第41卷第6期 唐山师范学院学报 2019年11月 Vol.41 No.6 Journal of Tangshan Normal University Nov. 2019──────────收稿日期：2019-09-09 修回日期：2019-10-17 作者简介：方勤翔（1995-），男，安徽合肥人，硕士研究生，研究方向为环境污染控制及治理。

-28-双极膜电渗析在化工和环保领域的应用进展方勤翔，卫新来，陈 俊，金 杰（合肥学院 生物与环境工程系，安徽 合肥 230601）摘 要：介绍了双极膜电渗析的基本结构及其在化工、环保领域的应用进展，针对双极膜电渗析技术在化工和环保领域中的应用提出建议与展望。

关键词：双极膜；电渗析；化学合成；环境治理 中图分类号：TQ311文献标识码：A文章编号：1009-9115(2019)06-0028-05DOI ：10.3969/j.issn.1009-9115.2019.06.007Applications of Bipolar Membrance Electrodialysis in the ChemicalIndustry and Environmental ProtectionFANG Qin-xiang, WEI Xin-lai, CHEN Jun, JIN Jie(Department of Biological and Environmental Engineering, Hefei University, Hefei 230601, China)Abstract: It mainly introduces the basic structure of bipolar membrane electrodialysis and its application in chemical and environmental protection fields. Finally, it puts forward suggestions and prospects for the application of bipolar membrane electrodialysis technology in the field of chemical industry and environmental protection.Key Words: bipolar membrance; electrodialysis; chemical synthesis; environmental protection双极膜电渗析系统（bipolar membrane elec- trodialysis ，简称BMED ）是由双极膜与离子交换膜组合而成，与传统电渗析相比，具有高效节能、环境友好、操作方便等突出优点[1]。

离子交换膜是整个电渗析技术中的核心，离子交换膜通常是由附着在聚合物骨架上的含离子基团的聚合物薄层组成[1,2]。

因此，离子交换膜对能通过膜移动的反离子表现出离子交换性能，而对与固定基团电性相同的同离子表现出排斥性。

离子交换膜对同离子和反离子的“渗透选择性”最高可以达99%，“渗透选择性”随着外部电解质浓度的升高而降低[2]。

双极膜通常是由阴、阳离子交换膜复合而成，也有些双极膜除了这两个电荷层外还有其他层。

当双极膜反向加电压时，带电离子就会从两种离子交换层的过渡区向主体溶液发生迁移，当所有离子迁移完成后，电流的载体就会由稀溶液中的H +和OH -来承担，并通过双极膜中间的过渡区的水的解离而得到及时的补充[3]。

1 BMED 装置的基本构型及工作原理BMED 的常用的构型由双极膜（BPM ）、阴离子交换膜（AEM ）、阳离子交换膜（CEM ）构成的三隔室BMED 和CEM/BPM 二隔室BMED 、AEM/BPM 二隔室BMED 等。

1.1 三隔室BMED三隔室BMED 的基本结构如图1所示。

三隔室BMED 的典型用途是用来处理易电离的盐溶液。

整个电渗析体系中由一张AEM 、一张BPM 和一张CEM 构成的重复单元组成，这种构造被称为三隔室BMED 。

基本单元重复叠加，放置在电极之间，盐溶液在阴离子交换膜和阳离子之间的隔室流动。

施方勤翔，等：双极膜电渗析在化工和环保领域的应用进展-29-图1 三隔室BMED 的基本结构（BPM/CEM/AEM ）加直流电时，水将在BPM 内解离成等量的H +和OH -；生成的H +与盐溶液提供的X -离子形成HX ，OH -与盐溶液提供的M +离子形成MOH ，以较小代价得到相应的酸和碱。

弱酸盐电解时生成弱电离的酸，电导很低，实际操作中，采用二隔室BMED ，能使弱酸盐的转化率高达90%以上[4-5]。

1.2 二隔室BMED(a) CEM/BPM; (b) AEM/BPM 图2 二隔室BMED 基本结构CEM/BPM 、AEM/BPM 二隔室BMED 基本结构分别如图2(a)、(b)所示。

BPM 也可以用于二隔室结构的电渗析中，但此时只能生成酸或碱。

CEM/BPM 二隔室BMED 可用于处理弱酸盐（有机酸盐）得到相对较纯的碱流和酸/盐混合流，而AEM/BPM 构造可用于转换弱碱盐（比如硝酸铵）得到盐/碱混合流和相对较纯的酸[4]。

此外，二隔室BMED 的性能可以通过增加一个隔室来进一步操作。

例如，“多隔室阳离子BMED ”用了两张阳离子交换膜，比标准的二隔室结构，能得到更高浓度的盐/酸流。

但采用了更高的电池电压后，这些多隔室结构BMED 会造成比标准二隔室更高的电能消耗。

2 BMED 在化工领域的应用2.1 化学合成 2.1.1 化学原材料合成Shen 等[6]利用BMED 技术以卤族元素为原料来制备四丙基氢氧化铵。

相比于传统电解工艺，该工艺具有成本低、污染小、效率高等优点。

Tran 等[7]研究了颗粒反应器与BMED 技术联用处理高钙废水的可行性，探索出了在pH 为11.1时，水中钙的去除率高达90%的最优操作条件。

此外，作为维C 的稳定的工业替代品L-抗坏血酸-2-单磷酸盐（AMP ），工业量产高纯度产品一直是一个难题。

Song 等[8]首次将BMED 技术引用到AMP 的生产工艺中。

Iizuka 等[9]采用BMED 技术对火电厂产生的CO 2进行分离并回收再利用碱液。

2.1.2 有机酸的制备在传统的发酵法制备有机酸过程中，微生物代谢过程中产生的有机酸会影响微生物菌落周围的酸碱度，并有可能抑制菌体的繁殖发育和次级代谢物的产量，因此在整个发酵过程中要时刻注意酸碱度的变化并进行调节，费时又费力，还浪费大量的酸碱中和剂，产生的废液还可能污染环境。

