双极膜电渗析在钢铁行业酸洗废液处理中的应用研究
双极膜电渗析在钢铁行业酸洗废液处理
中的应用研究
摘要：将双极膜电渗析技术应用到钢铁行业酸洗废液处理领域，采用自主设计的双极膜电渗析器，以某钢带厂酸洗废液中和后的上清液（Na2SO4）为原料制备NaOH和H2SO4。要求产生的硫酸（浓度大于10%），回用于酸洗生产线；产生的氢氧化钠（浓度大于8%）用来中和沉淀原酸洗废液。实验结果表明：在电流密度57mA/cm2，中和处理后的上清液（Na2SO4 10%）条件下，实验范围内新产生的H2SO4 浓度约为15.4%，NaOH浓度为7.9%，满足要求。因此将双极膜电渗析法应用到钢铁行业酸洗废液处理过程中是可行的、且具有较大的优势，能做到减少污染物排放，资源回收，节约原料成本的目的。
关键词：双极膜电渗析，钢铁行业，酸洗废液，资源回收
前言：在钢材生产过程电镀和喷涂生产单元之前，应清除掉外表面的氧化铁皮。目前除氧化铁皮的方式，基本使用酸洗技术。所谓的废酸液是指经过酸洗后酸洗液中酸的浓度降低，铁盐的含量增加，从而使酸洗能力不能满足生产速度和质量要求的酸洗液，这时的溶液中仍含有5%左右的酸，也含有20%~24%的铁（FeSO4），由于严重的腐蚀性，已被列入《国家危险废物名录》。如果对该废酸液不进行处理，排入下水道或者直接外排到附近受纳水体，残酸会腐蚀水泥和混凝土及周边土地，破坏水体中的碳酸钙平衡，而使水中动物死亡，有害于农作物，该类废液直接排放不仅严重污染周边环境，违反国家《环境保护法》，而且造成极大浪费。
目前国内外钢铁工业硫酸酸洗废液的处理方法主要有中和法、硫酸铁盐法、渗析法、生物法等方法。
中和法：一般采用石灰、电石渣或烧碱对其进行中和处理，使pH值达到国
家排放标准后排放。其缺点是中和药剂成本高，费用大，废酸处理量受限，而且
酸洗废液中的硫酸、FeSO4等资源没有得到有效利用。
硫酸铁盐法采用浓缩、冷却、结晶等手段，使硫酸亚铁结晶析出，并烘干回收。其缺点是设备投资大，操作麻烦，处理频繁，生产周期长，能耗高，只能回
收硫酸亚铁，不能回收硫酸。
电渗析法：利用电场的作用，将离子向电极处牵引，透过离子交换膜。其缺
点是耗电量太高。
生物法：通常氧化酸洗废液法式在pH较高的条件下进行。国外研究结果表明，可以用微生物一硫杆菌氧化二价铁盐，然后在水解生产黄铰铁钒。其缺点此
方法有一定局限性，需要在NH4+存在的条件下才能顺利完成。操作和处理过程比
较复杂，很难控制反应条件。
鉴于目前公知技术存在的问题，本篇论文提供一种节能、环保的新型酸洗废
液处理方法，将双极膜电渗析技术应用到钢铁行业酸洗废液的处理中，利用双极
膜电渗析设备制的碱液去处理硫酸酸洗废液；用双极膜电渗析设备制的酸液回用
于酸洗生产线，节省了原料成本，资源回收利用，减少了污染物排放和环境影响。
一、项目简介
1.1 项目概况
某钢带厂酸洗废液主要成分硫酸亚铁溶液（H2SO4含量10%，FeSO4含量4%-6%）；pH=0.85。日处理量1T，目前处理工艺
此工艺中和药剂成本高，费用大，废酸处理量受到限制，而且酸洗废液中产生的硫酸、FeSO4等资源没有得到有效利用，直接排放资源浪费。
针对上述问题，设计一种节能、环保的新型酸洗废液处理方法，将双极膜电渗析技术应用到钢铁行业酸洗废液的处理中，利用双极膜电渗析设备制的碱液去处理酸洗废液；用双极膜电渗析设备制的酸液回用于钢铁工业酸洗生产线，节省了原料，资源再回收，减少污染物排放。
1.2 设计要求
根据甲方提供数据，当酸洗废液经过中和沉淀过滤后，上清液硫酸钠浓度约为10%，要求应用双极膜电渗析设备对硫酸钠进行处理，产生的硫酸浓度大于10%回用酸洗生产线。
二、实验材料与装置
2.1.实验材料
本实验采用自主设计的双极膜电渗析器。它主要由稳流直流电源、膜堆、流量计、循环水泵以及4个10L水槽组成，各水槽用以盛装极液、碱液、料液、酸液。双极膜电渗析的阴极以及阳极皆为钛涂钌材质，隔板尺寸为8cm×20cm的三隔室双极膜电渗析，单片隔板有效面积55cm2，其膜性能参数如下表：
2.2实验装置
2.3实验步骤
实验流程图如下
将要处理的硫酸钠溶液进行预处理过滤（过滤精度5um），然后由料液泵送
入盐室后通过循环泵进行闭路循环；酸室循环箱和碱室循环箱中的初始溶液均为
去离子水，在循环泵的作用下进入各室后进行闭路循环，极室采用3%硫酸钠溶液，依次通入阳、阴极室后进行闭路循环。酸室、碱室、盐室、极室循环箱中初始溶
液的体积分别为310ml，310ml、1000ml、700ml，保持各循环回路的流速一致。
在操作过程中，恒定膜堆电流，每隔30min记录电压值，且对酸液槽中的酸浓度
进行测定，实验采用酸碱滴定法确定酸的浓度。当膜堆电压出现明显上升时，停
止运行。
2.4能耗、电流效率以及转化率的计算
实验中涉及的评价参数包括电流效率、能耗及转化率。分别采用如下等式表
示
其中，n为离子化合价，F为法拉第常数，Ct与C0分别为酸在初始时刻以及
t时刻时的浓度，V代表酸体积，I代表膜堆电流，N代表膜对数
其，U为电压，M1为酸的摩尔质量
其中m为Na2SO4中SO42-的质量，M2代表SO42-的摩尔质量
