：根据离子电荷和膜孔径的差异，实现对特定分子的选择性分离。
双极膜电渗析制酸碱
双极膜电渗析制酸碱
《双极膜电渗析制酸碱》
双极膜电渗析是由渗析反应和材料结合在一起，是一项重要的现代技术。
它可以使阴离子在阳离子的引力下迁移，质量渗透是一种不断转变的有机化学过程，可以实现受调控的分离。
双极膜电渗析制酸碱是一种电化学制备酸碱的方法，它利用了双极膜特性，通过过滤、渗析和充电等方式制备两种不同性质的Ion，如离子水，去离子等。
它有较为显著的优势，这种方法可以有效改变离子的浓度，控制生成的游离质，比传统的电化学制备技术更有效。
此外，双极膜电渗析制酸碱也具有很高的选择性和灵敏度，可以从复杂混成溶液中有效分离出酸碱，有助于研究及控制化学反应，是一种非常有用的现代技术。
在双极膜电渗析制酸碱的操作中，需要根据具体情况，选择合适的渗析电解质溶液及相应的操作工艺，确保该技术的准确性与安全性，以满足化学反应的要求，可确保酸碱的实施效果。
总之，双极膜电渗析是一种有效的可控分离技术，用于研究和开发酸碱。
它有着其独特的优点，以及可控性和灵敏度，可以帮助我们更好地探索化学反应领域，为人类提供新的潜力。
双极膜电渗析理论与应用的研究进展.TextMark
2004年第23卷第10期 化 工 进 展CHE MIC A L I NDUSTRY AND E NGI NEERI NG PROG RESS双极膜电渗析理论与应用的研究进展唐 宇 王晓琳 龚 燕 余立新(清华大学化学工程系,北京100084)摘 要 从理论和应用研究两方面较为全面地综述了双极膜电渗析技术在近些年的发展,阐述了双极膜中水解离、水迁移、离子迁移以及双极膜电渗析过程等理论研究新进展,介绍了它在有机酸的回收制备、环境保护和食品医药工业及其他领域中的新应用,并展望了其在工业生产和日常生活中的应用前景。
关键词 双极膜,电渗析,水解离,水迁移中图分类号 T Q02818 文献标识码 A 文章编号 10006613(2004)10110706 双极膜是一种新型的离子交换复合膜,它通常由阳离子交换层(N型膜)、界面亲水层(催化层)和阴离子交换层(P型膜)复合而成,是真正意义上的反应膜。
在直流电场作用下,双极膜可将水离解,在膜两侧分别得到氢离子和氢氧根离子[1]。
利用这一特点,将双极膜与其他阴阳离子交换膜组合成的双极膜电渗析系统,能够在不引入新组分的情况下将水溶液中的盐转化为对应的酸和碱,这种方法称为双极膜电渗析法。
双极膜电渗析法不仅用于制备酸和碱,若将其与单极膜巧妙地组合起来,能实现多种功能并可用于多个领域[2]。
有关双极膜的研究报道自20世纪50年代中期就出现了,其发展过程可划分为三个阶段:第一阶段20世纪50年代中期至80年代初期,这是双极膜发展十分缓慢的时期,双极膜仅是由两片阴阳离子交换膜直接压制,性能很差,水分解电压比理论压降高几十倍,应用研究还处在以水解离为基础的实验室阶段;第二阶段从20世纪80年代初至90年代初,由于双极膜制备技术的改进,成功地研制了单片型双极膜,其性能大大提高,已经在制酸碱和脱硫技术中得到了成功应用,这一阶段出现了商品双极膜。
从20世纪90年代初至今,是双极膜迅速发展的时期,随着对双极膜工作过程机理的深入研究,从膜结构、膜材料和制备过程上进行了重大改进,使双极膜的性能有了较大提高,其中主要是对阴膜和阳膜接触界面的改进,从最初简单的“压层型”或“涂层型”结构到20世纪80年代初开始出现的“单片型”结构,随后又出现带有中间“催化层”的复杂结构,大大降低了膜电压[3]。
双极性膜电渗析技术及应用_图文(精)
化学过程方面的应用包括:有机酸制备回收,离子交换树脂再生,氨基酸制备中的废水处理,钾钠无机矿物盐工业中KCl的转化、制备高纯水等[9]。特别是将双极膜电渗析技术应用于精细有机化工中,可制备回收各种有机酸、氨基酸、蛋白质等高附加值产品,此法具有巨大的经济效益[11]。
2.2.1分离制备有机酸
Yang JinxianZhang J unliangYe YanchunGuo Yanwen (School of Science ,Beijing Instit ute of Technology ,Beijing 100081
AbstractIn this paper ,the technology of bipolar -membrane electrodialysis and its applications ,especially in
介绍其在精细化工生产中的应用。另外还述及了一些新的应用领域,并结合国内外研究、生产状况,探讨了双极性膜电渗析技术在生产中的经济和环保效益。
关键词 双极膜,双极膜电渗析,应用,环保
T echnology of bipolar 2membrane electrodialysis and its application
fine chemistry were introduced.The environmental advantage and economic benefits of this technology were also dis 2cussed.
