论文部分内容阅读
摘 要：双极膜技术是一种新开发的技术，最独特的优点就是水解离电渗析，这一技术的诞生为环境工程提供了关于如何解决存在已久的技术难题的新思路和新解决方法。本文简单介绍了双极膜的双重电荷排斥性能和水解离电渗析。重点介绍了双极膜在回收有价氟方面的应用、烟气脱硫、处理含氟废液、水处理等方面的应用以及未来的发展前景。相关的技术人员应该重视双极膜在环境工程中未来的应用。
关键词：双极膜技术；环境工程；水解离电渗析；应用；展望
双极膜的英文缩写是BPM，它是一种新膜，是由阳离子交换层和阴离子交换层复合成一种新型复合离子型交换膜，同时为促进水的电解可以在阳膜和阴膜之间加入新物质，构成三层结构分别是：阳离子交换层、中间反应层、阴离子交换层。在直流电的作用下，双极膜可以将水电离成氢离子和氢氧根离子。在不同的材料、不同的电荷量在不同的条件下可以制成具有不用功能的双极膜。目前，双极膜虽然在我国的研发或者是应用都不是很广泛，但是国外的科学家认为双极膜可以变废为宝，减轻环境污染问题，实现自然的可持续发展。所以，我国应重视双极膜在环境工程中的应用。
1 介绍双极膜的主要功能
双极膜的两大功能是：水解离电渗析和双重电荷排斥。
1.1 双极膜水解离电渗析
双极膜是一种新型复合离子型交换膜，所以双极膜的阴膜只可以通过阴离子，阳膜只可以通过阳离子。但是当中间的反映层是水时，双极膜在直流电的作用下直接将水电离成氢离子和氢氧根离子。双极膜的最重要的特性是水解离。同时是电解水，利用双极膜电解水比直接电解水所使用的成本更小。
1.2 双极膜的双重电荷排斥性
因双极膜这种新型材料具有不同电荷和一定孔径，这就使双极膜具有“电荷效应”和“筛分效应”。由于双极膜具有双重电荷排斥的功能，这使它具有纳滤的独特优点。纳滤是指当双极膜两侧出现压力差时，完成介于反渗透和超滤的操作。
2 双极膜在环境工程中的应用
2.1 处理含氟废液及回收有价氟
我国的铀工业和氟碳工业在生产过程中，排放出去的废水废气中含有的有机酸和氟的含量都很高，一般的方法是用氢氧化钾中和废水废气才可以除去氟，用氢氧化钾中和后生成氟化钾溶液，该溶液中含有微量放射性物质和重金属，这时还需要用氢氧化钙和氟化钾反应，然后生成不溶性的辅料。这种处理方法虽然可以有效的处理了含氟的废液，但是却导致有价氟的大量损失，并且用户还要考虑如何处理含有放射性物质的氢氧化钙的废料问题。但如果用户用双极膜处理含服废液可以利用电渗离技术可直接将氟化钾转化为氟化氢和氢氧化钾。这种方法可以回收有价氟，同时避免了氢氧化钙的使用，减少了废渣的产量。
2.2 用于碱废液、酸废液的净化和回收
我国的工业生产中会产生很多的酸碱废液，如：铅蓄电池废液、酸洗废液、造纸厂产生的废液等。为减轻我国的环境污染，这些废液在排放时都需要经过一定的流程处理，待废液处理达标后才可以排放，但处理工艺复杂，消耗量大。但是双极膜为废液的处理提供了一个良好的解决办法。由于双极膜是三层结构，所以工业产生的废料可以从中间室通过，阴、阳离子通过阴、阳膜向左、右室通过。阴离子将通过阴膜向左室移动，与双极膜自身产生的氢离子结合生成酸；阳离子将通过阳膜向右室移动，与双极膜自身产生的氢氧根结合生成碱。这种方法比传统的废料处理工艺的速度快，质量高。
2.3 双极膜用于垃圾发酵连续制备有机酸
双极膜除了可以处理废料、废液之外，还可以发酵厨房垃圾制备有机酸，实现变废为宝，既减轻了环境污染问题又可以产生效益。在传统的有机酸制备中，有机酸的产生会影响微生物的生存环境，阻碍微生物的产生和有机酸的进一步生成，为可以正常生产出有机酸都需要工人添加适量的碱。这种传统的方法工艺复杂、消耗量大、产生的废渣还会污染环境。而用双极膜去生产有机酸，可以节约酸碱的使用量，避免废液残渣的产生。
2.4 利用双极膜除去烟气中的二氧化硫气体
