双极膜电渗析技术

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何谓双极膜

双极膜是一种新型的离子交换膜，由阴、阳离子选择层和中间界面层复合而成，其结构和功能如下图1所示。当双极膜两端施加反向电压时，带电离子从两种离子交换层的过渡区向主体溶液迁移，水分子快速解离生成 H ⁺ 和 OH ^- 迁移到主体溶液中，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，从而结合相应的阴阳离子交换膜，将盐转化成相应的酸和碱。  

图 1 双极膜原理示意图

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双极膜电渗析应用形式及领域    

双极膜电渗析装置，由双极膜与均相阴、阳离子交换膜搭配组合而成，并被其分为三个隔室或二隔室，即酸室、碱室、盐室。其中，三隔室双极膜电渗析主要应用于无机盐制备对应的酸和碱，比如 氯化钠、硫酸钠、硫酸锂、硝酸钠、氯化铵、氯化钾等；二隔室双极膜电渗析主要用于有机酸盐制对应的有机酸和碱（有机碱盐与之类似），如酒石酸、葡萄糖酸、柠檬酸、维生素C、四甲基氢氧化铵等。具体双极膜电渗析原理示意图见图2。  

图 2 双极膜电渗析原理示意图  

 

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双极膜电渗析进水要求    

双极膜作为一种为反应提供 H ⁺ 和 OH ^- 的特殊分离膜，对于进水水质的要求相对比较严格，尤其对于能造成膜片污染、污堵与结垢的影响因素，要尤为注意，良好的进水水质是双极膜系统稳定高效运行的强力保证。具体进水水质如下：
 

 

(1) 水温5-35℃；  

(2) 盐浓度≥2N（不超过溶解度的80%）；  

(3) SS＜1mg/L；  

(4) 铁＜0.3mg/L；  

(5) 锰＜0.1mg/L；  

(6) 浊度＜1NTU；  

(7) Mg 、Ca＜1mg/L ；  

(8) 其它二价重金属离子＜ 0.1 mg/L（二价以上金属离子的含量越低越好）；  

(9) 油含量＜0.1 mg/L；  

(10) 表面活性剂＜0.1mg/L；  

(11) 不含强氧化性物质（如游离氯）、强还原  

性物质等；  

(12) 不含后絮凝物质，即在膜组器中会累积絮  

凝析出或结垢的物质。  

 

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双极膜电渗析系统出水水质    

(1) 系统产生三股水，分别为酸、碱、稀盐。酸碱产品的形式取决于进水的盐种类，如进水为单组分纯物质，则得到的产品为单一的酸和碱，比如 进水为氯化钠溶液，则产品为盐酸和氢氧化钠；若进水盐为混盐，则出水为混盐、混碱，比如盐为氯化钠和硫酸钠混合废水，则产生的碱为氢氧化钠， 酸则是硫酸和盐酸的混合酸，至于硫酸和盐酸的比例与进水氯化钠与硫酸钠比例有关，但非正相关。  

(2) 产出酸浓度：0.5N-2N，目前工程项目一般控制在1.5-2.0N。  

(3) 产出碱浓度：0.5N-2N，目前工程项目一般控制在1.5-2.0N。  

(4) 产品纯度：产生的酸碱纯度与膜片本身性能以及工艺控制的终点盐浓度、酸碱浓度等多因素有关，目前纯度可控制在≥98%。  

 

5    

双极膜电渗析吨水能耗    

双极膜电渗析的系统相对简单，核心设备为双极膜组器，其次由容器、过滤系统、动力设备、换热设备、直流源等组成，具体工艺流程如图3所 示。系统能耗主要由直流能耗与动力能耗组成。当然90%以上的能耗为直流能耗，动力能耗占比较小。直流能耗主要取决于膜片本身性能以及工艺控制。  

 

以15%氯化钠为例：双极膜系统一般控制氯化钠进水浓度≥15% ，出水盐浓度一般控制≥5%，以保证双极膜电渗析系统高效低耗运行。在以上运行条件下，根据工程实际经验，双极膜系统拆分1kg氯化钠，运行综合能耗约为1.3-1.8kWh，其中直流电耗约为1.1~1.5kWh，折算成吨水能耗约130-180kWh，如电费以0.6元/度估算，则吨水处理能耗费用约78-108元。至于其他的无机盐的能耗估算，能耗与离子浓度以及离子迁移速度有关系，但基本可根据无机盐的相对分子质量进行估算，比如相对分子量较大，则吨盐能耗越低，具体可参考图4的能耗估算值。  

 

 

关于双极膜系统的能耗，单纯就单个工艺单元看，吨水处理能耗会高于常规的膜处理单元，但从整体综合考虑，双极膜系统不仅能解决环保问题，同时，会产生相对附加值较高的酸和碱，其中产生的酸碱的价值可基本抵消能耗费用。因此双极膜系统不应该仅仅被看作是污水处理的一种手段，更应该被用作资源回收利用的重要技术工艺。  

 

6    

双极膜电渗析设备投资    

双极膜系统因其本身的技术原理以及市场规模影响，投资费用很高，平均处理1kg氯化钠投资需要2-4万元，即如果处理15%的氯化钠盐水，吨水投资将在200-400万左右（以盐水浓度处理到5%计算）。在双极膜系统的投资中，70%以上均为双极膜组器投资，至于系统配套仅不到30%，而双极膜组器设备投资中70%以上为膜片投资。较为高昂的一次性投资以及换膜费用极大地限制了双极膜技术的发展。双极膜技术作为一个新兴技术，目前大部分应用还是以进口双极膜为主，其价格也一直比较高。随着国产双极膜的兴起，以及双极膜市场的扩大，双极膜系统的投资成本也在随之降低，双极膜系统也正在慢慢被更多的客户所接受。
 

 

7    

双极膜电渗析优缺点    

优点：双极膜系统利用其无相变、无废水、低能耗、常温常压的操作方式将废水终端处理实现真正意义的零排放，实现水中无机盐的回收利用，同时，可将传统生产工艺进行技术革新，在不引入杂质离子的前提下，为所有需要H+与OH-的反应提供所需离子，直接从生产工艺前端避免污染问题出现，实现绿色循环经济。
 

 

劣势：目前双极膜技术在无机盐制备酸碱领域不易进行大规模推广，主要原因为一次投资费用以及运行费用较高，同时，产生的酸碱附加值相对较低。  

 

关于双极膜系统一次投资和运行费用高的问题，目前随着国产双极膜的崛起以及膜片性能的不断优化，费用的问题也在逐步改善，相信在不久的将来，双极膜一定可以成为大家用得起的绿色生产技术手段。  

 

双极膜系统所产生的酸碱一般浓度较低，其中的碱可以通过勾兑使用或者浓缩出售，碱的附加值较高具有相对高的回收价值。但对于无机酸而言，其低廉的附加值，如客户不能直接使用，无论采用浓缩或其他方式进行处理，都会给客户带来较大的负担，因此无机酸的去处也往往是客户考虑是否采用双极膜技术很大的阻碍。  

 

5    

结束语    

双极膜技术是一种循环经济技术，可以将利用低/无价值的盐类，转化为可重新利用的化工原材料酸和碱，回用到前端生产工艺中，简化工艺流程，产生经济价值；同时，双极膜技术也是一种清洁生产技术，在有机物料生产方面可以从源头上控制盐的产生，减少盐的排放，废物循环利用，实现工业生产的可持续发展，节能减排，消除环境污染。对于现有企业是一个很好的、也是必须的技术选择。     

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