K ey w ords
bipolar membrane ,bipolar 2membrane electrodialysis ,application ,environmental 2protection双极性膜是一种新型离子交换复合膜,它通常由阳离子交换层和阴离子交换层复合而成,中间是
双极膜电渗析原理
双极膜电渗析原理双极膜电渗析是一种利用电场作用下离子的选择性渗析分离技术。
它是在传统的电渗析技术基础上发展起来的，通过在渗析单元中采用双极膜的设计，实现了更高效的分离和提纯过程。
双极膜电渗析的原理是基于电渗析和离子选择性膜的特性。
在双极膜电渗析系统中，通常有两个膜：阳极膜和阴极膜。
阳极膜具有阴离子选择性，阴极膜具有阳离子选择性。
当电场施加在两个膜之间时，离子会受到电场力的驱动，根据其电荷类型和选择性膜的特性而向两个方向迁移。
在双极膜电渗析过程中，先将要处理的溶液注入到渗析单元中，两侧分别安装阳极膜和阴极膜。
施加直流电场后，在阳极膜一侧的阴离子会向阳极迁移，而在阴极膜一侧的阳离子会向阴极迁移。
通过这种选择性迁移的过程，溶液中的离子会被有效地分离，从而实现渗析分离的目的。
双极膜电渗析的分离效果受到多个因素的影响，包括电场强度、膜的选择性和渗析单元的设计等。
电场强度的增加会增加离子的迁移速度，提高分离效率。
选择性膜的特性决定了离子的选择性迁移，不同的选择性膜可以选择性地分离特定类型的离子。
渗析单元的设计也非常重要，合理的单元结构能够提高传质效率，减小渗析时间。
双极膜电渗析技术在多个领域中得到了广泛应用。
例如，在水处理领域中，它可以用于海水淡化和废水处理，实现对离子和溶质的高效分离和回收。
在化学工业中，它可以用于分离和提纯有机物、萃取金属离子等。
此外，双极膜电渗析还可以应用于生物技术中的离子分离和提纯，如蛋白质的纯化等。
总的来说，双极膜电渗析是一种基于电场作用和离子选择性膜的分离技术。
通过适当选择膜的类型、施加适当的电场强度和优化渗析单元的设计，可以实现高效的离子分离和提纯过程。
这种技术在水处理、化学工业和生物技术等领域中具有广泛的应用前景，将为这些领域的发展和进步做出贡献。
双极性膜电渗析技术及应用_图文(精)
以大豆蛋白质分离为例,食品工业中用到的大豆蛋白质大部分以离析蛋白形式存在。现在工业过程普遍采用的分离蛋白质的方法是等电位沉淀法,等电位p H值范围是412~416。工艺流程包括:萃取、沉淀、洗涤、再增溶、干燥五步。首先把脱脂的大豆碎片溶于水中,p H值为9±2,萃取步骤大约需要30min;然后加盐酸把溶液的p H值调到等电位点, p H值约为415,此时蛋白质析出;离心法分离出凝结物,用水洗涤除去可溶杂质,然后用NaO H再增溶获得蛋白盐,以保证蛋白质的可溶性,最后干燥得产品。大部分商业出售的大豆蛋白质产品都用这种方法制备,该方法的缺点是:和酸碱接触可能引起蛋白质变性,杂质较多,再水化后蛋白质溶解性能改变,局部p H值过高(或低会导致蛋白质的不可逆变性。根据双极性膜电渗析系统的特点,即双极性膜的阳膜析出H+,阴膜析出O H-,可以把双极性膜电渗析技术应用于大豆蛋白质的分离:即将萃取得到的蛋白质溶液在双极性膜的阳膜外循环,阳膜区的H+和蛋白质接触,能把蛋白质溶液的p H值调到等电位点,使蛋白质沉淀;洗涤沉淀后,利用双极性膜阴膜外生成的NaO H再增溶蛋白质,得蛋白盐,或让沉淀完的蛋白质溶液在阴膜外循环得到蛋白盐。与传统工艺相比,双极性膜电渗析技术分离蛋白质有很多优点:整个生产过程不需要添加酸和碱,资源可以循环利用,耗水少,分离出的蛋白质中盐含量电渗析的研究开始较晚,现在还处于实验研究阶段,制取的膜的性能与国外相比也还有较大差距。但近年来我国电渗析技术的发展有了重大突破,双极性膜的主要性能指标都有了很大提高,运行也稳定了,其技术特点如价廉、实用、好管理等更适合我国国情,应给予重视。今后还需要继
・
8
6
・
第2期杨金贤等:双极性膜电渗析技术及应用
续开发高性能的双极性膜,改进膜的制备工艺,降低膜的成本。
双极膜电渗析法制
双极膜电渗析法制双极膜电渗析法是一种先进的膜分离技术，广泛应用于水处理、化工、生物等领域。
本文将对双极膜电渗析法的原理、特点、应用及发展前景进行详细介绍。
一、双极膜电渗析法的原理双极膜电渗析法是在电场作用下，利用双极膜的选择性透过性能，实现溶液中离子的分离和纯化。
双极膜由阳离子交换膜和阴离子交换膜组成，两者之间填充有离子选择性透过膜。
当溶液通过双极膜时，在电场作用下，阳离子和阴离子分别通过阳离子交换膜和阴离子交换膜，实现离子的分离。
同时，透过离子选择性透过膜的水分子和未分离的离子形成浓缩液和稀释液，分别排出系统。
二、双极膜电渗析法的特点1.高效性：双极膜电渗析法具有较高的分离效率和纯化效果，能够实现溶液中离子的有效分离。
