探析雙極膜技術(shù)在環(huán)境工程中應(yīng)用

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1、探析雙極膜技術(shù)在環(huán)境工程中應(yīng)用　　摘要：本文簡述了雙極膜基本理論，介紹了雙極膜技術(shù)在環(huán)境工程中的一些應(yīng)用實例，詳細(xì)分析了其研究現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顟B(tài)。關(guān)鍵詞：雙極膜；離子交換膜；水解離；環(huán)境工程中圖分類號：TN431文獻標(biāo)識碼：A文章編號：前言膜一般定義為兩相之間的不連續(xù)區(qū)間,它是把兩相分開而又使之互相關(guān)聯(lián),發(fā)生能量和質(zhì)量傳遞以及進行化學(xué)的反應(yīng)的中間介質(zhì)。由于具有選擇性好、效率高、能耗低、操作條件溫和等許多突出特點,正在逐步取代一些傳統(tǒng)的單元操作如精餾、萃取、常規(guī)反應(yīng)等,以膜為基礎(chǔ)的分離過程已顯示了巨大的生命力,對環(huán)境工程及其相關(guān)工業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的變革。雙極性膜,是近年來發(fā)展比較迅

2、猛的一種新膜,它通常由陽離子交換層(N型膜)和陰離子交換層(P型膜)復(fù)合而成的一種新型離子交換復(fù)合膜,是近年來從離子膜中分開并單獨成為比較活躍的研究領(lǐng)域,近年來雙極膜的研究已成為膜領(lǐng)域內(nèi)的一個極其重要的分支。，雙極膜的應(yīng)用從化工行業(yè)擴展到生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源等諸多領(lǐng)域。1雙極膜的主要性能71.1雙極膜水解離電滲析電滲析法近15年來,水的脫鹽淡化、制鹽等領(lǐng)域增長率都保持在15%左右,其中以水的脫鹽規(guī)模最大,其次是超純水的制備。但這些領(lǐng)域都已經(jīng)成熟、且市場容量接近飽和,所以開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域就非常必要了。目前國外已把研究和開發(fā)的重點轉(zhuǎn)移到水解離技術(shù)和水壓滲技術(shù)上,水解離技術(shù)

3、已成為目前市場增長率最快的生長點。所以以雙極膜(BPM)為基礎(chǔ)的水解離技術(shù)已成為電滲析技術(shù)中現(xiàn)在研究和應(yīng)用的首要目標(biāo).雙極膜一般指由陰離子交換樹脂層(AL)和陽離子交換樹脂層(CL)及中間界面親水層組成,在直流電場作用下,它能將水直接解離成H+和OH-。Frilete最早發(fā)現(xiàn)陰、陽離子交換膜中水解離現(xiàn)象,并導(dǎo)致電滲析膜面上形成鈣鎂垢的生成,和溶液中產(chǎn)生中性擾亂現(xiàn)象,這并不是我們所希望的.但由于它在離子膜表面能將水直接解離成H+和OH-,所以人們想到利用這一現(xiàn)象通過雙極膜的途徑,將水直接解離成H+和OH?？梢允果}生成相應(yīng)的酸和堿。在圖2中,電極通電時,反應(yīng)過程有氫氣和氧氣產(chǎn)

4、生。陰極在1N酸中的電解反應(yīng)：H2O→1/2O2↑+2H++2e理論電位：1.229V7陽極在1N堿中的電解反應(yīng)：H2O+2e→H2↑+2OH-理論電位：0.828V總的電解反應(yīng)：3H2O→1/2O2↑+H2+2H++2OH-總電位：2.057V如圖2所示，在直流電場作用下，雙極膜中間層水解離時的反應(yīng)：2H2O→H3O++OH-，其總的理論電位為0.828V?？梢?，用雙極膜產(chǎn)生H+和OH-具有能耗低、過程無副產(chǎn)物氧氣、氫氣生成等優(yōu)點，且在雙極膜電滲析器中只需一對電極，結(jié)構(gòu)可更緊湊。1.2雙極膜的雙重電荷排斥性首先，雙極膜這種材料有一定的孔徑，并且陽膜陰膜荷有不同電荷，使得

5、雙極膜具有“篩分效應(yīng)”與“荷電效應(yīng)”，當(dāng)雙極膜兩側(cè)的分離推動力為壓力差時，它會象其它荷電膜一樣，完成的是介于超濾和反滲透之間的操作——“鈉濾”。但由于雙極膜的雙重電荷排斥性，雙極膜鈉濾又具有獨特的優(yōu)點。單一的荷電膜只能分離同離子，但雙極膜則對2價陽離子、陰離子同時具有截留作用，可同時將1價、2價陽離子、陰離子分離。2雙極膜在環(huán)境工程中的應(yīng)用2.1雙極膜就地生產(chǎn)酸堿用于樹脂再生7傳統(tǒng)的樹脂再生劑一般采用濃酸、濃堿的稀釋液，需要專門的濃酸堿儲存裝置，安全隱患大，工業(yè)生產(chǎn)這些酸堿會污染環(huán)境，同時再生后的廢液的排放也會對環(huán)境造成威脅。用雙極膜電滲析器電解鹽類可以得到相應(yīng)的酸堿，如

6、電解NaCl可以得到低濃度的NaOH和HCl。2.2有機酸的制造根據(jù)有機酸鹽易電離和有機酸離解度小的特性,可利用雙極膜電滲析器直接將有機酸鹽轉(zhuǎn)化為純度較高的有機酸。這種電滲析器的基本單元由二張雙極膜和一張陽膜組成,這三張膜把電滲析器分成酸室和堿室,有機酸鹽MR直接進入酸室,在直流電場作用下,雙極膜陽膜側(cè)析出的H+進入酸室,與有機酸根離子R-結(jié)合生成難電離的有機酸分子,被H+置換出的金屬離子M+則在電場作用下通過陽膜進入堿室,因此該轉(zhuǎn)化器可達(dá)到將有機酸鹽轉(zhuǎn)化為有機酸及副產(chǎn)品堿的目的,蔣維鈞等已利用該裝置對葡萄糖酸鈉進行轉(zhuǎn)化,證明是可行的。2.3金屬離子的分離和富集Co和Ni

7、的性質(zhì)有許多共同之處,一般很難將這二種物質(zhì)分離,但利用雙極膜和配位化學(xué)的結(jié)合很容易將這兩種物質(zhì)分離,該過程用下述二個電滲析器(A和B)來完成。將Co2+、Ni2+混合液加入A器的2室,在A電滲器的3室加入配位劑乙酰丙酮(以R2表示),通電時,2室中的Co2+、Ni2+進入3室,由于NiR2穩(wěn)定常數(shù)更大,因此Co2+不與R2作用(在Ni2+存在下),直接進入47室最后遷移到?jīng)]有配位劑的5室中。3室中主要為含NiR2的溶液,把此溶液引入B電滲器中的4室,利用雙極膜產(chǎn)生的H+而置換出配位劑,離解的Ni進入B電滲析器5室中,再生后的B