如果采用BMED 技术集成联产，则可以直接从连续生产的发酵罐持续电离得到有机酸和碱液，并且能避免废液排入水体污染环境。

如发酵生产乳酸，采用CEM/BPM 二隔室BMED ，将原料引入酸室中，结果给出含30%有机酸和2%有机盐的溶液。

Zhang 等[10]采用反相法制备了多孔P84共聚酰亚胺阴离子交换膜，将这种新型膜应用到从乳糖钠中提取乳糖酸（LBA ）和氢氧化钠的处理工艺，取得了较好效果。

2.2 脱盐第41卷第6期唐山师范学院学报 2019年11月-30- 无机盐极易电离，采用三隔室BMED技术进行脱盐的同时获得较为纯净的酸和碱，而且电流效率高，成为近年来脱盐领域里主要研究的膜堆构型[11]。

如在钢铁厂生产过程中运用三隔室BMED技术从含KF和KNO3的浸蚀液中回收HF 和HNO3[12]。

在钢铁生产过程中用含HF（3%-5%）和HNO3（6%-10%）的浸蚀液清洗钢条，所得酸液中含HF（1.8%）、HNO3（9%）、FeF3（3.6%）及Cr和Ni的含氟络合物。

在中和槽中，余酸用KOH中和，将金属含氟络合物转化为金属氢氧化物和KF。

金属氢氧化合物通过过滤去除，含HNO3、KNO3和KF滤过液则通过BMED进行脱除，电渗析成HF、HNO3和KOH。

KOH用于循环中和，脱盐后的产物HF和HNO3则再次作为浸蚀液。

Xia等[13]利用一种新型BMED技术处理湿法烟道脱硫高盐废水，实验结果表明，该方法能较好地脱盐并获得1.0 mol·L-1以上的高酸碱浓液，提高了废水用于酸碱生产的效率。

2.3 电酸化作用电酸化是指水在电压作用下分解成的H+会与蛋白质分子结合，从而达到等电势点。

这种方法可以用来分离筛选高蛋白组分和溶解性多糖。

2.3.1 蛋白分离Bazinet等[14]发明了电酸化法，并采用二隔室双极膜电渗析法来分离浓缩酪蛋白，而且分离出来的酪蛋白不会变质。

Balster等[15]对牛奶脱盐与酪蛋白乳清脱盐两组实验进行了对比，发现牛奶脱盐实验的电阻和能耗更高，而脱盐室内pH值的变化会导致酪蛋白乳清缓冲液堆积在管道内，并随后提出了改进方案。

Bazinet等[16]进行了三种乳清脱盐工艺的比较，表明双极膜电渗析加电酸化集成工艺具有产品质量更高、工艺更安全、无废物产生等传统工艺无法媲美的优势。

2.3.2 溶解多聚糖Brunet等[17]进行了三隔室BMED水解壳聚糖的研究。

在最优条件下，电离1%壳聚糖溶液相对应的能耗为1 kWh·L-1，且该过程中无其它污染物产生，并不需要控制酸碱量，三隔室能同时工作，能量利用率大大提高。

随后Bazinet等人[18]申请了一种利用BMED技术生产低聚糖的新型专利技术，该技术可同时将多糖转化成低聚糖，并能对转化成的低聚糖进行脱盐处理。

2.4 去离子技术电去离子，又称填充床电渗析技术（EDI），是指一种将电渗析与离子交换膜集合起来的一种水处理技术。

由于有些已经被水解的H+和OH-重新结合生成水，所以去离子技术不能完全去除弱电解质杂质，导致电流效率很低。

而双极膜内部水解离速率是普通电解速率的5×107倍[19]，如果将双极膜电渗析技术与去离子技术相结合，会使电流效率大大提高，从而提升EDI技术的实用价值。

Grabowski等[20]采用BMEDI模型以反渗透产品水作为进水生产超纯水。

结果表明，反渗透产品水中的强电解质离子和弱解离酸几乎完全去除，但水质未能达到超纯水的标准。

Gahlot 等[21]采用在EDI电池的稀释室中加入离子膜的新型结构来处理含氟饮用水，发现12 v·cell-1的去氟效率更高，能耗仅4.6 kWh·kg-1，电流效率可达37%。

2.5 制盐目前我国海盐生产仍以盐田法为主，这种方法会浪费大量的人力和土地资源。

日本仅在2008年，采用电渗析技术从海水浓缩制盐产量就高达150万吨[22]。

海水或地表水制盐和制饮用水是BMED技术的一个最主要的应用，这种技术在国外已经大规模应用海水浓缩制盐行业。