2.节能环保：与传统的分离方法相比，双极膜电渗析法具有较低的能耗和较少的废弃物产生，符合绿色环保理念。
3.操作简便：双极膜电渗析法操作简单，可实现自动化控制，降低人工操作成本。
4.应用广泛：双极膜电渗析法可用于水处理、化工、生物等多个领域，具有较强的适用性。
三、双极膜电渗析法的应用1.水处理领域：双极膜电渗析法可用于海水淡化、工业废水处理等方面，实现水资源的有效利用和环境保护。
2.化工领域：在化工生产中，双极膜电渗析法可用于离子液体的分离和纯化，提高产品质量和生产效率。
3.生物领域：双极膜电渗析法可用于生物医药、生物工程等领域，实现生物产品中目标离子的分离和纯化，提高产品的纯度和收率。
此外，双极膜电渗析法在蛋白质分离、基因工程等方面也有广泛应用。
四、发展前景随着科技的不断进步和环保意识的日益增强，双极膜电渗析法作为一种高效、环保的分离技术，将在未来发挥更加重要的作用。
以下是双极膜电渗析法的发展前景：1.技术创新：随着材料科学和工程技术的不断发展，双极膜的性能和稳定性将得到进一步提升，提高双极膜电渗析法的分离效率和纯化效果。
2.拓展应用领域：双极膜电渗析法在水处理、化工、生物等领域的应用将进一步拓展，同时有望在其他领域如能源、环保等实现新的突破。
双极膜电渗析制酸碱
双极膜电渗析制酸碱双极膜电渗析是一种高效的离子分离技术，在制酸碱领域也被广泛应用。
本文将详细介绍双极膜电渗析制酸碱的原理、过程及应用。
一、原理双极膜电渗析利用了双极膜的离子选择性通透作用和电解质的电荷性质，实现了对不同离子的有效分离。
在制酸碱过程中，将待分离液体加入电渗析装置的中央，连接电源后，在双极膜的电场作用下，离子会被分离排列。
双极膜由正负交替排列的阳离子交换膜和阴离子交换膜组成，两种膜材质在电场作用下对离子的通透性存在差异。
正极为正离子交换膜，阴极为阴离子交换膜。
在电压的作用下，带电离子会在膜的两端分别被吸附，而非带电离子则通透膜而直接进入阳阴两侧的废液室。
二、过程具体步骤如下：1、准备制酸碱所需离子、溶液和设备。
2、将待分离液体加入电渗析装置的中央。
接通电源，在双极膜的电场作用下，带电离子向阳阴两侧分离。
3、从废液室收集分离出的离子，保证废液的排放达到环保标准。
4、调节电场作用的电压、电流、时间等参数以达到最佳的分离效果。
5、分离完成后，收集分离出的酸碱。
对于制酸碱工业生产，还需要后续的过滤、浓缩、干燥等步骤。
三、应用双极膜电渗析制酸碱技术被广泛应用于制药、化工、电子、环保等领域。
1、制药领域：双极膜电渗析制酸碱技术可用于制取各种药品中的酸碱成分，如糖皮质激素类药物、激素类药物、抗肿瘤药物等。
2、化工领域：双极膜电渗析制酸碱技术可用于制取各种化工中的酸碱成分，如醋酸、硫酸、氢氧化钠等。
3、电子领域：双极膜电渗析制酸碱技术可用于制取各种半导体材料中的酸碱成分，如硅酸、氯化铵等。
4、环保领域：双极膜电渗析制酸碱技术可用于处理污水中的酸碱成分。
四、优缺点1、优点(1)可高效地分离不同类型的离子，分离效率高。
(2)过程控制简单，易于操作。
(3)生产效率高，制酸碱的时间和成本较低。
(4)环保，产生的废液可通过后处理达到排放标准。
2、缺点(1)装置体积较大，对设备要求较高。
(2)对于特殊的酸碱成分，如氢氟酸等，双极膜电渗析可能不适用。
杭州双极膜电渗析
杭州双极膜电渗析1. 介绍双极膜电渗析是一种用于水处理和废水处理的膜分离技术。
它可以同时去除离子和有机物质，有效地提高水质和废水的处理效果。
杭州作为中国的电渗析技术研究中心之一，在该领域取得了很多进展。
2. 原理双极膜电渗析基于膜过程和电化学反应的复合作用。
它利用正负两极膜之间的电场效应，使离子和有机物质通过选择性通透的膜阻隔层。
通过控制电场强度和膜材料的选择，可以实现特定离子和有机物质的分离和浓缩。
3. 设备和操作3.1 膜模块双极膜电渗析的核心设备是膜模块。
膜模块通常由正负两极膜、膜间隔层和支撑材料组成。
选用合适的膜材料和设计合理的膜结构对于提高分离效果至关重要。
3.2 操作步骤1.准备：清洗膜模块，确保没有杂质和污染物。
2.准备电解质溶液：根据需要的分离效果，配置适当浓度的电解质溶液。
3.准备进料溶液：将需要处理的水或废水通过预处理设备处理，去除固体颗粒和悬浮物。
4.装载膜模块：将膜模块安装在反应器中，保证正负两极膜之间有适当的间隔和贴合。
5.施加电场：将正负两极电极连接到电源上，施加适当的电场强度。
6.保持操作：持续供给进料溶液和电解质，保持膜模块处于分离状态。
7.收集产物：收集经过膜分离后的产物，进行后续处理。