2.5实验结果分析检测方法
酸、碱、盐室电导率和pH通过在线电导率仪和pH计进行实时测定，产品酸和产品碱采用滴定方法测其浓度。
三、结果与讨论
3.1数据分析
从上表实验数据可以看到，硫酸能达到15.4%，氢氧化钠能达到7.9%，能够满足实验要求。
图1 电压随时间变化曲线
由图1可以看出试验中电压按快速减小期—稳定期—快速增加期；由于初始阶段酸室和碱室浓度较小，相应电导率低，维持相同电流的电压就高，随着实验进行，盐室浓度降低，酸碱室浓度增加，体系电导率变大，电压迅速减小，且在相当长一段内保持稳定。随着料液中大部分离子迁移到酸、碱隔室，为了维持相同电流因此所需电压变大，又呈上升趋势。
图2 产酸浓度随时间变化曲线图3产碱浓度随时间变化曲线
从图2和图3可以看出，产酸量、产碱量随着实验的进行浓度不断增加，但是增加趋势越来越缓慢，当达到一个峰值之后即呈平稳趋势。
3.2结果计算
根据2.4公式计算，可以得到最后结果：
电流效率51% ，能耗：氢氧化钠能耗3.48kwh/kg，硫酸能耗3.7kwh/kg。硫酸钠转化率81.2% 。
硫酸的迁移量为0.328kg/m2.h
氢氧化钠的迁移量为0.339kg/m2.h
通过起始硫酸钠的SO42-浓度、酸室硫酸的SO42-浓度，以及盐室硫酸的
SO42-浓度，可以得知：
硫酸钠处理量为0.555kg/m2.h
四、结论
4.1 结论
本文设计一种节能、环保的新型酸洗废液处理方法，将双极膜电渗析技术应用到钢铁行业酸洗废液处理过程中，以解决钢铁行业酸洗废水传统工艺处理后造成药剂成本高，费用大，废酸处理量受到限制，而且酸洗废液中产生的硫酸、FeSO4等资源没有得到有效利用，直接排放资源浪费等问题。
将双极膜电渗析技术应用到钢铁行业酸洗废液中，对后处理的盐进行酸碱制备。通过实验得出以下结论：
从盐的转化率、电流效率及能耗各方面综合分析，证实在选择的操作条件下能高效地将酸洗废液后处理的盐溶液转化为相应的酸及碱，初步证明采用双极膜技术处理钢铁酸洗废液中后处理盐溶液进行酸碱制备的可行性。
实验证实盐溶液（Na2SO4）通过双极膜电渗析能高效（转化率81.2%）转变为相对应的酸和碱，并通过酸的品质（H2SO4浓度15.4%）分析证实了利用此法获得的酸满足生产要求，可完全替代工业用酸。
综合上述结论，利用双极膜电渗析技术有效地解决了钢铁行业酸洗废液中和处理后形成高盐水排放，造成资源浪费，污染严重等问题，为以后该领域的研究及生产提供了理论及实践依据。
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双极膜电渗析在钢铁行业酸洗废液处理中的应用研究
双极膜电渗析在钢铁行业酸洗废液处理 中的应用研究 摘要：将双极膜电渗析技术应用到钢铁行业酸洗废液处理领域，采用自主设计的双极膜电渗析器，以某钢带厂酸洗废液中和后的上清液（Na2SO4）为原料制备NaOH和H2SO4。要求产生的硫酸（浓度大于10%），回用于酸洗生产线；产生的氢氧化钠（浓度大于8%）用来中和沉淀原酸洗废液。实验结果表明：在电流密度57mA/cm2，中和处理后的上清液（Na2SO4 10%）条件下，实验范围内新产生的H2SO4 浓度约为15.4%，NaOH浓度为7.9%，满足要求。因此将双极膜电渗析法应用到钢铁行业酸洗废液处理过程中是可行的、且具有较大的优势，能做到减少污染物排放，资源回收，节约原料成本的目的。 关键词：双极膜电渗析，钢铁行业，酸洗废液，资源回收 前言：在钢材生产过程电镀和喷涂生产单元之前，应清除掉外表面的氧化铁皮。目前除氧化铁皮的方式，基本使用酸洗技术。所谓的废酸液是指经过酸洗后酸洗液中酸的浓度降低，铁盐的含量增加，从而使酸洗能力不能满足生产速度和质量要求的酸洗液，这时的溶液中仍含有5%左右的酸，也含有20%~24%的铁（FeSO4），由于严重的腐蚀性，已被列入《国家危险废物名录》。如果对该废酸液不进行处理，排入下水道或者直接外排到附近受纳水体，残酸会腐蚀水泥和混凝土及周边土地，破坏水体中的碳酸钙平衡，而使水中动物死亡，有害于农作物，该类废液直接排放不仅严重污染周边环境，违反国家《环境保护法》，而且造成极大浪费。 目前国内外钢铁工业硫酸酸洗废液的处理方法主要有中和法、硫酸铁盐法、渗析法、生物法等方法。
中和法：一般采用石灰、电石渣或烧碱对其进行中和处理，使pH值达到国 家排放标准后排放。其缺点是中和药剂成本高，费用大，废酸处理量受限，而且 酸洗废液中的硫酸、FeSO4等资源没有得到有效利用。 硫酸铁盐法采用浓缩、冷却、结晶等手段，使硫酸亚铁结晶析出，并烘干回收。其缺点是设备投资大，操作麻烦，处理频繁，生产周期长，能耗高，只能回 收硫酸亚铁，不能回收硫酸。 电渗析法：利用电场的作用，将离子向电极处牵引，透过离子交换膜。其缺 点是耗电量太高。 生物法：通常氧化酸洗废液法式在pH较高的条件下进行。国外研究结果表明，可以用微生物一硫杆菌氧化二价铁盐，然后在水解生产黄铰铁钒。其缺点此 方法有一定局限性，需要在NH4+存在的条件下才能顺利完成。操作和处理过程比 较复杂，很难控制反应条件。 鉴于目前公知技术存在的问题，本篇论文提供一种节能、环保的新型酸洗废 液处理方法，将双极膜电渗析技术应用到钢铁行业酸洗废液的处理中，利用双极 膜电渗析设备制的碱液去处理硫酸酸洗废液；用双极膜电渗析设备制的酸液回用 于酸洗生产线，节省了原料成本，资源回收利用，减少了污染物排放和环境影响。 一、项目简介 1.1 项目概况 某钢带厂酸洗废液主要成分硫酸亚铁溶液（H2SO4含量10%，FeSO4含量4%-6%）；pH=0.85。日处理量1T，目前处理工艺