我国的发电厂、供暖厂、冶金厂在进行日常工作时，燃料燃烧的过程中释放出酸性气体，如：氧化碳气体、氧化氮气体、氧化硫气体等主要的大气污染物。以氧化硫气体为例，我国每年北方冬季取暖是就会产生大量的气体，这些大量的酸性气体会引起酸雨、温室效应和光污染。对人类的生存构成威胁，世界各国的首要任务就是处理这些酸性气体，如果治理不及时或者不有效的话，后果不堪设想。双极膜可以有效、简单且连续化操作的处理这些酸性气体，不仅达到处理空气中的二氧化硫气体的预期效果，还可以回收利用。
2.5双极膜纳滤在水处理上的应用
双极膜本身的纳滤性决定了处理水的应用，主要有以下几个方面。
2.5.1生活污水处理
生活污水的处理方法一般都是生物降解法和化学氧化法相结合的方法，但是化学氧化法的氧化剂使用量太大，残留物多。但是如果在之间加上纳滤环节，可以截住不能被微生物分解的大分子，大分子可在经过化学氧化和生物分解。这种方法可以减少活性炭和氧化剂的使用，降低残留物的含量。
2.5.2 饮用水净化
随着我国水污染的加剧，人们越来越关心饮用水的质量。经科学实践证明，双极膜的纳滤功能可以除去水消毒过程中产生的微量微毒产物、杀虫剂、除草剂、重金属等有害物质。同时具有水质好、化学药品用量少、节能、占地少、易于維护和管理的优点。
3.展望
双极膜是一种新型的复合离子型交换膜，以自身独特的优点，为我国提供了关于如何解决环境工程中存在已久的技术难题的新思路和新方法。虽然双极膜已经为我国解决了很多环境工程中的难题，但是我国的科研人员还是应该继续开发双极膜的其他功能，降低双极膜的生产成本，改进双极膜的制作工艺，同时研究双极膜中的离子迁移以及水传递。我国的科研人员不应把双极膜的功能和用途只集中在环境工程上，还应该拓宽双极膜的其他应用领域，这是因为双极膜在其他领域也有着广阔的应用前景。
参考文献
[1] 谢鸿芳，肖艳春，郑林禄，郑淑英，陈震.双极膜技术在环境工程中的应用与展望[J].广州化学，2012（1）：P56-62.
[2]唐宇，王晓琳，龚燕.双极膜电渗析理论与应用的研究进展[J].化工进展，2004，23（10）：1107—1112.
[3]陈双，陈巧平，郑曦.三明治式双极膜的制备及其光催化性能[J].应用化学，2010，27（11）：1301-1305.
[4]肖艳春，陈日曜，郑曦.P-m SA/mCS双极膜的制备及其在电合成2，3，5，6一四氯吡啶中的应用[J].化工学报，2010，61（2）：525.530.
关键词：双极膜技术；环境工程；水解离电渗析；应用；展望
双极膜的英文缩写是BPM，它是一种新膜，是由阳离子交换层和阴离子交换层复合成一种新型复合离子型交换膜，同时为促进水的电解可以在阳膜和阴膜之间加入新物质，构成三层结构分别是：阳离子交换层、中间反应层、阴离子交换层。在直流电的作用下，双极膜可以将水电离成氢离子和氢氧根离子。在不同的材料、不同的电荷量在不同的条件下可以制成具有不用功能的双极膜。目前，双极膜虽然在我国的研发或者是应用都不是很广泛，但是国外的科学家认为双极膜可以变废为宝，减轻环境污染问题，实现自然的可持续发展。所以，我国应重视双极膜在环境工程中的应用。
1 介绍双极膜的主要功能
双极膜的两大功能是：水解离电渗析和双重电荷排斥。
1.1 双极膜水解离电渗析
双极膜是一种新型复合离子型交换膜，所以双极膜的阴膜只可以通过阴离子，阳膜只可以通过阳离子。但是当中间的反映层是水时，双极膜在直流电的作用下直接将水电离成氢离子和氢氧根离子。双极膜的最重要的特性是水解离。同时是电解水，利用双极膜电解水比直接电解水所使用的成本更小。
1.2 双极膜的双重电荷排斥性
因双极膜这种新型材料具有不同电荷和一定孔径，这就使双极膜具有“电荷效应”和“筛分效应”。由于双极膜具有双重电荷排斥的功能，这使它具有纳滤的独特优点。纳滤是指当双极膜两侧出现压力差时，完成介于反渗透和超滤的操作。
2 双极膜在环境工程中的应用
2.1 处理含氟废液及回收有价氟