4. 应用领域双极膜电渗析在水处理和废水处理方面具有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域： ### 4.1 饮用水净化利用双极膜电渗析可以去除水中的重金属离子、有机物和微生物，提高饮用水的品质和安全性。
4.2 工业废水处理双极膜电渗析可以有效去除工业废水中的重金属、有机物和溶解性盐等污染物，减轻对环境的影响。
4.3 矿产提取利用双极膜电渗析可以实现矿产的选择性提取和浓缩，提高矿石的回收率和经济效益。
4.4 生物制药双极膜电渗析可用于生物制药过程中的分离和浓缩，提高药物的纯度和产量。
5. 优势和挑战5.1 优势1.高效分离：双极膜电渗析具有高效、选择性的离子和有机物分离能力。
2.节能环保：与传统分离方法相比，双极膜电渗析消耗的能量较少，对环境影响较小。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
双极膜电渗析的组装方式及其功用徐铜文1孙树声2刘兆明2杨伟华1李善清2李旭娣2何炳林3(11中国科学技术大学应用化学系,合肥230026;21山东省海洋化工科学研究院,山东寿光262737;31南开大学吸附分离功能高分子材料国家重点实验室,天津300071摘要双极膜和单极膜的巧妙配合,可用于多种分离过程,如化工、生物、海洋化工等领域,并大大地改变了这些领域的面貌.本文对于双极膜水解离过程相关的一系列应用中,电渗析器的组装方式进行了较全面的规划和论述,并对这些构型的优劣进行了评价.关键词双极膜电渗析组装方式分类号TQ028.8双极膜是一种新型离子交换复合膜,它通常由阳离子交换层(N 型膜和阴离子交换层(P 型层复合而成,在国外已商品化,并形成了多个关于双极膜制备方面的专利[1~5].由于阴、阳膜层的复合,给双极膜的传质性能带来了很多新的特性,正如半导体由于P —N 结的发现,导致了许多新型半导体器件的发明,同样用荷有不同电荷密度、厚度和性能的膜材料在不同的复合条件下,可制成不同性能和用途的双极膜[6,7]:比如用于1、2价离子分离膜,防结垢膜,抗污染膜,H +分离膜,低压反渗透脱硬膜,水解离膜等.尤其是以双极膜技术为基础的水解离领域已成为电渗析工业中新的增长点,也是目前增长最快和潜力最大的领域之一,因为利用双极膜进行水解离,比直接电解水要经济得多[8],据理论计算,制备1mol/L 25℃的酸和碱,双极膜的理论电势只有0.83V ,而电解需2.1V ;直接电解水每个电解池需一对电极,而双极膜水解离几十对膜组合只需一对电极,因此器件更加紧凑,而且由于无氧化还原反应放出H 2、O 2气体,对电极也不存在腐蚀现象.双极膜水解离不仅用于制备酸和碱,若将其与单极膜巧妙地组合起来,能实现多种功用,可用于多个领域并有望改变这些领域的面貌.作者在多年对双极膜水解离研究的基础上,结合有关文献,对双极膜电渗析器可能的组装方式进行论述,并进行一些评价,按其应用的领域不同,分成下述几个方面.1酸碱的生产1.1同时生产酸碱双极膜的最早功用是进行水解离生产酸和碱,采用最简单的两室(不包括极室,下同形式(图1,图1两室双极膜水解离电渗析示意图当双极膜反向加压后,在电场的作用下,膜内盐离子快速迁移完毕,阴阳膜层的界面就会发生水的解离,离解的H +、OH -分别通过阳膜层和阴膜层反向扩散,外界水不断补充,于是在双极膜两侧的碱室和酸室分别得到酸和碱,这就是双极膜水解离过程制酸碱的基本原理[9,10].后来发展到三室结构(图2,除收稿日期:1999-06-15第一作者:男,1967年生,博士,副研究员3中国科技大学校内青年基金资助课题第20卷第1期膜科学与技术Vo1.20No.12000年2月MEMBRAN E SCIENCE AND TECHNOLO GYFeb.2000图2三室双极膜水解离电渗析示意图了碱室和酸室外,中间是电解质溶液脱盐室,用了两张双极膜,具有对称性.笔者认为两室结构较为简单,但电流效率较低,因为阴极室产生的碱易通过阴膜向酸室扩散,阳极室产生的酸也易通过阳膜向碱室扩散,因而影响了盐正负离子的扩散和传递,降低了电流效率;而三室的结构,由于靠近极室的双极膜能阻挡酸碱的通过,就能克服这一弊端.尤其是阳膜不与酸直接接触,阴膜不与碱直接接触,膜的寿命大大延长.事实上G ineste等用这种组合方式已生产了高达6mol/L的酸和碱[11].不过,不难看出,若以这两种结构为基本单元,组成双极膜堆,则具有相同的重复单元结构(图3,靠近极室除外.图3多室双极膜堆结构示意图1.2仅生产碱[12]这种功用的双极膜电渗析组装方式如图4,由两张双极膜和一张阳膜组成的两室(碱室和酸盐混合室结构.由于混合室的酸也易通过阳膜与阳离子竞争扩散,电流效率极大程度上取决于酸的强弱,这种组装方式最适于从弱酸强碱盐生产碱和酸盐混合液,而且酸的离解常数越小、盐的浓度越高越好(在竞争扩散时,对盐正离子有利.