钢铁酸洗废水处理技术探析
钢铁酸洗废水处理技术探析 随着当代人资源利用意识、环境保护意识的提高，社会各界对钢铁酸洗废水资源化处理给予了高度关注与认可。钢铁酸洗废水腐蚀性强，且含有大量可回收铁、酸资源，对钢铁酸洗废水进行资源化处理，不仅技术上可行，而且社会效益显著。 1 钢铁酸洗废水的组成与危害 为了提高钢铁表面质量，必须进行酸洗工序。在实际工业生产中，硝酸、氢氟酸、盐酸、硫酸等是较为常用的酸。在硫酸酸洗废液中，硫酸约占5%～10%，硫酸铁约占17%～23%，水约占73%。在盐酸酸洗废液中，氯化亚铁约占10%～14%，氯化氢约占3%～4%。在硝酸-氢氟酸酸洗废液中，硝酸约占7%～15%，HF约占3%～6%，铁离子约为20～40mol/L，并含有部分镍、铬等成分。 含酸废水会严重危害钢筋混凝土、下水管道等设备，严重抑制废水中的生物繁殖。若将含酸废水直接排放到环境中去，会导致庄稼枯死、鱼类死亡，严重危害生物作物生长。若含酸废水深入土壤中去，会严重损害土层松散状态，导致土质钙化。人畜长时间饮用高酸度水，会导致灼烧或肠胃炎。与此同时，酸洗过程中产生的酸雾，还会使设备、厂房受到腐蚀，使操作工人身体受到危害。酸雾大量挥发，还会进一步提高酸洗成本。钢铁酸洗废水严重威胁人类与环境安全，在生态环境日益恶化的今天，加强钢铁酸洗废水资源化处理技术探究迫在眉睫。 2 钢铁酸洗废水资源化处理技术 2.1 钢铁酸洗废水中酸的资源化处理技术 2.1.1 蒸馏技术。鉴于氢氟酸、硝酸、盐酸等具有易于挥发、气压高等特点，可以将硫酸与酸洗废水进行融合、浓缩，当浓度超过60%时直接在真空状态下进行80℃高温蒸馏，进而有效分离酸与其他物质。相关研究证实，在酸洗废液中加入10%体积硫酸，进行25分钟蒸发后，氢氟酸蒸发率为87.9%，硝酸蒸发率为57.8%，当酸洗废液体积降到原来体积的36.4%时，便可实现废液排放量的降低。蒸馏技术能有效回收酸资源，但其运行风险高且设备投资大， 2.1.2 焙烧技术。在氧气、水分充足且高温条件下，氯化亚铁具有定量水解的特性，基于这一点，可以通过焙烧技术直接在焙烧炉中将氯化亚铁转化为三氧化二
酸洗废水处理工艺及处理方法
酸洗废水处理工艺及处理方法 酸洗废水（废酸）认真指在轧钢、金属表面处理、电子元件制造 等过程产生的一种液体废弃物，被列入《国家紧急废弃物名录》。依据 其中所含化学成份的不同，酸洗废水（废酸）分为盐酸酸洗废水（酸）、硫酸酸洗废水（酸）和混酸酸洗废水（酸）三种。其中盐酸酸洗废水（酸）含有盐酸，氯化亚铁等；硫酸酸洗废水（酸）含有硫酸和硫酸亚 铁等；混酸酸洗废水（酸）含有盐酸、硫酸及相应的铁盐。 酸洗废水（废酸）处理工艺现状 1.双膜法 双膜法是膜分别法的一种，适合于处理酸浓度较高的酸洗废水 （废酸）。膜分别是利用膜对离子的高选择性将金属离子和酸分别的高 效处理工艺，可以充分回收酸和金属盐。常见的膜技术有双膜、微滤、 超滤、电渗析、集中渗析、陶瓷膜、反渗透和纳滤等。双膜法工艺简洁，投资成本低，回收率高，而且回收酸的纯度较高。然而，与其他几种膜 相比，该方法运行成本较高，并且由于膜的材诘责题，会消失质子穿透 阴离子交换膜的现象，从而影响回收酸的浓度和电流效率。 2.结晶法 结晶法重要包括浓缩结晶法和冷冻结晶法。浓缩结晶法通过蒸发 酸组分析出盐晶体；冷冻结晶法利用无机盐在废酸中溶解度随温度下降 而降低的特性，通过低温降低金属盐的溶解度，析出盐晶体，达到酸盐 分别的目的。结晶法的优点是处理过程不需要消耗新酸，回收酸可直接 用于耗酸工段；缺点是设备多、投资大、能耗高。该方法无论在环境效 益还是技术可行性方面都具有明显优势。 3.中和法 中和法是目前普遍应用的酸洗废水（废酸）处置方法，常用的中 和剂有石灰石、苏打、氢氧化钠、飞灰等。接受石灰中和+三效蒸发处
置工艺，以石灰石为中和剂提高废酸的pH值，形成硫酸钙和金属氢氧 化物的共沉淀，滤液经蒸发后达标排放。 石灰中和沉淀法的优点是工艺成熟、简洁，出水含盐量低、水质 较好；缺点是污泥量大，酸洗废水（废酸）中的金属难以回收，蒸发过 程产生的废盐难以处置，所产生的二次固废综合利用难度大，对环境会 产生二次污染，因此不是一种的很好的酸洗废水（废酸）处置方法。 4.喷雾烧结法 盐酸、硝酸等易挥发酸的再生可通过焙烧法实现。焙烧法是在高 温条件下蒸发酸洗废水（废酸），通过吸取塔回收酸，废酸液中的金属 离子在高温条件下发生水解氧化反应生成金属氧化物，通过炉底的输送 管道进入粉料仓，从而达到分别重金属、回收酸的目的。 焙烧工艺的重要设备包括焙烧反应炉、旋风分别器、预浓缩器、 液滴分别器、洗涤塔等，其优点是酸再生效率高、再生酸浓度高，缺点 是设施投资大、运营费用高、修理困难、技术难度大、能耗高、存在二 次污染。