雙極性膜的研究與應(yīng)用

雙極性膜的研究與應(yīng)用

1雙極膜的發(fā)展過(guò)程通常定義為相之間的不連續(xù)區(qū)域。這是一個(gè)中間的介質(zhì)，通過(guò)分離和連接相互連接，產(chǎn)生能量和質(zhì)量，并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。由于可進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)而使不同的組分在膜中的傳遞或反應(yīng)產(chǎn)生較大的差異,而且具有選擇性好、效率高、能耗低、操作條件溫和等許多突出特點(diǎn),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(guò)程已顯示了巨大的生命力,對(duì)化學(xué)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(lái)發(fā)展比較迅猛的一種新膜,它通常由陽(yáng)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(lái)從離子膜中分開(kāi)并單獨(dú)成為比較活躍的研究領(lǐng)域,通過(guò)計(jì)算機(jī)從《CA》中查閱,1967～1999年間共檢索出雙極膜(BipolarMembrane)有關(guān)文獻(xiàn)9085篇,其中1992～1999的四年間就占4401篇,近七年幾乎占50%,這就更進(jìn)一步說(shuō)明了近年來(lái)雙極膜的研究已成為膜領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)極其重要的分支。雙極膜雖然是一種新膜(與其他高分子膜200余年發(fā)展歷史相比而言),但它的研究可追溯到50年代中期。其發(fā)展過(guò)程可劃分為三個(gè)階段:第一階段50年代中期至80年代初期,這是雙極膜發(fā)展十分緩慢的時(shí)期,雙極膜僅是由兩片陰陽(yáng)離子膜直接壓制,性能很差,水分解電壓比理論壓降高幾十倍,應(yīng)用研究是以水解離為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)室階段;第二階段從80年代初至90初,由于雙極膜制備技術(shù)的改進(jìn),成功地研制了單片型雙極膜,其性能大大提高,已經(jīng)在制酸堿和脫硫技術(shù)得到了成功應(yīng)用,這一階段出現(xiàn)了商品雙極膜。從90年代初至今,是雙極膜得到迅猛發(fā)展的時(shí)期,隨著對(duì)雙極膜工作過(guò)程機(jī)理的深入研究,從膜結(jié)構(gòu)、膜材料和制備過(guò)程上進(jìn)行了重大改進(jìn),使制得的雙極性膜在性能上有較大提高,其中主要是對(duì)陰膜和陽(yáng)膜接觸界面的改進(jìn),從最初簡(jiǎn)單的“層壓型”或“涂層型”結(jié)構(gòu)(圖1(a)、(b))到80年代初開(kāi)始出現(xiàn)的“單片型”結(jié)構(gòu)(圖1(c)),隨后又出現(xiàn)帶有中間“催化層”的復(fù)雜結(jié)構(gòu)(圖1(d)),膜的應(yīng)用從化工行業(yè)擴(kuò)展到生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和能源等諸多相關(guān)國(guó)際民生行業(yè)中,作為一種新型工具來(lái)解決這些領(lǐng)域中久有的技術(shù)難題。由于陰陽(yáng)膜的復(fù)合,給雙極膜的性能帶來(lái)了很多新的特性,正如半導(dǎo)體由于P-N結(jié)發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致了許多新型半導(dǎo)體器件的發(fā)明,同樣用荷有不同電荷密度、厚度和性能的膜材料在不同的復(fù)合條件下,可制成不同性能和用途的雙極膜[1,2,9,10,11,12,13,14,15]:比如用于1、2價(jià)離子分離膜,防結(jié)垢膜,抗污染膜,H+分離膜,低壓反滲透脫硬膜,水解離膜等。