为获得更高的电流效率,往往再加一块阳膜构成如图5所示的三室结构,这种情况下,盐溶液先通过两阳膜组成的室,然后进行循环,显然这时能得到酸浓度更高的酸盐混合液(碱的浓度差别不大,如果混合液中酸的浓度相同,此时的电流效率会更高.图4产碱的两室双极膜水解离池图5产碱的三室双极膜水解离池图6产酸的两室双极膜水解离池1.3仅生产酸[12]这种功用的双极膜电渗析组装方式如图6,由两张双极膜和一张阴膜组成的两室(酸室和碱盐混合室结构.同理,这种组装方式最适于从强酸弱碱盐如(N H4NO3生产纯酸和碱盐混合液,而且碱的离解常数越小、盐的浓度越高越好(在竞争扩散时,对盐负离子越有利.不过这种装置也适于强碱盐,当然要求碱的浓度要低(如0.2mol/L以下,以减・54・膜科学与技术第20卷少碱离子对盐负离子的竞争扩散.同样,为获得更高的电流效率,也可组成图7的三室结构形式:增加一张阴膜,并使混合液循环.图7产酸的三室双极膜水解离池2酸、碱、盐废液的净化和回收2.1废酸的净化回收[13]在有些工业生产中,通常产生大量的酸性废液,例如铅蓄电池生产中的硫酸废液,离子交换树脂再生废液,冶金工业中硫酸废液,铀加工中的硝酸废液等,这些废液中金属阳离子含量高,用常规的分离方法如普通电渗析、扩散渗析、离子交换都不能进行有效回收,但若以双极膜代替普通电渗析中的阳膜而组成图8所示的双极膜电渗析,问题就会迎刃而解.此时两张阴膜和两张双极膜交替放置构成三室结构,废酸料液从中间室通过,阴离子可通过阴膜向左室扩散,与双极产生的H +形成酸,于是料液中酸的浓度降低,其中的酸以较纯的形式得以回收.不过用这种装置回收酸有一定的极限,因为随过程的进行,料液中酸的浓度不断降低,p H 增大,在料液室易形成沉淀而阻塞膜孔,造成通量的降低,所以通常得不到100%的回收,而是有意保留0.1~0.3mol/L 的酸在料液中;这部分料液不能直接排放,还需要进行中和后才能排放.但若溶液中只有可溶性离子,就不存在上述问题.显然该过程比扩散渗析来得快,回收酸的浓度高(由于有电场力的作用.另外在双极膜的另一侧产生的OH -也有可能通过阴膜与盐负离子竞争扩散,因此这种过程更适于从强酸弱碱盐的酸性废液中回收酸.废酸的回收是双极膜水解离技术第一个实现商业化应用的例子,一个年处理6×106L 的HF 和硝酸混合液的装置现已在Washington Steel 运行,再生的酸质量分数为HF 4%~5%,HNO 3为5%~8%,纯度非常高,仅含0.54%~5%K +和痕量重金属,产生的HF 和硝酸返回到酸洗工序,而KOH/KF 则用于中和工序除去重金属. 图8废酸净化回收的双极膜水解离单元2.2废碱的净化回收[13]同理,若以阳膜代替图8中的阴膜,构成图9的组装方式,则可对废液中的碱进行有效的回收,不同的是此时料液需从两边室通过而在中间室得到产品碱.这对回收造纸废液和赤泥废液中的碱提供了一个很好的解决办法.同样,这种过程更适于从弱酸强碱盐特别是有机酸盐的酸性废液中回收酸.图9废碱净化回收的双极膜水解离单元2.3盐的净化回收上述是从酸或碱与盐组成的废液中回收酸或碱,若稍微改变一下进料方式就可以从这些废液中回收盐.图10是类似图2的组合方式(阴阳膜位置互换,两侧室进碱盐的混合料液,料液中盐负正离子分别通过阴阳膜向中间室扩散而形成盐,在左室由于双极膜产生的酸中和部分碱而得到碱少盐多的第1期徐铜文等:双极膜电渗析的组装方式及其功用・55・处理后料液,同理在右室由于双极膜产生碱而得到碱多盐少的处理后料液.为防止右室的碱与盐负离子的竞争扩散,要求碱的离解常数越小越好,因此适于处理弱碱性料液.若从弱酸性盐料液中回收盐,可按图11的组合方式与进料方式进行,过程类似.图10弱碱液中盐净化回收的双极膜电渗析结构单元示意图图11弱酸液中盐净化回收的双极膜电渗析结构单元示意图由于酸碱中和是最简单最节能的方式,很容易中和废液中酸或碱而得到相应的盐,因此用双极膜过程进行回收只有理论上的意义,无实际应用价值.3酸性气体的清除、回收随着工业的发展,排放越来越多的有害酸性气体如CO x 、NO x 、SO x 和HF 等,会引起温室效应、光污染和酸雨,对人们的生存环境已构成了极大的威胁,若不有效进行治理,后果不堪设想.双极膜过程对这类酸性气体的处理是十分有效、简单的,易于连续化操作.例如从燃料气中回收SO 2[14],可先用碱液(NaOH 进行吸收,吸收液(主要成分NaHSO 3通过图12的双极膜电渗析,其基本单元是有两张阳膜和一张双极膜构成的两室结构,则在酸室里得到H 2SO 3溶液,很容易通过气提富集SO 2,碱室里主要含Na 2SO 3和NaOH 液,可返回初始工序进行吸收尾气,整个过程实现了零排放,不仅回收了有用物质,而且治理了环境污染,Soxal TM 已将此技术用于工业废气中SO 2的脱除[15],运行良好.