以含铁废酸的处置为例，虽然实现了对酸的再生与回收，但产 生的酸洗氧化铁利用价值不高。喷雾焙烧法在大型钢铁厂废酸再生过程 应用较普遍，但不适用于对酸洗废水（废酸）的处理。 5.离子交换法 钢铁加工企业会产生大量的酸洗废水（废酸），该类废液重金属 离子浓度高，只要能降低重金属离子浓度，再生酸便可回到酸洗工段循 环利用。目前，离子交换树脂是处理重金属废水常用的技术。离子交换 树脂重要由单体、交联剂和交换基团构成，其结构重要包括高分子骨架、离子交换基团和孔3个部分。离子交换树脂按孔型可分为大孔型树脂和 凝胶型树脂。大孔型树脂的作用机理为分子间范德华力，能够吸附大分 子有机物质；凝胶型树脂属于高分子构架，吸水膨胀，产生很多细孔， 能够吸附无机离子。离子交换树脂为再生型材料，且对重金属离子的吸 附效果好，因而凝胶型树脂普遍应用于重金属废水处理。 6.化学转化法
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。
双极膜电渗析可以应用于多个领域
双极膜电渗析可以应用于多个领域 双极膜电渗析（Bipolar membrane electrodialysis，BMED）是一种新型的离子分别技术，它利用双极膜将水分子电解成氢离子和氢氧离子，从而实现溶液中离子的分别。由于该技术具有良好的环保性、高效性以及经济性，因此在很多领域都得到了广泛的应用。下面将认真介绍该技术在不同领域中的应用。 1. 废水处理领域 废水处理是双极膜电渗析技术最紧要的应用领域之一、BMED技术可以有效地除去难以处理的有机物、重金属离子、异色污染物等，使废水达到国家排放标准。值得一提的是，这种技术处理废水的效率高、成本低，具有紧要的市场应用前景。 双极膜电渗析技术的工作原理是利用电渗析和电解过程的耦合，其核心是由两个反相电场分界的双极膜，在它的上下两侧形成了两个电位的不同区域。水分子在膜的正面上电解出氢离子，而在膜的反面上电解出氢氧离子，从而达到离子分别的效果。由此可见，在废水处理领域中，该技术可用于各类离子的分别，包括难以处理的有机物、重金属离子、异色污染物等。 2. 发酵技术领域 发酵工艺是现代生物技术中的一项紧要技术，它是利用微生物在特定条件下催化有机物转化成有用物质的过程。BMED技术可以用于发酵废水和发酵液的离子分别，对于提高发酵利用率和产品纯度有侧紧要的作用。 发酵废水的紧要特点是含有大量的氨氮、有机物和少量的无机盐，其中氨氮和有机物是紧要的难点。经过BMED技术处理后，可以通过离子分别获得含有大量氨氮和少量有机物的氮肥，同时将含有有机物较少的废水进一步处理，带动了环保型肥料的进展。
3. 电化学合成和分析领域 电化学合成是一种绿色、环保的合成技术，在化学合成、生物化学等领域有着广泛的应用。BMED技术与电化学合成技术相结合，可以用于有机合成、催化剂制备等方面。同时，该技术还可以用于电化学分析，精准分别和测量目标离子种类。 通过BMED技术在电化学应用中的发挥，有效地提高了产品合成的选择性、活性和纯度，加速了分析和检测的过程，提升了分析和检测的精度和效率。 4. 生物技术领域 生物技术是近年来快速进展的一项技术领域，其紧要任务是将生物学学问应用于工业和科学领域。BMED技术可以用于生物反应器中有机物和无菌培育液中离子的分别，提高生物过程的效率和纯度。 通过BMED技术的应用，可以使去除有机物和去除金属离子的工作效率得到很好的提高，同时还可以更改溶液的PH值，从而提高反应效率。 总结 双极膜电渗析技术在废水处理、发酵技术、电化学合成和分析以及生物技术等多个领域中都得到了广泛应用，发挥侧紧要的作用。通过该技术的应用，可以提高废水的处理效率、提高产品合成的活性和纯度、提高生物过程的效率和纯度、加速化学品分析和检测的过程，具有特别广阔的市场前景。
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。
双极膜电渗析技术在有机酸制备与回收中的应用
双极膜电渗析技术在有机酸制备与回收中的应用双极膜电渗析技术在有机酸制备与回收中的应用 1. 引言 有机酸是一类在许多行业应用广泛的化学品，包括食品、制药、农业等领域。然而，传统的有机酸制备方法通常存在诸多问题，如反应产物难以分离纯化、化学试剂消耗大、对环境不友好等。为了解决这些问题，科学家们不断努力寻找新的酸基制备和回收技术。近年来，双极膜电渗析技术作为一种应用广泛的分离和浓缩技术，在有机酸制备与回收领域展示出了巨大的潜力。 2. 双极膜电渗析技术的原理及优势 双极膜电渗析技术是利用带电的聚合物膜，基于电渗析和电解质选择性渗透原理，实现分子的选择性转移和纯化。传统的反渗透膜技术仅适用于纯水处理，而双极膜电渗析技术则可以广泛应用于有机酸制备与回收过程中。 双极膜电渗析技术的优势主要体现在以下几个方面： 1) 简单高效：双极膜电渗析技术的操作相对简单，不需要使用大量的化学试剂，从而减少了废物产生和环境污染。 2) 选择性渗透：通过调节膜的特性，可以实现对特定有机酸的高效分
