双极膜电渗析的组装方式及其功用

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1、双极膜电渗析的组装方式及其功用1221223徐铜文孙树声刘兆明杨伟华李善清李旭娣何炳林(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

2、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

3、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/L25℃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H2、O2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

4、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.11.1酸碱的生产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

5、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·54·膜科学与技术第20卷构,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

6、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Gineste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仅生产酸[12]这种功用的双极膜电渗析组装方式如

7、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(NH4NO3)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1.3图3多室双极膜堆结构示意图仅生产碱[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,

8、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1.2图6产酸的两室双极膜水解离池第1期徐铜文等:双极膜电渗析的组装方式及其功用·55·8%,纯度非常高,仅含0.54%～5%K+和痕量重金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