尤其是以雙極膜技術(shù)為基礎(chǔ)的水解離領(lǐng)域已成為電滲析工業(yè)中新的增長(zhǎng)點(diǎn),也是目前增長(zhǎng)最快和潛力最大的領(lǐng)域之一,因?yàn)槔秒p極膜進(jìn)行水解離,比直接電解水要經(jīng)濟(jì)得多。我們可與電解反應(yīng)進(jìn)行如下對(duì)比(假設(shè)都生成1mol酸和堿):電解總反應(yīng):3H2O→1/2O2+H2+2H++2OH-,理論電位2.057V;其中陰極反應(yīng):2H2O+2e→H2+2OH-,理論電位0.828V;陽(yáng)極反應(yīng):H2O→1/2O2+2H++2e,理論電位1.229V;而雙極膜水解離反應(yīng):2H2O→2H++2OH-,理論電位為0.828V;因?yàn)镠2→2H++2e,理論電位為0V;2H2O+2e→H2+2OH-,理論電位為0.828V。因此電解水的能耗為198.5kJ/mol,而雙極膜水解離的能耗僅為79.9kJ/mol。而且后者由于不生成H2、O2,因而對(duì)電極不產(chǎn)生腐蝕。此外對(duì)于電解過(guò)程,每一張膜需要一對(duì)電極,而對(duì)于雙極膜水解離過(guò)程,幾十對(duì)甚至上百對(duì)膜組合只需一對(duì)電極,因此裝置更加緊湊。由此看來(lái),作為一種新技術(shù),一旦應(yīng)用到工業(yè)中去,必將給相關(guān)行業(yè)帶來(lái)新的生機(jī)和活力。本文將對(duì)主要雙極膜過(guò)程及其應(yīng)用前景作一論述。2雙極膜的主要過(guò)程和應(yīng)用前景2.1雙極膜對(duì)化工過(guò)程中的雙極膜2.1.1雙極膜水解離過(guò)程制酸雙極膜的最早功用是進(jìn)行水解離生產(chǎn)酸和堿,采用最簡(jiǎn)單的兩室(不包括極室,下同)形式(圖2(a)),當(dāng)雙極膜反向加壓后,在電場(chǎng)的作用下,膜內(nèi)鹽離子快速遷移完畢,陰陽(yáng)膜層的界面就會(huì)發(fā)生水的解離,離解的H+、OH-分別通過(guò)陰膜層和陽(yáng)膜層反向擴(kuò)散,外界水不斷補(bǔ)充,于是在雙極膜兩則的堿室和酸室分別得到酸和堿,這就是雙極膜水解離過(guò)程制酸堿的基本原理。后來(lái)發(fā)展到三室結(jié)構(gòu)(圖2(b)),除了堿室和酸室外,中間是電解質(zhì)溶液室,用了兩張雙極膜,具有對(duì)稱性。筆者認(rèn)為兩室結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,但電流效率較低,因?yàn)殛帢O室產(chǎn)生的堿易通過(guò)陰膜向酸室擴(kuò)散,陽(yáng)極室產(chǎn)生的酸也易通過(guò)陽(yáng)膜向堿室擴(kuò)散,因而影響了鹽正負(fù)離子的擴(kuò)散和傳遞,降低了電流效率,而三室的結(jié)構(gòu),由于靠近極室的雙極膜能阻擋酸堿的通過(guò),就能克服這一弊端。尤其是陽(yáng)膜不與酸直接接觸,陰膜不與堿直接接觸,膜的壽命大大延長(zhǎng)。事實(shí)上Ginesteetal用這種組合方式已生產(chǎn)了高達(dá)6N的酸和堿,大多數(shù)水解離器均采用三室式結(jié)構(gòu)單元。不過(guò),不難看出,若以這兩種結(jié)構(gòu)為基本單元,組成雙極膜堆,則具有相同的重復(fù)單元結(jié)構(gòu)。2.1.2反萃取技術(shù)cu2+從含Cu2+料液中回收Cu2+,一般在堿性條件下用環(huán)烷酸作萃取劑,煤油為萃取介質(zhì)進(jìn)行萃取,然后再在酸性條件下反萃取而得產(chǎn)品,該過(guò)程復(fù)雜,效率低下,溶劑損失嚴(yán)重。