電滲析（ED），作為膜分離中發(fā)展較早的分離技術(shù)，是在電場(chǎng)作用下，以電勢差為驅動(dòng)力，利用離子交換膜對料液進(jìn)行分離和提純的一種高效、環(huán)保的分離過(guò)程。

        1956年，V. J. Frilette發(fā)現在電滲析膜面上形成的鈣鎂垢是由膜面上的水解離造成的，從而首次提出利用雙極膜（BPM）促進(jìn)膜中水解離現象的想法。

        隨著(zhù)膜分離技術(shù)和膜材料的發(fā)展，出現了由陰陽(yáng)離子交換層和中間界面催化層復合而成的雙極膜材料。其與傳統電滲析結合構成的雙極膜電滲析（BMED）技術(shù)在近年來(lái)得到了迅速發(fā)展，成為了ED工業(yè)發(fā)展的新增長(cháng)點(diǎn)。

        BMED是由BPM、陰離子交換膜（AEM）、陽(yáng)離子交換膜（CEM）等基本單元按照一定的排列方式組合而成的。在電場(chǎng)作用下，雙極膜中的H2O快速解離為H+和OH-，將鹽溶液轉化為酸和堿。

        近年來(lái)，BMED多用于清潔生產(chǎn)、資源回收利用、污染零排放中，同時(shí)作為新興的綠色技術(shù)，BMED與其他化工技術(shù)正朝著(zhù)集成化的方向發(fā)展。

        本文從BMED的基本工作原理出發(fā)，回顧BMED技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，并總結其近年來(lái)在酸堿生產(chǎn)、資源分離和污染控制等方面的研究和應用進(jìn)展，最后根據目前雙極膜應用中存在的問(wèn)題探討其研究的重點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展的方向。

        01 雙極膜電滲析

            1.1 BMED的工作原理

            BMED運行時(shí)，在電場(chǎng)作用下離子進(jìn)行定向遷移，當雙極膜中的離子都遷向主體溶液時(shí)，中間層的水會(huì )解離產(chǎn)生H+和OH-對電流進(jìn)行負載。

            然而雙極膜中發(fā)生的水解離現象不同于通常的水解離，研究者們對其解離的過(guò)程機理開(kāi)展了大量的理論研究，但限于過(guò)程的復雜性，目前還沒(méi)有達成統一的結論。根據水在雙極膜中間層解離過(guò)程的不同，主要提出3種解釋水解離機制的物理模型，見(jiàn)圖 1。

            SWE模型認為，在電場(chǎng)作用下，雙極膜中間層（陰陽(yáng)離子尖銳結合區）會(huì )因離子遷移而出現薄的無(wú)離子區域，認為水解離發(fā)生于此。H2O的解離跟弱電解質(zhì)在高壓條件下的解離過(guò)程相同，H+和OH-的產(chǎn)生速率為H2O的解離速率，解離常數與電壓成正相關(guān)；

            在SWE模型的基礎上，為了解膜上荷電基團對水解離的影響，進(jìn)一步提出化學(xué)反應模型（CHR），該模型認為由膜基質(zhì)中的羧酸基、叔胺基和膜內的金屬離子等影響水解離速率的現象可知，膜上固定基團通過(guò)質(zhì)子化反應進(jìn)行水解離產(chǎn)生H+和OH-，且解離更易發(fā)生在A(yíng)EM側；

            為解釋雙極膜中間層較大的能量消耗，提出中和層模型（NL），結果發(fā)現，雙極膜的AEM、CEM界面處存在中和層區域，水解離發(fā)生在電荷區和電荷與中和層區域的界面處。

            以上提出的水解離物理模型具有一定的假設和適應范圍，存在局限性。SWE模型僅適應電壓為107~108 V/m的體系，且假設了雙極膜中間層是尖銳結合而成的結構；CHR模型考慮了雙極膜的實(shí)際結構和膜上荷電基團會(huì )使水發(fā)生解離，但無(wú)法解釋與SWE模型計算出的數值間較大的差距；NL模型只能用于明顯存在中和層的體系。

            因此下一步要加深對雙極膜水解離理論的研究，完善水解離理論工作曲線(xiàn)，建立有實(shí)際應用價(jià)值的物理模型。對水解離機制的探索，有助于改善雙極膜的制備工藝，優(yōu)化雙極膜性能。