离和回收，同时去除杂质和水分。 3) 可调性强：双极膜电渗析技术可以根据具体的需求进行调节和优化，以实现最佳的分离效果。 3. 双极膜电渗析技术在有机酸制备中的应用 双极膜电渗析技术在有机酸制备中有着广泛的应用。以柠檬酸的制备 为例，传统的方法通常采用化学合成或酶法合成，但存在分离困难和 反应条件容易受到限制的问题。而双极膜电渗析技术可以有效解决这 些问题。 在双极膜电渗析技术中，通过选择和设计合适的聚合物膜以及优化操 作条件，使得柠檬酸通过正负极膜的渗透和选择性转移，实现柠檬酸 的纯化和回收。该技术具有高效、经济、环保等优点，在柠檬酸制备 中显示出了广大市场和应用前景。 4. 双极膜电渗析技术在有机酸回收中的应用 有机酸回收是有机酸制备过程中的一个重要环节，传统的回收方法往 往存在效率低、产生大量废液等问题。双极膜电渗析技术在有机酸回 收中的应用可以解决这些问题。 通过调节膜的特性和操作条件，双极膜电渗析技术可以实现有机酸的 高效回收。该技术可以将有机酸从废液中分离出来，同时去除杂质和 水分，使得回收的有机酸具有更高的纯度和更好的稳定性。这对于降
双极膜电渗析法制备偏钨酸铵溶液的研究
双极膜电渗析法制备偏钨酸铵溶液 的研究 双极膜电渗析法制备偏钨酸铵溶液的研究 偏钨酸铵是一种常见的无机化合物，具有广泛的应用领域，包括催化剂、电池材料、金属表面处理剂等。但是，传统的化学合成方法存在着一些不足之处，如反应条件苛刻、产品纯度低等。因此，寻求一种有效的制备方法是十分必要的。近年来，双极膜电渗析法因其高效、环保、低成本等优点，成为了制备偏钨酸铵溶液的一种重要方法。本文将着重探讨双极膜电渗析法制备偏钨酸铵溶液的研究进展。 1. 双极膜电渗析法的原理 双极膜电渗析法是一种利用双极膜的溶液分离原理，通过外加电场将离子分离、移动及浓缩的方法。它由中间储罐、阳离子膜、阴离子膜和极板四部分组成。在外加电场的作用下，阳离子和阴离子从中间储罐分别进入不同的腔室，通过阴离子膜和阳离子膜中的离子交换，使其中的偏钨酸根离子向阴离子膜一侧浓缩，而铵离子向阳离子膜一侧浓缩，最终得到偏钨酸铵溶液。 2. 双极膜电渗析法制备偏钨酸铵溶液的研究现状 近年来，许多学者采用双极膜电渗析法制备偏钨酸铵溶液进行了研究。其中，焦晓云等（2015）在实验室中进行了双极
膜电渗析制备偏钨酸铵溶液的实验研究。结果表明，以0.8 M Na2WO4为起始溶液，pH值为5.0、温度为30°C、电场密度为4 mA/cm2的工艺条件下，可以获得高质量的偏钨酸铵溶液，半硫酸铵用量分别为1.2倍和1.8倍时，产品的离子选择性都较好，且均可以达到99%以上。该研究证实了双极膜电渗析法在偏钨酸铵溶液制备中的高效和可行性。 3. 双极膜电渗析法制备偏钨酸铵溶液的优势 相比传统的化学合成法，双极膜电渗析法有着很多优势。首先，该方法无需使用有机溶剂或有毒的还原剂等物质，减少了环境污染和化学危险品的使用；其次，制备周期短，反应灵敏度高，具有反应控制精度高、重现性好等特点；再次，该方法能够提高偏钨酸铵的纯度和产率，得到了更优质的产品。 4. 双极膜电渗析法制备偏钨酸铵溶液的研究展望 尽管双极膜电渗析法已经成为偏钨酸铵溶液制备的有效方法，但仍然需要进一步探索和研究。例如，如何提高偏钨酸铵溶液的产量和纯度等问题，以及如何优化工艺参数等方面，都需要我们继续深入研究。特别是在工业化生产方面，需要大规模研究生产线的设计和优化，以适应高效、环保、低成本的要求。 总之，双极膜电渗析法制备偏钨酸铵溶液是一种非常有效和有前途的研究领域。通过不断地优化和改进，相信这种方法将会在偏钨酸铵制备中发挥更加重要的作用。
双极膜电渗析可以将水溶液中的盐转化为对应的酸和碱
双极膜电渗析可以将水溶液中的盐转化为对应 的酸和碱 什么是双极膜电渗析？ 双极膜电渗析是一种以离子选择性膜为界面的电化学过程，它利用电场的作用力将电解质从一侧推向另一侧，从而实现盐类分别的目的。该技术可分别不同的离子和分子，包括高浓度的含盐水和有机物溶液。其优点是处理过程中不涉及化学反应和化学添加剂，因此更加环保节能。 双极膜电渗析的工作原理 双极膜电渗析以静电作用的方式将电解质从一侧推向另一侧。其基本运作过程是通过选通的双极膜来分割成两个区域，一个是阴阳离子的电解质溶液，另一个是带电子的电场。其中，双极膜表面上带有正负电荷，可以分别出带正离子和带负离子的两个区域。在这个特定的环境中，由于电场的气力，带电的离子会穿过双极膜，从一个区域转移到另一个区域。 双极膜电渗析的应用 由于双极膜电渗析可以实现盐转化为对应的酸和碱，因此在很多行业中得到了广泛的应用。以下是双极膜电渗析的应用案例： 1. 水处理 双极膜电渗析可以去除水中的盐，水处理中的膜分别技术和中空纤维膜技术可以在渗透过程中去除水中的无机盐。这种技术适合于海水淡化、纯水制备、废水处理等领域。 2. 食品加工业 双极膜电渗析可以抽取含盐食品的盐分，使之成为更健康的产品。此外，该技术还可以实现酸碱分别、吸附分别等操作，被广泛应用于乳制品和饮料加工领域。
