双极膜电渗析技术的论述
摘要：本文论述了双极膜的发展过程，双极膜电渗析技术的原理及结构，膜污染及处理方法，维生素C生产采用双极膜电渗析技术的优点及维生素C生产采用离子交换法存在的缺点。
关键词：双极膜；电渗析；维生素C；离子交换 双极膜的发展过程可划分为三个阶段：第一阶段 20 世纪 50 年代中期至 80 年代初期，这是双极膜发展十分缓慢的时期，双极膜仅是由两片阴阳离子交换膜直接压制，性能很差，水分解电压比理论压降高几十倍，应用研究还处在以水解离为基础的实验室阶段；第二阶段从 20 世纪 80 年代初至 90年代初，由于双极膜制备技术的改进，成功地研制了单片型双极膜，其性能大大提高，已经在制酸碱和脱硫技术中得到了成功应用，这一阶段出现了商品双极膜。从 20 世纪 90 年代初至今，是双极膜迅速发展的时期，随着对双极膜工作过程机理的深入研究，从膜结构、膜材料和制备过程上进行了重大改进，使双极膜的性能有了较大提高，其中主要是对阴膜和阳膜接触界面的改进，从最初简单的“压层型”或“涂层型”结构到 20 世纪 80 年代初开始出现的“单片型”结构，随后又出现带有中间“催化层”的复杂结构，
大大降低了膜电压。双极膜电渗析技术在优化传统工业过程和新的工业过程中发挥了独到的作用。它的出现改变了传统工业分离和制备过程，为解决环境、化工、生物、海洋化工等领域中的技术难题带入新的生机和活力，同时为解决人类面临的环境、资源、能源等问题提供了有效手段。开展对双极膜电渗析技术的研究，要做到理论研究和实际应用两方面并重，早日缩短与国外先进水平的差距，扩大其在国内工业领域中的应用。[1-3]
双极膜是一种新型离子交换复合膜，它通常由阳离子交换层和阴离子交换层复合而成。不同电荷密度、厚度和性能的膜材料在不同的复合条件下，可制成不同性能和用途的双极膜，这些用途最基本的原理是双极膜界面层的水分子在反向加压时的离解（又称双极膜水解离），即将水分解成氢离子和氢氧根离子。双极膜电渗析就是基于上述的水解离和普通的电渗析原理的基础上发展起来的，它是以双极膜代替普通电渗析的部分阴、阳膜或者在普通电渗析的阴、阳膜之间加上双极膜构成的。双极膜电渗析过程具有集成度高、节能等优点，双极膜电渗析系统（bipolar membrane electrodialysis简称BMED）
双极膜电渗析法有三种基本的结构模式：三室式和两种二室式。1）在三室式中，一个单元由双极膜、阴膜和阳膜分隔组成酸室、盐室和碱室。有机酸盐MX进入中间的盐室
后，在电场作用下，其阳离子M+通过阳膜进入碱室，与双极膜分离出来的OH-形成碱MOH；而阴离子X-则通过阴膜进入酸室，与双极膜分离出来的H+形成有机酸HX。 2）二室式电渗析有两种，两张双极膜间用阳膜分隔成盐室和碱室。有机酸盐MX的溶液进入左边盐室，在直流电场作用下，双极膜阳膜侧析出的H+直入盐室，与有机酸阴离子X-结合成有机酸分子；M+则在电场作用下通过阳膜进入右边碱室，与双极膜产生的OH-形成碱。这种电渗析法可由有机酸盐制得一种纯碱和酸与盐混合液。另一种可称为产酸的二室式。两张双极膜间用阴膜分隔成酸室与盐室。有机酸盐MX进入右边盐室，在直流电场作用下，阴离子X-通过阴膜进入左边酸室，形成酸HX；而在盐室中的M+与双极膜产生的OH-形成碱。这种电渗析法可由有机酸盐制得一种纯酸和盐与碱的混合物。
膜污染一方面是由于料液中的污染物堆积于膜表面而引起的，这部分可通过加强如超滤、絮凝、脱色等一系列预处理过程来防治；而膜表面的浓差极化也是产生沉淀结垢的主要原因[4].如果发生浓差极化，溶液中易形成沉淀的离子在膜面上产生沉淀，增加了膜电阻，降低了有效面积，水的解离和H+、OH-的迁移消耗了很大一部分电能，从而造成电渗析的电流效率和脱盐率下降，产水量降低和电耗增加. 维生素C是一种重要的维生素类药物和营养剂，在医药
和食品工业中均有很大用途。目前我国维生素C生产企业采用的二步发酵法中，需将发酵以后得到的古龙酸钠溶液，经过多步生产得到古龙酸晶体，再依次与甲醇和碳酸氢钠反应制得维生素C钠盐。现有的古龙酸钠和维生素C钠盐的脱盐工艺大多为阳离子树脂交换法。其存在缺点：
1）Na+树脂转换成H+树脂过程中，酸碱进行再生，再生过程中需要大量水进行洗酸洗碱，向环保排放大量废酸碱水又无法回收稀碱及稀酸溶液。 2）树脂交换收率低。
3）树脂使用周期短，需要定期更换。
采用BMED技术将古龙酸钠和维生素C钠盐转换成古龙酸和维生素C，转化率高达99？%[5-6]？。其优点： 1）副产品稀碱和稀酸溶液也可被有效利用。 2）优化生产成本，降低能源消耗。
3）消耗化工原料少，无污染，产品回收率高、纯度高。 4）抗污染能力强，膜使用寿命长。
5）过程简单，设备体积小，易于工业放大和实现自动化及连续操作，并且可以和发酵偶联，降低产物反馈抑制效应，提高发酵产率。
BMED因其高效节能、无污染等显著特点，在化工、环保、生物分离、能源、制药工业中具有广泛的应用前景，并在部分特种分离方向实现了产业化应用。可以预计，BMED
技术应用在古龙酸钠和维生素C钠脱盐工艺，提高转化率及解决环保问题，将能为社会的可持续发展做出重要贡献。 参考文献
[1] 唐宇.王晓琳.龚燕.余立新.双极膜电渗析理论与应用的研究进展：化工进展，2004年第23卷第10期：1107-1112. [2] 王路海，韩峰，韩雪梅，袁宗胜；双极性膜电渗析技术及其应用；河南化工；2001年04期.
[3] Huang C H，xu TW，zhang Y P，cta，Application of electrodialysis to the production of organic： State-of-the-art and recent developments. Journal of Membrone Science，2007，288；1-12.
[4] 黄显怀，霍守亮；膜污染及其控制方法研究；安徽建筑工业学院学报（自然科学版）；2003年01期. [5] 林爱光，蒋维钧，余立新；双极性膜电渗析技术在维生素C生产中的应用研究；膜科学与技术；1998年05期. [6] 高宁，双极膜在维生素C生产中的应用；天津大学；2004年.