双极膜电渗析 快来了解!

从2017年开始,双极膜材料就一直是国家工信部公布的国家重点发展的新材料之一。目前国内高校中研发双极膜的团队非常多,比如:清华大学、中国科学技术大学、浙江大学、南开大学、合肥工业大学等等。

工业化的双极膜目前是电渗析离子交换膜材料中的桂冠(综合其应用前景、工业化难易程度等因素),快来了解一下。

20世纪60-70年代,双极膜( Bipolar membrane)最早由美国Aquatech(阿奎特国际集团公司)首先研发出来。20世纪80年,双极膜最早工业化应用于美国华盛顿某钢厂,应用于硝酸钾和氟化钾系统。后来双极膜电渗析的应用才逐步扩散到芬兰、法国、德国、意大利、荷兰等欧洲国家。

而双极膜进入中国预计在20世纪80-90年代。这一段时间国内双极膜的研究文献相对较多,也比较集中;同时国内部分大企业做了很多实验级别的尝试(多以有机酸产品双极膜系统为主)。

2013年前,国内没有规模化的双极膜电渗析项目落地(13-14年左右国内才开始有双极膜电渗析工业化的应用案例–某有机酸产品系统)。通过综合的分析,主要有以下几个原因:

2. 设计、运行等技术参数完全依赖于国外,国内装配水平偏低,缺乏核心技术;

双极膜仅仅是离子交换膜中的一种,可想而知,双极膜细分市场在整个膜市场中所占比非常小。但是由于双极膜应用领域专一,一定程度上具有不可替代性,在目前受到广泛关注的高盐废水零排放系统、资源回收领域、有机产品清洁生产新工艺中具有极大优势。

双极膜一般由阴离子交换树脂层(AL)、阳离子交换树脂层(CL)和中间层组成。

2.中间层,厚度一般在10*10^-9m以内(纳米级别),且跟制膜原理、工艺有关;

在直流电场的作用下,阴、阳膜复合层间的H2O解离成H+和OH-,并进行离子定向迁移,分别通过阳离子交换膜层和阴离子交换膜层,作为系统H+和OH-离子供应源。H+和OH-则主要通过过渡区水的解离而得到及时的补充,消耗的水又通过周围溶液中的水向膜中间渗透而弥补。

基于双极膜的特点,配备不同的阳离子交换膜、阴离子交换膜及其他配件,可以组装成不同形式的双极膜电渗析( 双极膜电渗析的形式含:二隔室、三隔室、四隔室、五隔室等,感兴趣的可以自己去拓展,核心原理没变,)。

1.(无机系统)无机盐制备对应的酸和碱:硫酸钠、氯化钠 、硫酸锂、硝酸钠、氯化铵等;

2.(有机系统)有机酸盐制备对应的有机酸和碱(有机碱盐与之类似):酒石酸、葡萄糖酸、柠檬酸、维生素C、四甲基氢氧化铵、四丙基氢氧化铵等;

基于双极膜制酸、碱功能,双极膜电渗析在很多无机系统、有机系统中常常会被用来与电解法做对比。以纯氯化钠系统为例,两种工艺差异对比如下:

国内环保形势严峻,尽管双极膜起步晚,但是国内的环保市场形势给双极膜电渗析创造了非常多的机会。而国内实际的双极膜电渗析应用案例已经非常多,Na2SO4、NaCl、NaNO3、Li2SO4、NH4Cl等含盐废水具有相应的应用案例。

尽管目前国内所有电渗析厂家,都宣传有双极膜电渗析,但是其实国内双极膜电渗析应用主要以进口双极膜为主,当然也有为数不多的几家公司在研发、生产国产双极膜。具体情况如下:

1.日本ASTOM:目前国内双极膜应用案例最多,日本技术团队可以做全程技术支持。在双极膜设备形式、系统设计、系统稳定性上,行业综合评价比较高,目前应用主要涉及高盐废水、有机酸、有机碱等系统。

2.德国Fumatech:膜材料完全可以应用于工业化,但是因为膜基材、配件性能、供货时间等细节问题,目前在国内应用偏少,主要应用于部分有机产品清洁生产工艺中。

3.法国(Eurodia Industrie Sa)、捷克(MEGA a.s.)、法国(Suez Environnement)等,苏伊士电渗析这一块主要因为收购了GE水处理部门。整体上述几个品牌双极膜电渗析在国内基本没有应用,但他们常规电渗析均在国外食品、医药等领域有较多应用。

4.杭州蓝然环境:属于国产双极膜厂家,且与日本ASTOM合作,目前国内双极膜应用案例最多。蓝然下属两个生产、研发型子公司,其中衢州蓝然新材料投资约1.2亿元,双极膜规划年产能50000m2,双极膜技术源于公司团队、日本、高校等综合研发。

5. 北京廷润:属于国产双极膜厂家,技术源于国内早期研发团队-葛道才。2016-2017年在福建泉州分公司实现双极膜生产工业化,双极膜规划年产能50000m2。尽管性能上与进口膜相比还具有一定的差距,但是目前也已在众多特定领域具有一定应用。

6. 河北亚德士:核心技术来源于葛道才(仅供参考),经过长期公司自主调整,目前已形成自主双极膜研发产品。但是该公司定位不做双极膜工程,只做双极膜产品和设备的供应商。

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