3. 医药工业 双极膜电渗析可以用于提取药品中的分别物，稀释药品，去除水中污染物等。其应用于医药工业的领域包括基因工程制药、医疗器械制造、生物制品制造等。 4. 化学工业 在化学工业中，双极膜电渗析被广泛用于分别水溶液中含盐的有机物和无机物，从而提纯化合物。该技术也可应用于金属加工、纤维素加工、石油加工、染料加工等领域。 双极膜电渗析的优势 双极膜电渗析技术有很多优势，其中最紧要的包括： 1. 节省能源 双极膜电渗析技术是一种低能耗的分别技术。它可以在常温下运行，且只需要较低的电压就可以达到特定的分别效果。 2. 操作简单 双极膜电渗析分别技术操作简单，无需化学添加剂，对环境友好。它可以帮忙企业实现更为可持续的进展。 3. 分别效率高 双极膜电渗析技术分别效率高，可以将盐分别到对应的酸和碱溶液中，使得处理的废水更易反应，更简单分别和处理。 结论 双极膜电渗析技术是一种特别的分别技术，它以双极膜为界面，以电场力为作用力，将电解质从一侧推向另一侧，实现盐类的分别。由于其技术特点和优势，该技术在水处理、食品加工、医药工业和化学工业中都有广泛的应用。
电渗析技术在废水治理及资源化应用研究
电渗析技术在废水治理及资源化应用研 究 摘要：电渗析是一种由不同选择性离子交换膜按照一定的排放方式组成的离 子分离和纯化技术。因其具有效率高、环境友好、占地面积小和易于操作等特点，在高盐废水治理及资源回收方面得到了广泛的研究和应用。本文阐述了电渗析和 双极膜电渗析技术的原理，介绍了其在高盐废水治理、酸碱回收、氮磷废水资源 化以及其它有价离子回收领域的研究现状，并对其发展前景进行了展望。 关键词：电渗析；治理；资源化 21世纪以来，我国经济的高速发展加速了对自然资源的开采，出现了越来越 多的环境问题。长期粗放型的经济增长方式使得大量未经处理或处理不完全的废 水被排放到水体中。此外，随着采矿、冶炼、电镀等行业的快速发展，越来越多 的重金属被释放在环境中[1]，对环境生态安全、人类健康造成较大的潜在危害。 一方面，污染物的大量排放给环境造成极大的压力，并最终通过食物链的作用危 害人类的健康；另一方面，氮磷以及重金属等对生命和人类社会生产活动具有重 要的作用。因此，如能对废弃物中的各种有毒有害且有用的物质进行回收再利用，一方面能缓解造成的环境污染问题，另一方面，还可实现有价资源的回收，具有 环境和经济的双重效益。 电渗析技术是膜分离技术的一种，基于离子交换膜的高选择透过性从而具有对分离组分 的高选择性。方法操作简单且无需大量化学试剂的使用，是一种高效且环境友好的方法，已 成为目前水污染控制的热点技术，广泛应用于高盐废水富集浓缩、海水淡化、工业废水脱盐 等领域[2]。 1电渗析技术的原理 1950年，W.Juda试制出具有高选择透过性能的阴、阳离子交换膜，从而奠定了电渗析 技术的实用基础。电渗析技术是一种由阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列组成的用于带 电离子分离与富集的工艺。阴极和阳极之间的电势差是电渗析的主要驱动力。电渗析过程中，
双极膜电渗析设备工艺
双极膜电渗析设备工艺 双极膜亦称双极性膜，是特种离子交换膜，它是由一张阳膜和 一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜的特点是在直流电场的作 用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H+和OH—并分别通过阴膜和 阳膜，作为H+和OH—离子源。双极膜按宏观膜体结构分可分为均相 双极膜和异相双极膜。 电驱动膜分别器的紧要部件为阴、阳离子交换膜，隔板与电极 三部分。隔板构成的隔室为液流经过的通道。淡水经过的隔室为脱 盐室，浓水经过的隔室为浓缩室。若把阴、阳离子交换膜与浓、淡 水隔板交替排列，重复叠加，再加上一对端电极，就构成了一台应 用电驱动膜分别器。 若电驱动膜分别器各系统进液都为NaCl溶液，在通电情况下， 淡水隔室中的Na+向阴极方向迁移，Cl—向阳极方向迁移，Na+与Cl—就分别透过CM与AM迁移到相邻的隔室中去。这样淡水隔室中 的NaCl溶液浓度便渐渐降低。相邻隔室，即浓水隔室中的NaCl溶 液浓度相应渐渐升高，从电驱动膜分别器中就能源源不绝地流出淡 化液与浓缩液。淡水水路系统、浓水水路系统与极水水路系统的液 流由水泵供应，互不相混，并通过特殊设计的布、集水机构使其在 电驱动膜分别器内部均匀分布，稳定流动。从供电网供应的沟通电，经整流器变为直流电，由电极引入电驱动膜分别器。经过在电极溶 液界面上的电化学反应，完成由电子导电转化为离子导电的过程。
用夹紧板紧固在一起的膜堆部分称为电驱动膜分别器。电驱动膜分别器要进行工作，必需有水泵、整流器等辅佑襄助设备，还必需有进水预处理设施。通常把电驱动膜分别器及辅佑襄助设备总称为电驱动膜分别器装置。 双极膜电渗析设备是由双极膜、阴膜和阳膜构成的3室式电渗析设备，通过供应无机盐（Na2SO4），阴离子（SO42—）透过阴离子交换膜和在双极膜分解成的H离子（H+）结合成酸（H2SO4），另一方面，阳离子（Na+）透过阳离子交换膜和在双极膜分解成的OH 离子（OH—）结合成碱（NaOH）（进行中和逆反应）。 将双极膜与阴、阳离子交换膜组合构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。由于双极膜可以在较低的电势差下实现水的电解，因此双极膜电渗析设备已成为制备酸/碱产品的技术之一，在电流效率、过程节能环保以及资源综合利用等方面具有较突出的优势。