            1.2 BMED的發(fā)展歷程

            隨著(zhù)水解離機制理論研究的深入，雙極膜的制備工藝也從簡(jiǎn)單到復雜，性能從差到優(yōu)異。

            1950年，W. Juda用離子交換樹(shù)脂粉、高分子材料制備出離子交換膜，作為膜的正式發(fā)展開(kāi)端。

            從1956年V. J. Frilette提出雙極膜概念到20世紀80年代，雙極膜的制備采用將陰陽(yáng)離子交換膜壓制到一起的壓制法，操作簡(jiǎn)便，但解離電壓過(guò)高，無(wú)法用于商業(yè)化使用。

            從20世紀80~90年代，通過(guò)在陰/陽(yáng)離子交換膜上澆鑄陽(yáng)/陰離子層制備單片型雙極膜，電流效率得到提高，雙極膜逐漸被使用，并向商業(yè)化方向發(fā)展。

            從20世紀90年代開(kāi)始，雙極膜結構發(fā)生了較大改變，帶有中間催化層的“三明治”結構出現，使解離電壓大幅度降低，雙極膜性能得到快速的提升。

            特別是近些年，研究者們致力于制備催化性能和親水性能優(yōu)異的雙極膜中間層使界面區域電阻最小化。

            BPM與AEM、CEM組成的BMED的裝置構型從簡(jiǎn)單的二隔室發(fā)展為三隔室，由B-C-B或者B-A-B組合成的二隔室和由B-A-C-B構成的三隔室BMED。見(jiàn)圖 2。

            二隔室設備體積小、能耗低；三隔室膜堆多、能耗高，但其CEM、AEM不與酸堿液直接接觸，制備的酸堿純度更高，電流效率更高，膜的使用壽命更長(cháng)。

            如今BMED的裝置構型以使用三隔室為主，但在應用生產(chǎn)時(shí)需要綜合考慮工藝的需求和經(jīng)濟效益，選擇最合適的裝置構型。

        02 BMED的應用進(jìn)展

            2.1 酸堿生產(chǎn)

            BMED分離技術(shù)逐步取代傳統的沉淀制備工藝，使酸堿生產(chǎn)的工業(yè)化發(fā)展迅速。產(chǎn)物收率高，且無(wú)廢液廢渣對環(huán)境造成污染。

            在酸堿生產(chǎn)過(guò)程中，選擇最適于BMED運行的裝置構型也成為提高經(jīng)濟效益的關(guān)鍵一步。

            在研究無(wú)機酸堿生產(chǎn)時(shí)，Kaixuan Yan等利用三隔室構型BMED從NaH2PO2中回收H3PO2，考察電流密度、初始堿室的濃度等因素對H3PO2收率的影響，結果表明，當電流密度為18 A/cm2，產(chǎn)生的H3PO2濃度達到1.03 mol/L，NaH2PO2的轉化率達66.4%，且三隔室生產(chǎn)的H3PO2純度較高，能耗較低，無(wú)二次污染。

            Ya Li等在模擬氯化銨生產(chǎn)無(wú)機酸和堿時(shí)，發(fā)現與三隔室BMED相比，兩隔室的HCl濃度增長(cháng)的速率更高，能耗更低。

            在探討有機酸堿生產(chǎn)中，侯震東等選用三隔室BMED生產(chǎn)高純度四甲基氫氧化銨（TMAH），當原料液濃度為1.5 mol/L，電流密度為140 A/m2時(shí)，TMAH收率為96.8%。

            Xiaohe Liu等通過(guò)二隔室BMED生產(chǎn)水楊酸，經(jīng)過(guò)2種構型的運行比較發(fā)現，二隔室是經(jīng)濟效益最高的構型。該結構運行過(guò)程中，電流效率最高達99.6%，能耗最低為2.1 kW·h/kg。

            綜上所述，二隔室更多適于弱酸堿的生產(chǎn)，而三隔室構型則更多適于處理高鹽廢液和其他化工生產(chǎn)過(guò)程。

            除了通過(guò)選擇裝置構型提升經(jīng)濟效益外，酸堿清潔生產(chǎn)時(shí)對實(shí)驗中操作條件的調控，如電流密度、原料液濃度、酸堿室的初始濃度、各室的體積流量比等均會(huì )對BMED工藝中的電流效率、收率、能耗等產(chǎn)生影響，且影響因素的權重有所不同。

            在實(shí)驗中設計正交試驗或響應曲面試驗進(jìn)行探究，能夠確定主要影響因素并尋找各因素間的最佳組合以提高生產(chǎn)效率。

            2.2 水處理過(guò)程中的污染控制

            隨著(zhù)國務(wù)院下發(fā)“水十條”的逐步落實(shí)，工廠(chǎng)的廢液實(shí)現零污染排放受到社會(huì )的廣泛關(guān)注，如燃煤電廠(chǎng)、化肥廠(chǎng)等電力、化工產(chǎn)業(yè)均會(huì )產(chǎn)生大量含鹽廢水，嚴重制約了廢水零排放的進(jìn)程。

