双极膜电渗析的组装方式及其功用

www.h2o123.com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pH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·www.h2o123.com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、16组合在一起(图17),则可同时富集K+和I-.图16两室提碘双极膜转化器图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OH-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