我国的铀工业和氟碳工业在生产过程中，排放出去的废水废气中含有的有机酸和氟的含量都很高，一般的方法是用氢氧化钾中和废水废气才可以除去氟，用氢氧化钾中和后生成氟化钾溶液，该溶液中含有微量放射性物质和重金属，这时还需要用氢氧化钙和氟化钾反应，然后生成不溶性的辅料。这种处理方法虽然可以有效的处理了含氟的废液，但是却导致有价氟的大量损失，并且用户还要考虑如何处理含有放射性物质的氢氧化钙的废料问题。但如果用户用双极膜处理含服废液可以利用电渗离技术可直接将氟化钾转化为氟化氢和氢氧化钾。这种方法可以回收有价氟，同时避免了氢氧化钙的使用，减少了废渣的产量。
2.2 用于碱废液、酸废液的净化和回收
我国的工业生产中会产生很多的酸碱废液，如：铅蓄电池废液、酸洗废液、造纸厂产生的废液等。为减轻我国的环境污染，这些废液在排放时都需要经过一定的流程处理，待废液处理达标后才可以排放，但处理工艺复杂，消耗量大。但是双极膜为废液的处理提供了一个良好的解决办法。由于双极膜是三层结构，所以工业产生的废料可以从中间室通过，阴、阳离子通过阴、阳膜向左、右室通过。阴离子将通过阴膜向左室移动，与双极膜自身产生的氢离子结合生成酸；阳离子将通过阳膜向右室移动，与双极膜自身产生的氢氧根结合生成碱。这种方法比传统的废料处理工艺的速度快，质量高。
2.3 双极膜用于垃圾发酵连续制备有机酸
双极膜除了可以处理废料、废液之外，还可以发酵厨房垃圾制备有机酸，实现变废为宝，既减轻了环境污染问题又可以产生效益。在传统的有机酸制备中，有机酸的产生会影响微生物的生存环境，阻碍微生物的产生和有机酸的进一步生成，为可以正常生产出有机酸都需要工人添加适量的碱。这种传统的方法工艺复杂、消耗量大、产生的废渣还会污染环境。而用双极膜去生产有机酸，可以节约酸碱的使用量，避免废液残渣的产生。
2.4 利用双极膜除去烟气中的二氧化硫气体
我国的发电厂、供暖厂、冶金厂在进行日常工作时，燃料燃烧的过程中释放出酸性气体，如：氧化碳气体、氧化氮气体、氧化硫气体等主要的大气污染物。以氧化硫气体为例，我国每年北方冬季取暖是就会产生大量的气体，这些大量的酸性气体会引起酸雨、温室效应和光污染。对人类的生存构成威胁，世界各国的首要任务就是处理这些酸性气体，如果治理不及时或者不有效的话，后果不堪设想。双极膜可以有效、简单且连续化操作的处理这些酸性气体，不仅达到处理空气中的二氧化硫气体的预期效果，还可以回收利用。
2.5双极膜纳滤在水处理上的应用
双极膜本身的纳滤性决定了处理水的应用，主要有以下几个方面。
2.5.1生活污水处理
生活污水的处理方法一般都是生物降解法和化学氧化法相结合的方法，但是化学氧化法的氧化剂使用量太大，残留物多。但是如果在之间加上纳滤环节，可以截住不能被微生物分解的大分子，大分子可在经过化学氧化和生物分解。这种方法可以减少活性炭和氧化剂的使用，降低残留物的含量。
2.5.2 饮用水净化
随着我国水污染的加剧，人们越来越关心饮用水的质量。经科学实践证明，双极膜的纳滤功能可以除去水消毒过程中产生的微量微毒产物、杀虫剂、除草剂、重金属等有害物质。同时具有水质好、化学药品用量少、节能、占地少、易于維护和管理的优点。
3.展望
双极膜是一种新型的复合离子型交换膜，以自身独特的优点，为我国提供了关于如何解决环境工程中存在已久的技术难题的新思路和新方法。虽然双极膜已经为我国解决了很多环境工程中的难题，但是我国的科研人员还是应该继续开发双极膜的其他功能，降低双极膜的生产成本，改进双极膜的制作工艺，同时研究双极膜中的离子迁移以及水传递。我国的科研人员不应把双极膜的功能和用途只集中在环境工程上，还应该拓宽双极膜的其他应用领域，这是因为双极膜在其他领域也有着广阔的应用前景。
参考文献
[1] 谢鸿芳，肖艳春，郑林禄，郑淑英，陈震.双极膜技术在环境工程中的应用与展望[J].广州化学，2012（1）：P56-62.
[2]唐宇，王晓琳，龚燕.双极膜电渗析理论与应用的研究进展[J].化工进展，2004，23（10）：1107—1112.
[3]陈双，陈巧平，郑曦.三明治式双极膜的制备及其光催化性能[J].应用化学，2010，27（11）：1301-1305.
[4]肖艳春，陈日曜，郑曦.P-m SA/mCS双极膜的制备及其在电合成2，3，5，6一四氯吡啶中的应用[J].化工学报，2010，61（2）：525.530.