对于CO x 、NO x 的治理,原理类似.图12两室NaHSO 3双极膜转化器4有机酸的生产、回收4.1有机酸制备新工艺在发酵法制备有机酸过程中,有机酸的产生将使发酵液p H 值降低,阻碍菌体的生长和产物的进一步形成,传统的方法是加碱沉淀,然后硫酸酸化再制得有机酸[16].这一生产工艺包括酸解、沉淀、过滤等过程,不仅需要消耗大量酸碱,而且过程复杂,劳动强度大,形成大量废液、废渣污染环境.若用双极膜电渗析水解离,作为H +和OH 2的供应源,可直接从发酵液中生产有机酸,不必引入无机酸和碱,既节省了原料,又大大地简化了工艺,避免了环境污染.双极膜电渗析生产有机酸有三室式和两室式两种形式.在三室式电渗析转化器中,与盐生成酸碱类似,可利用图2的组合方式将有机酸盐直接转化为有机酸和相应的碱.两室式的电渗析器组合方式有两种,一种是如图4所示的由两张双极膜和一张阳膜组成,有机酸盐进入左室,其阳离子通过阳膜向右室迁移形成碱,双极膜产生的H +进入左室而获得有机酸,如前所述,这种转化器可由有机酸盐制得一种纯碱和盐与酸的混合物.另一种是如图6所示的・56・膜科学与技术第20卷由两张双极膜和一张阴膜组成,有机酸盐进入右室,其阴离子通过阴膜向左室迁移与双极膜产生的H +结合形成有机酸,这种转化器可由有机酸盐制得一种纯酸和盐与碱的混合物.由于有机酸盐易于电离,而有机酸的离解度较小,双极膜产生的H +很容易将盐离子置换出来而得有机酸,获得的较纯碱可直接返回初始发酵工序,因此图4的组合方式可获得较高纯度的有机酸.图6由于碱离子和有机酸盐的阴离子竞争扩散,会造成电流效率的降低,更适合有机碱的生产.利用双极膜电渗析工艺很易实现工艺的连续化,由于生成的碱能很快返回发酵罐,可维持p H 值稳定,工艺得到大大简化,劳动强度也大大降低,其工业流程如图13所示[17].图13有机酸制备工业流程图4.2有机酸回收新工艺在传统法生产有机酸中,沉淀后,仍有相当一部分的有机酸残留在母液中,如味精的生产中,有质量分数为20%的谷胺酸钠残留在母液中(浓度达1.5%,这些母液若直接排放,既造成环境严重污染,又浪费资源,产品得率低.目前的方法是用离子交换或者蒸发浓缩重新提取,这两种方法弊端很多,前者不能实现连续化操作,需频繁耗费大量的酸碱进行再生,并污染环境;后者能耗大,经济上不合算,最终母液仍需排放.若把双极膜与单极膜组合成图14的方式,则能对母液中的有机酸盐进行有效的回收.图14是由一张双极膜、一张阴膜和两张阳膜组成的三室结构,含有机酸盐的母液进入右室,其阴离子通过阴膜向中间室迁移与双极膜产生的酸离子形成有机酸,双极膜产生的碱离子与盐正离子在左室形成碱,右室为脱盐室,可直接排放或水再利用.若母液中成分以有机酸形式存在,则可利用图6所示的由两张双极膜中间放置一张阴膜的两室结构,含有机酸的母液进入右室,利用右边双极膜产生的OH -使有机酸离解产生有机酸根,然后通过中间的阴膜向左室迁移,利用左边双极膜产生的H +而在左室形成有机酸,利用这一原理可回收常见的有机酸和各种氨基酸[18,19].图14有机酸回收的双极膜水解离单元图15两室提钾双极膜转化器5海洋化工领域中离子分离海洋化工涉及的分离如K +和Na +,I -和Br -、Cl -是十分棘手的问题,分离难度相当大,产品得率低,一直制约着盐化工的发展.目前用斜方沸石能有效的富集K +和I -,但脱附难度大,且沸石很容易破碎,分离效率低.若把双极膜过程与吸附过程结合起来,可望改进现行的工艺.图15是提取K +的装置,由双极膜和阴阳膜各一张组成的两室结构,左室填充斜方沸石,利用其优先吸附K +的特性,将卤水中的K +富集,然后借助与双极膜产生的H +,将K +交换下来,并通过阳膜向右室迁移,与通过阴膜迁移来的X -形成KX.这种操作很有优势,由于NaX (如NaCl 的溶解度受温度的影响不大,因此混入NaX 关系也不大,只要能把KX 的浓度提高,意义就非常重大.另一方面由于溶液中K +的迁移数大于Na +,第1期徐铜文等:双极膜电渗析的组装方式及其功用・57・ 58 ・・膜科学与技术第 20 卷因此从理论上也保证了 K + 优先透过膜 , 初步实验表明这种方案十分可行 . 类似地若把图 15 的阴阳膜对调位置并改变一下电极方向 ( 如图 16 ,则可借助斜方沸石易吸附 I 的特性将其富集在右室 . 若把图 15 、组合在一起 16 + ( 图 17 ,则可同时富集 K 和 I . 边分别对称放置的阳膜阴膜构成的四室结构 . 