双极膜电渗析技术其实是电渗析技术中的一种
双极膜电渗析技术其实是电渗析技术中的一种什么是电渗析技术 电渗析技术是一种利用离子在电场中受力向电极移动，而通过半透膜分别物质的技术。大致原理是将被处理溶液通过半透膜引入两极板块之间，然后加上外加电场，依据离子带电性质的不同，经过置换作用，使得成分不同的溶质依据带电性质而向不同极板集中以实现分别的技术。随着电渗析技术在分别纯化中的广泛应用，同时也对其工艺提出了更高的要求，双极膜电渗析技术应运而生。 双极膜电渗析技术基本原理 电渗析技术，简单来说就是利用外加电场的力，不断将带电离子在溶液中经过置换作用而留存于某个极板上，从而实现溶液的纯化和分别的技术。而双极膜电渗析技术在电渗析技术的基础上，加添了一个中心的膜层，使得其带有独特的电渗析技术的分别和纯化效果。 其基本原理是将要分别的混合溶液置于双栅渗析室中（阔别胶体粒子和大分子），在两极间设置双极膜，与其单面通电，即可通过电渗作用将混合溶液中不同的溶质分别开来。此外，双极膜的中心膜层能够进行离子互换，使其凝集物质离子浓度大大降低，进一步促进溶液的分别和纯化。 双极膜电渗析技术的优势 相比于传统的电渗析技术，双极膜电渗析技术具有以下几点明显的优势： 双极膜的加添，使得纯化程度更高 双极膜的存在，使得混合溶液中的离子可以在膜层之间进行双向分别，并且离子的导数常数和电张力都可以实现更大的调整范围。这样，不仅输入的原始溶液通量更大、流量更高，在混合溶液中的离子和水分子得到更加均匀的分别和纯化，使得双极膜电渗析技术中纯化程度更高。
稳定性更好 双极膜电渗析技术具有良好的流量稳定性和水平稳定性，倚靠于电解质的选择能够平稳运行其电动势，同时可以实现特定程序下非稳定双极膜固定的对应纯化水平。 激活能更小 在传统电渗析技术中，常受到溶液中可溶离子不足，造成离子交换不利的情况。而双极膜电渗析技术的存在，能够通过膜层之间的互换，使得带导离子得以充分利用，从而削减系统的激活能。 知名度更广 双极膜电渗析技术通常可用于细胞和生物学方面的分别，而传统的电渗析技术，对生物和细胞大多无法使用。 总结 双极膜电渗析技术作为电渗析技术中的一种分别和纯化技术，具有比传统电渗析技术更高的纯化程度、更好的稳定性和激活能更小等优势，因此在分别、纯化等领域更为广泛的应用。
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。
石墨废水双极膜电渗析制酸、碱技术
石墨废水双极膜电渗析制酸、碱技术 1、基本信息 1.1 物料信息 石墨化学提纯工艺产生的废水，经预处理后氯化钠的含量为4%左右、硝酸盐1870mg/L，含有20ppm的氟离子。 1.2 试验目标 通过均相膜电渗析对废水进行浓缩至140g/L，淡水小于10g/L；浓水进双极膜电渗析得到两个当量的酸、碱。 2、试验方案 2.1 试验原理 试验采用均相膜电渗析处理水洗液，在电场作用下，水中的Na+透过阳离子交换膜，Cl-透过阴离子交换膜，从淡水室迁移到浓水室，实现对盐溶液的浓缩，详见图1。 3隔室双极膜电渗析（图2）原理在于，当双极膜两端施加反向电压时，阴阳离子交换层中的离子将分别通过阴、阳层向主体溶液迁
移。于是BP中间界面层出现了强电场的狭窄区域，此时，水分子快速解离生成H+和OH-迁移到主体溶液之中，消耗的水分子通过扩散作用由膜外溶液向中间界面层补充。迁移到主体溶液中的H+和OH-分别与穿过阴、阳离子交换膜的Cl-、Na+结合，在酸、碱室生成HCl和NaOH。 试验过程中通过电导率确定盐浓度，并以能耗、处理量等参数进行分析。 2.2 试验方案 均相膜电渗析用于对废水进行脱盐浓缩，将浓水输送至双极膜电渗析进行酸碱处理。同时，反渗透技术可用于将淡水回收并重新使用。双极膜电渗析将盐水处理至约50g/L后，将其送回原物料中。通过蒸发碱液可以得到片碱，而酸液则可以经过浓缩后再用于浸泡石墨。 2.3 试验设备
试验设备如表1所示。 2.4 检测方法 具体检测方法如表2所示。 3、结果与讨论 物料预处理的检测结果如表3所示，试验前由于树脂未活化故浓缩后对物料进行除硬。浓盐水过滤后未检测到Ca、Mg的存在。 浓缩及双极膜试验结果汇总如表4所示。试验共处理5L废水，浓缩终点浓水电导率为162.2mS/cm，TDS为140.7g/L；淡水电导率9.8mS/cm，TDS为7.6g/L。双极膜试验产碱浓度为1.97mol/L、酸浓
双极膜电渗析技术的研究进展