這個(gè)過(guò)程可借助于雙極膜電滲析來(lái)完成。實(shí)現(xiàn)這種功用的電滲析器的組合方式如圖3,由一張雙極膜和其兩邊分別對(duì)稱放置的陽(yáng)膜陰膜構(gòu)成的4室結(jié)構(gòu)。左邊一室是含Cu2+料液,陽(yáng)離子通過(guò)陽(yáng)膜到達(dá)左邊二室,由于雙極膜離解的OH-也進(jìn)入二室,因此該室顯堿性,與萃取劑環(huán)烷酸(HR)中和,使Cu2+優(yōu)先在該室與環(huán)烷酸根形成萃合物R2Cu,萃取液循環(huán)進(jìn)入雙極膜右邊一室(第三室),在這里由于雙極膜離解的H+置換出Cu2+,萃取劑得到再生,再循環(huán)至左邊二室,反萃取下的Cu2+通過(guò)右邊陽(yáng)膜進(jìn)入第四室,與通過(guò)陰膜的料液中的陰離子(如Cl-)形成鹽,為了增加油相的導(dǎo)電性,通常需要在第二室和第三室中充填陽(yáng)離子交換樹(shù)脂,形成樹(shù)脂鏈。由于油相不能通過(guò)膜,故水相內(nèi)不含有機(jī)萃取劑,減少萃取劑的損失,并克服油水相分離和萃取劑再生的困難。應(yīng)用這種技術(shù)可以得到含酸量很低而金屬離子濃度很高的溶液。整個(gè)過(guò)程基本無(wú)需添加萃取劑,很易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。2.1.3雙極模右器的實(shí)現(xiàn)利用雙極膜電滲析除從含銅料液中回收銅外,還可以進(jìn)行性質(zhì)相近離子體系的分離,如Co2+和Ni2+的分離,稀土元素的分離等,所用的原理主要是雙極膜電滲析、溶劑萃取或離子交換的結(jié)合。下面以Co2+和Ni2+的分離為例加以說(shuō)明。Co2+和Ni2+的性質(zhì)極為相似,一般的單元操作很難將二者分離,但利用雙極膜和配位化學(xué)的知識(shí)就可以實(shí)現(xiàn)這種分離。這個(gè)過(guò)程需要一個(gè)普通電滲析器(左器)和一個(gè)雙極膜電滲析器(右器)來(lái)完成(圖4)。將Co2+和Ni2+的混合液加入左器的2室,在左器的3室中加入配位劑乙酰丙酮(以R2表示),通電時(shí),2室中的Co2+和Ni2+進(jìn)入3室,由于NiR2的穩(wěn)定常數(shù)更大,因此Co2+不與配位劑作用直接進(jìn)入4室最后遷移到?jīng)]有配位劑的5室中。3室中主要含NiR2的溶液,把此溶液引入右器中的4室,利用雙極膜產(chǎn)生的H+而置換出配位劑,離解的Ni進(jìn)入左器5室中,再生后的右器4室的溶液,再移入左器的3室中雙極膜產(chǎn)生的H+被從2室遷移過(guò)來(lái)的Co2+和Ni2+所置換出配位劑的H+而中和,此室溶液可移入左器的3室中,剩余配位劑可繼續(xù)與Co2+、Ni2+配位,結(jié)果兩電滲析器組成一個(gè)配位-分離-再生-分離-配位的循環(huán),在兩電滲析器5室中分別得到Co2+和Ni2+。雙極膜過(guò)程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用除上述所說(shuō)的這些外,化工生產(chǎn)中氟排放的控制、離子交換柱的再生、鉀和鈉的無(wú)機(jī)轉(zhuǎn)化過(guò)程、鈦鐵礦(FeO、TiO2)的精練并生產(chǎn)副產(chǎn)品KOH,雙極模均能發(fā)揮其他過(guò)程不可替代的作用,限于篇幅,這里從略。可見(jiàn)雙極膜的應(yīng)用使傳統(tǒng)的化工過(guò)程發(fā)生了深刻的變革:原來(lái)不能進(jìn)行的過(guò)程如某些化學(xué)反應(yīng)(如水分解反應(yīng)),相近物質(zhì)之間的分離等成為可能,并開(kāi)發(fā)出一些向電萃取,離子交換樹(shù)脂電再生等新的單元操作。