第11卷第3期 2011年6月
过程工程学报
The Chinese Journal of Process Engineering
双极膜电渗析再生酸碱过程中的阴膜漏氢研究
王倩，丛威
(中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京100190)
VoL.1I No.3 June 2011
摘要：对3种阴离子钠盐三室双极膜电渗析再生酸碱过程中的酸室漏氢现象进行了研究.结果表明，NaCI和Na,SO。度顺序为Na,SO,>NaCI>CgO,HNas.漏氢导致盐室溶液pH值下降，Na,SO,盐室pH值降幅达3.02,Na,SO再生酸和碱的平均电流效率分别仅为C,O,H,Na;的38.4%和48.2%，能耗则为CgO,H,Na;的1.68和1.36倍，造成阴膜漏氢的根
本原因是盐室中成盐阴、阳离子迁移速度不同，缓解漏氢的关键在于强化阴离子的迁移关键词：双极膜电渗析：钠盐；阴离子交换膜，漏氢，离子迁移，电荷平衡
中图分类号：TQ028.8 1前言
文献标识码：A
文章编号：1009-606X(2011)03-043606
为膜状的离子交换树脂，阴/阳膜的膜体中分别含带正电
双极膜(BipolarMembrane，BM)是一种新型离子交换膜，通常由阴离子交换层(N型膜)、阳离子交换层(P 型膜)和/或中间层复合而成2，双极膜可解离水生成 OH和H，且过程中不发生电化学反应.将双极膜与阴离子交换膜(Anion-exchangeMembraneAM)、阳离子交换膜(Cation-exchangeMembrane，CM)组合成双极膜电渗析(BipolarMembraneElectrodialysis,BMED)，可将水溶液中的盐转化生成相应的酸和碱，如图1所示，在外加直流电场作用下，盐室中NaCI溶液的阴离子CI 穿过阴膜进入酸室，与双极膜阳侧产生的H结合生成 HCI：而盐室中的阻离子Na穿过阳膜进入碱室，与双极膜阴侧产生的OH结合生成NaOH.这样即可将盐落液转化为相应的酸和碱.随着双极膜电渗析技术的发展，其应用已扩展到环境、化工、生物和能源等领域(45)
HCI
W8
Acid ec HCI
NaC Salt ell
NaC
CM
NaOH
BM
Bae ell
OH
LNa
NaOH
图1BMED氧化钠再生酸碱原理图
Cathode
Fig.1 Principle of acid and base regeneration from
sodiumchloridebyBMED
用双极膜电渗析再生酸碱时，阴/阳离子交换膜的选择性决定了再生酸碱的纯度和浓度.离子交换膜可视
的碱性活性基团和带负电的酸性活性基团，因此能选择性透过与自身所带电性相反的离子(反离子)而阻挡与自身所带电性相同的离子(同离子).商业化离子交换膜对大部分同离子和反离子的选择性都可达90%以上[6]但研究发现质子通过阴膜的迁移比其他同离子容易得多，阴膜的质子泄漏已成为影响双极膜电渗析再生酸碱浓度和电流效率的主要因素(3,7-9，为缓解漏氢，已开发出商品化的阻酸膜[3.10],但H,O*在自由水溶液中迁移存在特殊的“隧道效应”[]，其迁移性是同样大小离子的6 倍左右，这导致阴离子交换膜对质子具有较高的渗透性，而对其他阳离子几乎不渗透因此，水溶液介质中对质子的截留几乎是不可能的(3)
现有关于阴膜漏氢的研究主要集中于扩散渗析(无外加电场)和电解电渗析回收酸的过程。Gavach等[12,13] 在研究扩散渗析和电解电渗析回收盐酸过程中发现，2 种商业阴离子交换膜AVV和ARA均存在H*穿过阴膜泄漏的现象，且漏H程度随酸浓度升高而加剧.Robbins 等[14研究了电解电渗析浓缩硝酸过程中质子泄漏与阴膜水通量之间的关系，发现二者相互抑制，当阴膜的质子泄漏减少时阴膜水通量会增大.Lorrain等[15]研究了电解电渗析过程中阳离子种类对阴膜质子泄露的影响，指出随阳离子水化半径减小和阳离子极化力增大，质子泄漏加剧：当阴离子相同时，不同碱金属阳离子的质子泄露顺序为Li>Na>K
然而，以上研究只限于扩散渗析和电解电渗析过程，使用的膜堆中只有阴膜没有阳膜，其过程只涉及阴离子跨阴膜的迁移.关于双极膜电渗析同时再生酸和碱
收稿日期：2011-03-18，修回日期：2011-0408
基金项目：国家高技术研究发度计划(863)重点基金资助项目(编号：2006AA020301)：国家重点基础研究发展规划(973)基金资助项目(编号：2007CB714306) 作者简介：王情(1981-)，女，广西桂林市人，博士研究生，生物化工专业；丛威，通讯联系人，Tel:010-82627060,E-mail:weicong@home.ipe.ac.cn 万方数据