            與處理較純凈的體系相比，在處理對環(huán)境造成污染的體系時(shí)，差異是要將污染物經(jīng)過(guò)BMED的運行更多地轉化為可使用資源，實(shí)現污染控制。

            Min Xia等利用BMED處理電廠(chǎng)脫硫廢水以保證廢液零排放，同時(shí)得到濃度1.0 mol/L以上的酸堿溶液，得到的堿可用于脫硫廢液的預處理，代替石灰石作為脫硫劑使用，在綠色排放的同時(shí)提升了經(jīng)濟效益。

            化肥廠(chǎng)產(chǎn)生的大量NH4Cl廢液，直接排放會(huì )導致水體營(yíng)養化。用BMED處理NH4Cl廢液得到HCl和氨水，返回用于化肥生產(chǎn)工藝，實(shí)現資源循環(huán)利用。

            Beiyan Chen等處理分子篩生產(chǎn)中排放的大量含鈉廢液，利用BPM中水解離特性，對分子篩中的鈉進(jìn)行去除并回收NaOH。與傳統的銨離子交換法相比，BMED工藝簡(jiǎn)單、實(shí)現清潔生產(chǎn)，是一種新型的分子篩除鈉方法。

            農藥廠(chǎng)為了實(shí)現更好的水資源管理，急切需要對草甘膦等廢水進(jìn)行再生利用。Wenyuan Ye等采用BMED技術(shù)對草甘膦進(jìn)行回收，結果表明，其回收率可達98.2%，得到的NaOH同時(shí)作為CO2的吸收劑，用于緩解溫室效應。

            城市化的日漸發(fā)展，垃圾場(chǎng)滲透液的累積也需要進(jìn)行處理，引入BMED技術(shù)處理滲透液并生產(chǎn)酸堿，可提供給對酸堿品質(zhì)要求不高的工廠(chǎng)使用，是一項對環(huán)境友好的分離技術(shù)。

            相比其他分離方法，BMED在處理工廠(chǎng)排放的廢液時(shí)，可以將固體鹽更好地資源化利用，降低廠(chǎng)內酸堿需求的成本。但處理過(guò)程中發(fā)現膜電阻增加、膜通量下降，發(fā)生的膜污染現象使能耗增加、電流效率降低。所以未來(lái)如何控制膜污染問(wèn)題是BMED用于污染控制領(lǐng)域所要解決的首要問(wèn)題。

            2.3 新型分離過(guò)程

            將BMED與其他化工技術(shù)結合可以形成新型分離過(guò)程，利用BMED具有的獨特優(yōu)勢，可以為其他領(lǐng)域中待解決的問(wèn)題提供新的契機。

            BMED與微生物燃料電池工藝進(jìn)行結合，BMED維持了細菌生存的pH環(huán)境，生產(chǎn)的堿用于優(yōu)化沼氣成分（CO、H2S），同時(shí)現場(chǎng)產(chǎn)堿減少了運輸堿的費用。

            燃料電池與BMED技術(shù)的結合，為能源的發(fā)展拓展了新方向。在生物制氫方面，Jing Tang等提出一種集成發(fā)酵制氫和產(chǎn)物分離為一體的生物制氫系統，見(jiàn)圖 3。

            該系統將厭氧生物反應器與BMED、濃縮罐進(jìn)行組合，在厭氧生物反應器中對微生物進(jìn)行乙醇型發(fā)酵，BMED處理發(fā)酵液中的醋酸鹽以制備醋酸，同時(shí)及時(shí)對其分離，可以提高系統的產(chǎn)氫能力。

            BMED的加入促進(jìn)了發(fā)酵制氫的產(chǎn)品分離，也提高了廢液中葡萄糖的回收利用率，二者的耦合為實(shí)現高效產(chǎn)氫提供了一種新思路。CO2捕捉技術(shù)與BMED耦合處理高鹽含苯胺的廢液，實(shí)現在脫鹽的同時(shí)回收CO2，苯胺的去除率達到98.68%，成功實(shí)現綠色排放且貯存溫室氣體CO2。

            此外，Binglun Chen等提出用雙極膜選擇性透析法（BMSED）處理反滲透濃縮鹵水，選擇性透析（SED）和BMED過(guò)程結合處理鹵水，得到高純度的酸堿并實(shí)現環(huán)保排放。