2.2環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的雙極膜2.2.1電滲析濃縮過(guò)程在有些工業(yè)生產(chǎn)中,通常產(chǎn)生大量的酸性廢液例如鉛蓄電池生產(chǎn)中的硫酸廢液,離子交換樹(shù)脂再生廢液、冶金工業(yè)中硫酸廢液、鈾加工中的硝酸廢液等,這些廢液中金屬陽(yáng)離子含量高,用常規(guī)的分離方法如普通電滲析、擴(kuò)散滲析、離子交換都不能進(jìn)行有效回收,但若以雙極膜代替普通電滲析中的陽(yáng)膜而組成圖5所示的雙極膜電滲析,問(wèn)題就會(huì)迎刃而解。此時(shí)兩張陰膜和兩張雙極膜交替放置構(gòu)成三室結(jié)構(gòu),廢酸料液從中間室通過(guò),陰離子可通過(guò)陰膜向左室擴(kuò)散,與雙極產(chǎn)生的H+形成酸,于是料液中酸的濃度降低,其中的酸以較純的形式得以回收。不過(guò)用這種裝置回收酸有一定的極限,因?yàn)殡S過(guò)程的進(jìn)行,料液中酸的濃度不斷降低,PH增大,在料液室易形成沉淀而阻塞膜孔造成通量的降低,所以通常得不到100%的回收,而有意保留0.10-0.3N的酸在料液中,這部分料液仍不能直接排放,還需要進(jìn)行中和后才能排放。但若溶液中只有可溶性離子,就不存在上述問(wèn)題。顯然該過(guò)程比擴(kuò)散滲析來(lái)得快,回收酸的濃度高(由于有電場(chǎng)力的作用)。另外在雙極膜的另一側(cè)產(chǎn)生的OH-(絕大部分與廢液中的酸進(jìn)行中和),也有可能通過(guò)陰膜與鹽負(fù)離子競(jìng)爭(zhēng)擴(kuò)散,因此這種過(guò)程更適于從強(qiáng)酸弱堿鹽尤其是重金屬鹽的酸性廢液中回收酸。2.2.2要對(duì)堿進(jìn)行有效回收的措施同理若以陽(yáng)膜代替圖5中的陰膜,構(gòu)成圖6的組裝方式,則可對(duì)廢液中的堿進(jìn)行有效的回收,不同的是此時(shí)料液需從兩邊室通過(guò)而在中間室得到產(chǎn)品堿。對(duì)回收造紙廢液和赤泥廢液中的堿提供了一個(gè)很好的解決辦法。同樣,這種過(guò)程更適于從弱酸強(qiáng)堿鹽特別是從有機(jī)酸鹽的酸性廢液中回收酸。2.2.3雙極膜分散劑處理含污染源的廢氣燃燒過(guò)程釋放出來(lái)的酸性氣體如COx、NOx和SOx等是最主要的大氣污染物種,這些氣體量大得驚人,僅以SOx為例,我國(guó)燃煤燃油過(guò)程每年就向大氣釋放約1900～2100萬(wàn)噸,大量的酸性氣體會(huì)引起溫室效應(yīng)、光污染和酸雨,對(duì)人們的生存環(huán)境已構(gòu)成了極大的威脅,若不有效進(jìn)行治理,后果不堪設(shè)想。雙極膜過(guò)程對(duì)這類(lèi)酸性氣體的處理是十分有效、簡(jiǎn)單,易于連續(xù)化操作。例如若從燃料氣中回收SO2,可先用堿液(NaOH)進(jìn)行吸收,吸收液(主要成分NaHSO3)通過(guò)圖7的雙極膜電滲析,其基本單元是有兩張陽(yáng)膜和一張雙極膜構(gòu)成的兩室結(jié)構(gòu),則在酸室里得到H2SO3溶液,很容易通過(guò)氣提富集SO2,堿室里主要含Na2SO3和NaOH液,可返回初始工序進(jìn)行吸收尾氣,整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了零排放,不僅回收了有用物質(zhì),而且治理了環(huán)境污染,SoxalTM已將此技術(shù)用于工業(yè)廢氣中SO2的脫除,運(yùn)行良好,完整的工業(yè)化裝置見(jiàn)圖8。對(duì)于COx、NOx的治理,原理類(lèi)似。2.3雙極膜電滲析轉(zhuǎn)化器的組成結(jié)構(gòu)雙極膜在生物化工領(lǐng)域中的應(yīng)用包括有機(jī)酸的生產(chǎn)和有機(jī)酸的回收,這里以有機(jī)酸生產(chǎn)為例說(shuō)明雙極膜在生物化工領(lǐng)域中應(yīng)用的重要意義。