一种新型膜技术_双极膜的特性及应用

收稿日期:2008-01-15一种新型膜技术—双极膜的特性及应用郭岭志,施培俊,苟毅征,李世斌(解放军理工大学工程兵学院,江苏南京210007)摘要:从理论方面介绍了双极膜的特性—主要是水解离电渗析的特性;另外还通过实例介绍了双极膜在清洁生产、食品和医药工业、海水脱硬和制碱以及双极膜蓄电池的广泛应用,最后对其研究发展做了展望。关键词:双极膜;特性;应用中图分类号:X501文献标识码:A文章编号:1673-9655(2008)04-0017-03双极膜(BPM)是一种新膜,通常是由阴离子交换层、阳离子交换层和界面亲水层复合而成。自1950年,Ionic公司报导了以离子交换树脂粉和高分子材料混合制备离子交换膜以来,双极膜这种新膜技术就成为新的研究热点。20世纪80年代以前处于双极膜研发初期,双极膜仅由两片阻阳离子交换膜组成,性能很差;到了90年代初,双极膜技术有了较大提高,出现了单片双极膜,性能有了较大提高;现在,由于膜材料、膜结构等方面重大改进,阴、阳膜之间出现了一层“催化层”,大大降低了膜电压,提高了膜性能。目前,双极膜在化工、环保、能源等诸多领域发挥了重要作用。一般认为双极膜具有水解离电渗析和纳滤性能,其中,水解离电渗析技术已经成为双极膜研究和应用的首要目标。1双极膜的特性111电渗析特性Frilette最早发现阴阳离子交换膜中水解离现象,导致膜表面形成钙镁沉淀,并且溶液中产生中性扰乱现象,这些都不是我们希望发生的,但是它能在离子交换膜表面将水解离成H+和OH-,所以可以通过双极膜将水解离成H+和OH-,生成酸和碱。如图1所示。反应:2H2O=2H++2OH-,H+与透过阴膜的Cl-结合生成酸,OH-与Na+生成碱。这样能够在不引入新组分情况下,将盐转化为相应的酸和碱。假设都生成1mol的酸和碱,直接电解水的总反应为3H2O=1/2O2+H2O+2H++2OH-,总电位为2106V,利用双极膜中间层水解时2H2O=H3O++OH-,电位为0183V。可见,用双极膜具有能耗低等优点。图1双极膜将水解离成酸和碱112纳滤特性双极膜有一定的孔径,并且阳、阴膜荷有不同电荷,使得双极膜具有“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,它会像其它荷电膜一样,完成的是介于超滤和反渗透之间的操作———“纳滤”。2双极膜的应用211在清洁生产中的应用21111在烟气脱硫和再生脱硫废液中的应用二氧化硫主要来源于火电厂、冶炼厂、硫酸厂等,是形成酸雨和酸沉降的主要来源,对人类生存环境构成了巨大威胁,利用双极膜电渗析不仅可以脱出烟气中的二氧化硫,而且可以回收利用。如图2所示。SO2-3在酸室中反应生成SO2,部分SO2-3被氧—71—环境科学导刊2008,27(4):17-19CN53-1205/XISSN1673-9655化成SO2-4,在碱室中,HSO-3与OH-反应生成SO2-3,利用Na2SO3+SO2+H2O=2NaHSO3反应,使SO2吸收和解析。图2双极膜电渗析烟气脱硫流程图目前,WellmanLord工艺是烟气脱硫普遍采用的工艺,脱硫废液NaHSO3存在二次污染,再生的Na2SO3不稳定,加热易被氧化成Na2SO4,双极膜电渗析法再生NaHSO3能有效避免二次污染发生,减少吸附剂在再生过程中的损失。如图3所示。图3双极膜电渗析法再生脱硫废液流程图在酸碱室,在糟中加入脱硫废液NaHSO3溶液,在直流电场作用下,H2O解离为H+和OH-。酸室中的HSO-3与H+生成H2SO3,碱室中HSO-3与OH-生成SO2-3。21112在有机酸回收与制备中的应用传统有机酸生产方法是发酵法,这种方法往往要消耗大量酸碱,形成大量废液、废渣污染环境,但若用双极膜电渗析水解离,可直接从发酵中生产有机酸,既节省原料,又避免环境污染。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,一个处理量为6×106L/a的HF和硝酸混合液现已在WashingtonSteel运行,再生的酸浓度HF为4%～5%,HNO35%～8%,纯度非常高,仅含0154%～5%的K和痕量重金属,产生的HI和硝酸返回到酸洗工序,而KOH/KF则用于中和工序去除重金属。国内许多学者已对双极膜电渗析在有机酸回收与制备中作了很多研究实践,取得了许多可喜成果。例如成功回收废水中浓度极稀的乙酸,从维C钠盐溶液中制取维C酸,还有实现葡萄糖酸盐到葡萄糖酸的回收等等。林涛、余立新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;蒋维钧等申请了“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112mol/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%。212在食品和医药工业中的应用双极膜在食品医药