双极膜电渗析技术的研究进展 电渗析（ED），作为膜分离中发展较早的分离技术，是在电场作用下，以电势差为驱动力，利用离子交换膜对料液进行分离和提纯的一种高效、环保的分离过程。1956年，V. J. Frilette发现在电渗析膜面上形成的钙镁垢是由膜面上的水解离造成的，从而首次提出利用双极膜（BPM）促进膜中水解离现象的想法。随着膜分离技术和膜材料的发展，出现了由阴阳离子交换层和中间界面催化层复合而成的双极膜材料。其与传统电渗析结合构成的双极膜电渗析（BMED）技术在近年来得到了迅速发展，成为了ED工业发展的新增长点。BMED 是由BPM、阴离子交换膜（AEM）、阳离子交换膜（CEM）等基本单元按照一定的排列方式组合而成的。在电场作用下，双极膜中的H2O快速解离为H+和OH-，将盐溶液转化为酸和碱。近年来，BMED多用于清洁生产、资源回收利用、污染零排放中，同时作为新兴的绿色技术，BMED与其他化工技术正朝着集成化的方向发展。本文从BMED的基本工作原理出发，回顾BMED技术的发展过程，并总结其近年来在酸碱生产、资源分离和污染控制等方面的研究和应用进展，最后根据目前双极膜应用中存在的问题探讨其研究的重点和未来发展的方向。01 双极膜电渗析1.1 BMED的工作原理BMED运行时，在电场作用下离子进行定向迁移，当双极膜中的离子都迁向主体溶液时，中间层的水会解离产生H+和OH-对电流进行负载。然而双极膜中发生的水解离现象不同于通常的水解离，研究者们对其解离的过程机理开展了大量的理论研究，但限于过程的复杂性，目前还没有达成统一的结论。根据水在双极膜中间层解离过程的不同，主要提出3种解释水解离机制的物理模型，见图1。SWE 模型认为，在电场作用下，双极膜中间层（阴阳离子尖锐结合区）会因离子迁移而出现薄的无离子区域，认为水解离发生于此。H2O的解离跟弱电解质在高压条件下的解离过程相同，H+和OH-的产生速率为H2O的解离速率，解离常数与电压成正相关；在SWE模型的基础上，为了解膜上荷电基团对水解离的影响，进一步提出化学反应模型（CHR），该模型认为由膜基质中的羧酸基、叔胺基和膜内的金属离子等影响水解离速率的现象可知，膜上固定基团通过质子化反应进行水解离产生H+和OH-，且解离更易发生在AEM侧；为解释双极膜中间层较大的能量消耗，提出中和层模型（NL），结果发现，双极膜的AEM、CEM界面处存在中和层区域，水解离发生在电荷区和电荷与中和层区域的界面处。以上提出的水解离物理模型具有一定的假设和适应范围，存在局限性。SWE模型仅适应电压为107~108 V/m的体系，且假设了双极膜中间层是尖锐结合而成的结构；CHR模型考虑了双极膜的实际结构和膜上荷电基团会使水发生解离，但无法解释与SWE模型计算出的数值间较大的差距；NL 模型只能用于明显存在中和层的体系。因此下一步要加深对双极膜水解离理论的研究，完善水解离理论工作曲线，建立有实际应用价值的物理模型。对水解离机制的探索，有助于改善双极膜的制备工艺，优化双极膜性能。1.2 BMED的发展历程随着水解离机制理论研究的深入，双极膜的制备工艺也从简单到复杂，性能从差到优异。1950年，W. Juda用离子交换树脂粉、高分子材料制备出离子交换膜，作为膜的正式发展开端。从1956年V. J. Frilette提出双极膜概念到20世纪80年代，双极膜的制备采用将阴阳离子交换膜压制到一起的压制法，操作简便，但解离电压过高，无法用于商业化使用。从20世纪80~90年代，通过在阴/阳离子交换膜上浇铸阳/阴离子层制备单片型双极膜，电流效率得到提高，双极膜逐渐被使用，并向商业化方向发展。从20世纪90年代开始，双极膜结构发生了较大改变，带有中间催化层的“三明治”结构出现，使解离电压大幅度降低，双极膜性能得到快速的提升。特别是近些年，研究者们致力于制备催化性能和亲水性能优异的双极膜中间层使界面区域电阻最小化。BPM与AEM、CEM组成的BMED的装置构型从简单的二隔室发展为三隔室，由B-C-B或
双极膜电渗析技术在有机酸生产中的应用进展.doc
双极膜电渗析技术在有机酸生产中的应用进展 在最近的10 几年里，双极膜电渗析技术(Elec-Trodialysis 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，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，0H 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 C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。 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。 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（略）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（略）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^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
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）