傳統(tǒng)的有機(jī)酸生產(chǎn)方法是用發(fā)酵法,由于有機(jī)酸發(fā)酵過(guò)程中,有機(jī)酸的產(chǎn)生將使發(fā)酵液PH值降低,阻礙菌體的生長(zhǎng)和產(chǎn)物的進(jìn)一步形成,往往是加堿(石灰)沉淀,然后硫酸酸化再制得有機(jī)酸。這一生產(chǎn)工藝包括酸解、沉淀、過(guò)濾等過(guò)程,不僅需要消耗大量酸堿,而且過(guò)程復(fù)雜,勞動(dòng)強(qiáng)度大,形成大量廢液、廢渣污染環(huán)境。若用雙極膜電滲析水解離,作為H+和OH-的供應(yīng)源,可直接從發(fā)酵液中生產(chǎn)有機(jī)酸,不必引入無(wú)機(jī)酸和堿,即節(jié)省了原料,又大大地簡(jiǎn)化了工藝,避免了環(huán)境污染。雙極膜電滲析生產(chǎn)有機(jī)酸有三室式和兩室式兩種形式。在普通三室式電滲析轉(zhuǎn)化器中,與鹽生成酸堿類(lèi)似,可利用圖10的組合方式將有機(jī)酸鹽直接轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸和相應(yīng)的堿。兩室式的電滲析器組合方式有兩種,一種是如圖10(a)所示的由兩張雙極膜和一張陽(yáng)膜組成,有機(jī)酸鹽進(jìn)入左室,其陽(yáng)離子通過(guò)陽(yáng)膜向右室遷移形成堿,雙極膜產(chǎn)生的H+進(jìn)入左室而獲得有機(jī)酸,這種轉(zhuǎn)化器可由有機(jī)酸鹽制得一種純堿和鹽與酸的混合物。由于有機(jī)酸鹽易于電離,而有機(jī)酸的離解度較小,雙極膜產(chǎn)生的H+很容易將鹽離子置換出來(lái)而得有機(jī)酸,獲得的較純堿可直接返回初始發(fā)酵工序,因此圖10(a)的組合方式可獲得較高純度的有機(jī)酸,為獲得更高的電流效率,往往再加一塊陽(yáng)膜構(gòu)成圖10(b)所示的三室結(jié)構(gòu)。另一種是如圖10(c)所示的由兩張雙極膜和一張陰膜組成,有機(jī)酸鹽進(jìn)入右室,其陰離子通過(guò)陰膜向左室遷移與雙極膜產(chǎn)生的H+結(jié)合形成有機(jī)酸,這種轉(zhuǎn)化器可由有機(jī)酸鹽制得一種純酸和鹽與堿的混合物。圖10(c)由于堿離子和有機(jī)酸鹽的陰離子競(jìng)爭(zhēng)擴(kuò)散,會(huì)造成電流效率的降低,更適合離解常數(shù)較小的有機(jī)堿的生產(chǎn)。為提高電流效率,這種構(gòu)型也可再加一塊陰膜構(gòu)成圖10(d)所示的三室結(jié)構(gòu)。利用雙極膜電滲析很容易實(shí)現(xiàn)有機(jī)酸生產(chǎn)工藝的連續(xù)化,由于生成的堿能很快返回發(fā)酵罐,可維持PH值穩(wěn)定,工藝得到大大簡(jiǎn)化,勞動(dòng)強(qiáng)度也大大降低,其工業(yè)流程如圖11所示。2.4在海洋化工過(guò)程中的雙極膜2.4.1雙極膜分離技術(shù)海洋化工領(lǐng)域中的主要問(wèn)題之一是海(鹵)水中一價(jià)和高價(jià)離子之間的分離問(wèn)題,例如用荷正電膜可去除水中的Ca2+、Mg2+,降低水的硬度,防止沉淀,提高曬鹽的質(zhì)量,避免老鹵的污染,用荷負(fù)電膜可去除SO2?442-等高價(jià)陰離子,提高溴素的質(zhì)量,進(jìn)而提高溴系列產(chǎn)品如氫溴酸、溴化錳等的質(zhì)量,用一般的荷正電膜或荷負(fù)電膜原則上只能對(duì)不同價(jià)陽(yáng)離子或陰離子進(jìn)行分離,而只有用雙極膜分離才能同時(shí)將一價(jià)陰陽(yáng)離子和高價(jià)陰陽(yáng)離子分開(kāi)(圖12)。