沙角A电厂废气深度脱硫并资源化利用项目电渗析器.docxVIP

目录

TOC\o1-3\h\z\u1双极膜水解离概述 2

2双极膜水解离机理 2

3电渗析基础 3

4双极膜电渗析 3

5脱硫废液双极膜电渗析再生原理 4

6双极膜电渗析器结构 5

1双极膜水解离概述

双极膜(BipolarMembrane，缩写为BPM)是由一个阴离子交换层和一个阳离子交换层复合而成，阴、阳离子交换基团分别位于膜的两侧，是一种新型的离子交换膜。双极膜在直流电场作用下可以将水解离为H+和OH-，即双极膜的水解离作用。利用这一特点，将双极膜与其他阴、阳离子交换膜组成的电渗析系统，能够在不引入新组分的情况下，将水溶液中的盐转化生成相应的酸和碱，这一过程就称为双极膜电渗析(BipolarMembraneElectrodialysis，缩写BME)。

若在正负极之间有阳离子交换膜、双极膜和阴离子交换膜构成的膜堆，则当盐溶液流过阴、阳离子交换膜的外侧时，在阴、阳离子交换膜的内侧和双极膜之间就生成酸液和碱液，这也就是双极膜电渗析制备酸和碱的机理。

理想双极膜产生H+和OH-的理论电位为0.83V(25℃)。但是由于膜电阻和界面层电阻的存在，实际电位比理论电位要高。为了尽可能的降低实际电位，膜的制备工艺急需改进和提高，同对在电渗析器的设计方面也需要不断创新。实际操作电压与理论电位越接近，电渗析过程耗电量越小，工业化的可能性也就越大。

双极膜中水及离子的迁移比较复杂，大致可分为三个步骤：(1)水溶解到膜表面，扩散到阴、阳膜层交界处；(2)水分子在界面处发生解离；(3)解离成的H+和OH-在电场作用下转移出膜。有关膜内传质机理的研究也可以人体分为三个部分：

(1)水分子进入膜内的机理。双极膜在工作时，必不可少的一步是水分子进入到阴、阳离子交换层的界面处，然后才被解离。水的补充若跟不上解离，便会使界面处呈干态，膜电阻增大、电流减小。因此，水分子进入膜的机理是需要深入研究的内容。

(2)界面处水的解离和传递机理。水解离后生成的H+和OH-如何能够迅速转移至阴、阳离子交换层是这一步骤主要解决的问题。

(3)离子在膜中的迁移机理。H+和OH-要透过膜进入到溶液中以生成产品，此时离子的迁移方向与水分子的迁移方向正好相反，有可能在二者之间发生制约作用，此过程也值得研究。

2双极膜水解离机理

目前针对双极膜水解离的建立起来的模型，大都是先根据Nernst—planck方程或非平衡热力学方程导出盐离子和水离子的传导方程，再据此做出I—V曲线。这些模型对于盐离子和水离子在阴、阳离子交换层中传递机理的认知基本上是统一的，但是对水在中问界面解离过程的表述上存在较大差异，所以由此导出的水离子携带电流(可体现水解离效率)的表达式也不尽相同，归纳起来存在下述3种模型：

(1)SecondWienEffect(SWE模型)

当给双极膜施加反向电压时，由于中间界面处离子的耗尽，将产生很薄的一层耗尽区。该模型认为水的解离主要发生在此区。由于耗尽区的电场高达108～109V/m，因此水的解离过程相当于弱电解质在高电场下的解离，离子产生的速率即为水的分解速率，H+和OH-的重新组合可以忽略不计。该模型主要的理论依据为Onsager弱电解质理论。

(2)化学反应模型(CHR模型)

此模型认为水的解离主要发生在界面处的阴离子交换层，产生的离子H+和OH-是由膜中固定基团和水的质子化反应产生的。水的反应速率常数也因阴阳离子交换层界面处场强的增加而增大。

(3)中和层模型(NL模型)

该模型认为阴、阳膜界面处存在一中和层(NeutralLayer)，并以此来解释界面处存在较大电压消耗的原因。与上述二模型不同，中和层模型认为水解离速率随场强的增加不是发生在界面处的中和层，而是发生在单个离子交换层的荷电区以及荷电区域与中和层的界面处。当施加一反向电压时，这些区域因场强的增加而产生大量的水离子，但这些水离子到达中和层界面时便又重新结合。

3电渗析基础

电渗析是一种离子交换膜（包括阳离子交换膜，阴离子交换膜和双极膜）排布在直流电场中实现反应和分离的技术。在实际应用中包括以下几个部分组成：

（1）直流电源：电场驱动是强化离子传质的有效手段，在直流电场中阳离子和阴离子分别向阴极和阳极迁移，其迁移速度可以通过改变电流密度来调控。

（2）电极：在阴极和阳极上发生的氧化/还原反应实现了离子传导向电子传导的转化，为电渗析中的离子迁移提供了原驱动力。一般来说，电渗析中的电机为惰性电极，在溶剂和电极界面处形成气泡。

（3）离子交换膜：一般包括三种离子交换膜可以独立或配合使用在电渗析中，其中阳膜和阴膜在Donnan排斥作用下可以阻碍同离子通过，而双极膜由于包括阴离子交换层和阳离子交换层，在直流电场反方向偏压下，双极膜可以实现溶剂分子的解