左边一室是含 Cu2 + 料液 , 阳离子通过阳膜到达左边二室 ,由于双极膜离解的 O H - 也进入二室 , 因此该室显碱性 ,与萃取剂环烷酸 ( HR 中和 ,使 Cu2 + 优先在该室与环烷酸根形成萃合物 CuR2 ,萃取液循环进入双极膜右边一室 ( 第三室 , 在这里由于双极膜离解的 H + 置换出Cu2 + , 萃取剂得到再生 , 再循环至左边二室 , 反萃取下的 Cu2 + 通过右边阳膜进入第四室 ,与通过阴膜的料液中的阴离子 ( 如 Cl - 形成盐 , 整个过程基本无需添加萃取剂 , 过程很易实现自动化 ,操作大大得到简化 . 图 16 两室提碘双极膜转化器图 18 含铜料液的电萃和电反萃示意图 7结论本文系统地论述了双极膜和阴阳膜可能的组合方式以及他们的应用 , 并对组合方式的优劣进行了评价 . 双极膜电渗析通过巧妙的组合 , 妙趣横生 , 可分别应用于化工、环保、生物化工、海洋化工等诸多领域 ,并有望解决这些领域中的技术难题 ,给这些领域注入新的生机和活力 . 致谢 : 本文在撰写过程中 ,得到了国家海洋局杭州水处理中心莫剑雄研究员的诸多指教 ,深表谢意 . 参考文献 1 Francesco P , Rosignano S L . Met hod for making a bipolar membrane. US Patent 5849167. 1998 - 12 - 15 2 Simons R G ,Bay R. High performance bipolar membranes. US Patent 5227040 ,1993 - 07 - 13 3 Lee L TC ,Dege G J ,Liu K J . High performance ,quality controlled bipolar membrane. US Patent 4057481. 1997 - 图 17 联合提钾、碘的双极膜转化器 6传统化工操作的革新膜过程的出现彻底改变了传统的化工分离过程 ,形成了诸如膜萃取、膜反应、膜催化、膜精馏、膜吸收等一些新的集成单元操作 , 这里介绍双极膜在新的单元操作中的一个应用———电萃和电反萃结合从混合含 Cu2 + 料液中回收Cu2 + . Cu2 + 的萃取一般在碱性条件下用环烷酸作萃取剂 ,煤油为萃取介质 , 酸性条件下反萃取而得产品 , 过程复杂 , 效率低下 , 溶剂损失严重 . 这个过程可用双极膜一步完成 ,实现这种功能的组合方式如图 18 ,由一张双极膜和其两 1期第 11 - 08 徐铜文等 : 双极膜电渗析的组装方式及其功用 Membr Sci , 1991 ,58 :117～138 59 ・・ 4 Liu KJ ,Lee H L . Bipolar membranes. US Patent 4584246. 1986 - 04 - 22 5 Mueller H , Puetter H. Production of bipolar membrane US Patent 4670125. 1987 - 06 - 02 6徐铜文 ,汪志武 ,刘 . 双极膜的理论及应用展望 . 水处宁 13 Chao Y C , Chlanda F P , Mani K N. Bipolar membranes for purification of acids and bases. J Membr Sci ,1991 ,61 : 239～252 14Liu K J , Chlanda F P , Nagsubramanian K. Application of bipolar membrane technology : A novel process for control of sulfur dioxide from flue gases. J Membr Sci , 1978 , 3 : 57～70 15 Liu K J , Nagsubramanian K , Chlanda F P. Membrane electrodialysis process for recovery of sulfur dioxide from power plant stack gases. J MembrSci ,1978 ,3 :71～83 16 陈驹声主编 . 有机酸发酵生产技术 . 北京 : 化学工业出版理技术 ,1998 ,24 ( 1 :20～25 7 廖尚志 , 莫剑雄 . 双极膜的发展和应用 . 水处理技术 , 1995 ,21 ( 6 :311～318 8 Nagsubramanian K ,Chlanda F P , Liu K J . Use of bipolar membrane for generation of acid and base - An enigneering and economic analysis. J Membr Sci ,1977 ,2 :109～124 9 Kedem O , Warshawsky A. Supported , mechanically stable bipolar membrane for electrodialysis. US Patent 5288385. 