雙極膜的這種應(yīng)用原理與上述有所區(qū)別,不是利用它的水解離特性,而是利用其因荷電而對(duì)高價(jià)離子的排除特性,其推動(dòng)力不是電位差而是壓力差,該過(guò)程與荷電膜納濾類(lèi)似,故稱雙極膜納濾。雙極膜納濾過(guò)程用于鹵水的的軟化,不僅對(duì)居民生活用水及鹽化工產(chǎn)品質(zhì)量重要,對(duì)氯堿工業(yè)也具有非常重要的意義。在地下鹵水含量豐富的地區(qū),制堿時(shí)往往用鹵水溶解鹽,減少鹽的消耗,但鹵水中鎂離子會(huì)對(duì)電解過(guò)程產(chǎn)生不良影響,一般用化學(xué)沉淀加以去除,投資大,工序長(zhǎng),而且污染環(huán)境,若用雙極膜預(yù)先把鎂離子“過(guò)濾”掉,該問(wèn)題就迎刃而解。2.4.2雙極膜的應(yīng)用海洋化工涉及的等價(jià)離子之間的分離如K+和Na+,I-和Br-、Cl-是十分棘手的問(wèn)題,分離難度相當(dāng)大,產(chǎn)品得率低,一直制約著鹽化工的發(fā)展。目前用斜方沸石能有效地富集K+和I-,但脫附難度大,且沸石很容易破碎,分離效率低,若把雙極膜過(guò)程與吸附過(guò)程結(jié)合起來(lái),可望改進(jìn)現(xiàn)行的工藝。圖13是提取K+的裝置,由雙極膜和陰陽(yáng)膜各一張組成的兩室結(jié)構(gòu),左室填充斜方沸石,利用其優(yōu)先吸附K+的特性,將鹵水中的K+富集起來(lái),然后借助與雙極膜產(chǎn)生的H+,將K+交換下來(lái),并通過(guò)陽(yáng)膜向右室遷移,與通過(guò)陰膜遷移的X-形成KX,這種操作很有優(yōu)勢(shì),由于NaX(如NaCl)的溶解度受溫度的影響不大,因此混入NaX關(guān)系也不大,只要能把KX的濃度提高,意義就非常重大,另一方面由于溶液中K+的遷移數(shù)大于Na+,因此從理論上也保證了K+優(yōu)先透過(guò)膜。我們的初步實(shí)驗(yàn)表明這種方案十分可行。類(lèi)似地若把圖13的陰陽(yáng)膜對(duì)調(diào)位置并改變一下電極方向(如圖14),則可借助斜方沸石易吸附I-的特性將其富集在右室里。若把圖13和圖14組合在一起(圖15),則可同時(shí)富集K+和I-。雙極膜在海洋化工中的應(yīng)用還包括鹵水的酸化等,鹵水酸化是從鹵水中提溴和利用鹵水電解制堿必不可少的步驟。利用雙極膜產(chǎn)生的H+體積小、電荷低的特性,可部分透過(guò)選擇性稍差的陰離子交換膜而使鹽室變酸性,可將鹵水通過(guò)鹽室而達(dá)到酸化的目的?？梢?jiàn),雙極膜的出現(xiàn),使長(zhǎng)期制約海洋化工發(fā)展的一些技術(shù)難題有可能得以突破。2.5日常生活中的雙極膜2.5.1弱堿性水和弱酸性水90年代中期,日本利用雙極膜的水解離特性,生產(chǎn)了一種飲用離子水裝置,并經(jīng)六年的使用后于90年代末進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。這種離子水生成器的工作原理是將自來(lái)水凈化后,通過(guò)有雙極膜和電極組成的水解離單元,在弱電流的作用下,同時(shí)生成pH8-11的弱堿性水和pH3-5.5的弱酸性水。其中弱酸性水可用來(lái)洗菜、淘米;弱堿性水用來(lái)直接飲用。由于堿性水呈負(fù)電位,具有中和體內(nèi)有害酸性代謝產(chǎn)物的作用,而且由于分子團(tuán)較小(與人體組織細(xì)胞內(nèi)水結(jié)構(gòu)相似),通過(guò)細(xì)胞膜較快,并使細(xì)胞內(nèi)外水的交換增加,有利于有害酸性代謝產(chǎn)物的排泄,所以飲用這種堿性水,對(duì)治療胃腸道疾病,糖尿病、高血壓、高血脂、高膽固醇、骨質(zhì)疏松、特異性皮炎等慢性疾病有改善和治療作用。試驗(yàn)也表明,用這種堿性水可直接泡茶,因此飲用方便。由于雙極膜具有殺菌消毒功能,因此飲用這種水比其他純凈水或礦泉水更安全。