            S. S. Melnikov等將BMED與電滲析濃縮器結合從Na2SO4中生產(chǎn)高濃度的H2SO4，用兩級方案進(jìn)行回收，提高電流效率，降低濃H2SO4中雜質(zhì)鹽離子濃度。

            Jiuyang Lin等將超濾法與BMED工藝結合，從高鹽紡織廢水中提取染料，實(shí)現了酸堿的生產(chǎn)和純水的再生。

        03 BMED在工藝應用上的挑戰

            現在BMED發(fā)展過(guò)程中所面臨的挑戰主要有以下兩點(diǎn)：（1）膜污染；（2）離子泄漏。

            針對目前存在的問(wèn)題，本研究將分別進(jìn)行探討并提出解決方法。

            在BMED的應用發(fā)展中，如果不對膜污染問(wèn)題進(jìn)行調控，則會(huì )成為BMED工業(yè)化過(guò)程中的瓶頸。膜污染的存在使BMED設備加速老化，膜電阻增加且導致能耗升高，經(jīng)濟效益降低。

            目前的污染類(lèi)型可分為三類(lèi)：無(wú)機污染、有機污染、生物污染。無(wú)機污染由Ca2+、Mg2+或者高價(jià)態(tài)金屬離子因極化作用導致過(guò)飽和析出形成。

            有機污染由有機物與膜官能團間的親和作用、電荷間的靜電作用、有機物間的幾何作用形成沉積物造成。另外隨著(zhù)生物技術(shù)與膜分離過(guò)程的耦合，細菌和微生物的生長(cháng)使膜上的生物污染日益嚴重。

            通過(guò)對膜污染影響因素進(jìn)行調控以減輕膜污染程度：

            （1）對污染物進(jìn)行改性，J. S. Park等在原料液中加入不同電性的聚合物，使其與污染物結合，通過(guò)對Zeta電位值的控制減輕污染；

            （2）對膜表面進(jìn)行改性，通過(guò)添加修飾成分（如納米顆粒）改變膜的親水性能、荷電性和粗糙度；

            （3）提前對原料液進(jìn)行預處理，通過(guò)氧化還原、沉淀反應等化學(xué)法減少離子濃度，也可通過(guò)前期的混凝、過(guò)濾等物理法處理；

            （4）改變BMED運行中的操作條件，Y. W. Berkessa等對進(jìn)料液pH、原料液濃度、進(jìn)料速度等因素進(jìn)行探究，以緩解離子膜的污染。

            BMED運行時(shí)會(huì )發(fā)生離子泄漏現象，鹽離子與H2O結合成水合離子的形式，隨著(zhù)水的流動(dòng)遷移到酸堿室。酸室的H+會(huì )泄漏到鹽室，鹽室中的H+也會(huì )繼續遷移泄漏到堿室，同樣OH-也發(fā)生類(lèi)似的遷移過(guò)程。

            實(shí)驗過(guò)程中發(fā)現H+通過(guò)AEM更加容易，焦陽(yáng)等了解到H+的泄漏問(wèn)題與膜電阻有關(guān)。在BMED運行過(guò)程中，如果離子泄漏問(wèn)題不及時(shí)采取措施控制，將會(huì )降低產(chǎn)出酸堿的純度，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

            目前采取以下3種方法減輕離子泄漏程度：

            （1）使用性能優(yōu)異的阻酸膜，阻擋H+的遷移；

            （2）通過(guò)控制膜堆電壓、電流密度、鹽室溶液的pH，或者在制備雙極膜時(shí)適當增加雙極膜厚度改變膜電阻；

            （3）在三隔室構型中加入陰離子交換膜，降低H+與其他陽(yáng)離子的競爭遷移，減輕離子泄漏的程度。

        04 總結與展望

            BMED工藝因其具有可實(shí)現清潔生產(chǎn)、零污染排放、提升經(jīng)濟效益等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在酸堿生產(chǎn)、環(huán)境保護等領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注。特別是BMED與其他技術(shù)的集成化，將會(huì )成為之后應用發(fā)展的趨勢。但BMED存在一些制約其發(fā)展的問(wèn)題：雙極膜制備成本較高，在運行過(guò)程中存在膜污染、離子泄漏等問(wèn)題。

            下一步探究的重點(diǎn)：尋找新型膜材料、改善膜制備工藝、對工藝過(guò)程中的操作條件進(jìn)行調控。以降低雙極膜成本、減輕膜污染和離子泄漏等問(wèn)題為目標，進(jìn)一步加快雙極膜工業(yè)化進(jìn)程。