1994 - 02 - 22 10 Kimura T , Suzuki M , Uchibori T. Bipolar type ion ex2 change membrane electrolytic cell. EP 0704556Al. 1996 03 - 04 11 Gineste J L , Pourcelly G , Lorrain Y , et al . Analysis of factors limiting t he use of bipolar membranes : A simplified model to determine trands. J Membr Sci ,1996 ,112 :199～ 208 12 Mani K N. Electrodialysis water splitting technology. J 1 2 2 社 ,1991 17 Mani K M , Cglanda F P , Byszewski C H. Aquatech membrane technology for recovery of acid / bases values from salt streams. Desalination ,1988 ,68 :149～166 18 Lee E G , Moon S H , Chang Y K , et al . Lactic acid re2 covery using two - stage electrodialysis and its modelling. J MembrSci ,1998 ,145 :53～66 19 Grib H , Bonnal L , Sandeaux R , et al . Extraction of am2 p hoteric amino acids by an electromembrane process - p H and electrical state control by electrodialysis wit h bipolar membranes. J Chem Technol Biotechnol ,1998 ,73 :64～70 2 1 2 3 The f unctions and constructions of a bipolar type ion exchange membrane electrolytic cell X u Tongw en , S u n S husheng , L i u Zhaom i ng , Y ang W ei hua , L i S anqi ng , L i X u di , He B i ngli n branes is applied in many separation processes and fields , such as chemical ,Biological ,Ocean Chemical ,etc ,and st rates t he basic st ruct ures of various types of elect rolytic stacks and gives t he corresponding comment s. Key words bipolar membrane elect rodialysis const ruction arrangement has brought about much changes in t hese areas. According to t he aims of different appications ,t his paper demon2 Abstract Elect rodialysis wit h wonderf ul combinations of bipolar membranes and monopolar ion exchange mem2 ( 11Depart ment of Applied Chemist ry , U niversity of Science and Technology of China , Hefei 230026 ; 21 Instit ute of Ocean Chemical Engineering & Science of Shandong , Souguang 262737 ; 31 The State Key Laboratory of Functional Polymer Materials for Adsorption and Separation , Tianjin 300071。