2.5.2從供能電極的角度酸堿的中和反應(yīng)可釋放能量,理論上1mol酸和1mol堿反應(yīng),其理論單位是0.828V,給好等于雙極膜水解離時(shí)的理論電壓降,一般情況這部分電能很難加以利用,但若借助雙極膜水解離池,不但能利用這部分電能,借助于一對(duì)可逆電極,還可以實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程。圖16是雙極膜電池放電負(fù)載示意圖,H+通過(guò)雙極膜的陰膜層,OH-通過(guò)雙極膜的陽(yáng)膜層在雙極膜中間發(fā)生中和反應(yīng),產(chǎn)生一定的電勢(shì)差,并通過(guò)可逆電極傳遞給外部負(fù)載。通常一個(gè)單元產(chǎn)生約0.4-0.8V的電壓,電壓的大小主要取決于負(fù)載和所用的電極,若用供電電極即電極反應(yīng)不但不消耗電壓,還增加單位差,例如若用Ag/Ag2O電極,其電極反應(yīng)及標(biāo)準(zhǔn)單位如下:陰極反應(yīng):Ag2O+H2O+2e-→2Ag+2OH-,標(biāo)準(zhǔn)電位:0.344V;陽(yáng)極反應(yīng):2Ag+2Cl-→2AgCl+2e-,標(biāo)準(zhǔn)電位:-0.222V;中和反應(yīng):2H++2OH-→2H2O,標(biāo)準(zhǔn)電位:0.828V;總電位:0.95V可見(jiàn)使用供能電極,使中和反應(yīng)電能增大0.12V,一些常見(jiàn)的供能電極見(jiàn)表1。上述電池電能消耗完畢后可以進(jìn)行再充電,事實(shí)上就是雙極膜水解離的方向,這時(shí)電池的正極變?yōu)殛?yáng)極,電池的負(fù)極變?yōu)殛帢O,雙極膜的水正副離子的運(yùn)動(dòng)方向與圖16相反(見(jiàn)圖17)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以由數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)上述基本單元組成雙極膜電池膜堆(可稱雙極膜蓄電池,如圖18),例如若由100個(gè)基本單元組成時(shí)可以得到40-80V的電壓,輸出功率可達(dá)30-60KW/m2,完全可以滿足現(xiàn)實(shí)生活的需要,另外還可以利用工業(yè)排放的廢酸堿來(lái)發(fā)電,因此雙極膜電池的開(kāi)發(fā)具有較為廣泛的前景和明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。3膜的國(guó)內(nèi)研究及應(yīng)用研究從以上的實(shí)例不難看出,雙極膜技術(shù)將在優(yōu)化現(xiàn)有的傳統(tǒng)工業(yè)過(guò)程和創(chuàng)造新的工業(yè)過(guò)程中發(fā)揮其獨(dú)到的作用。它的出現(xiàn),將徹底地改變傳統(tǒng)的工業(yè)分離和制備過(guò)程,并有望解決環(huán)境、化工、生物、海洋化工等領(lǐng)域中的長(zhǎng)期遺留的技術(shù)難題,勢(shì)必給這些領(lǐng)域注入新的生機(jī)和活力。同時(shí)也是解決人類(lèi)面臨的環(huán)境、資源、能源問(wèn)題的有效手段之一,因此開(kāi)展雙極膜過(guò)程的研究,對(duì)維護(hù)人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展也具有重要的現(xiàn)實(shí)決義。不過(guò),我們也應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到,作為一項(xiàng)新技術(shù)或新工藝的引入,將會(huì)受到種種挫折,這主要是因?yàn)槟壳半p極膜技術(shù)和傳統(tǒng)工業(yè)的發(fā)