本创新技术涉及膜技术领域,旨在通过在双极膜电渗析过程中集成阴离子交换膜,有效防止氢离子泄漏,从而抑制氢离子迁移,增强酸碱浓度梯度,显著提升双极膜电渗析效率。
背景技术
含盐废水是海水淡化、造纸、氯碱行业、石油化工、煤化工和天然气行业等行业的副产品。当其中含有高浓度(0.5%至3.4%)的有机污染物和无机盐(如氯化钠和硫酸钠等)时,被称为“高盐废水”。若能有效回收这些废水中的成分,不仅有助于自然资源的保护,还推动可持续发展。随着最小液体排放(MLD)和零液体排放(ZLD)理念的引入,盐废水处理领域迎来技术革命。为了应对新概念的要求,已经开发了一系列技术,例如电渗析(ED)、反渗透(RO)、正向渗透(FO)、双极膜电渗析(BMED)等技术对工业高盐废水进行处理。
ED、RO和FO等技术将对含盐废水进行浓缩,并通过将液态盐结晶为固态盐等方式来处理高盐废水,但这些方法在经济效益上不具优势。双极膜电渗析(BMED)能够更好地解决这一问题。BMED是一种新兴的电驱动膜技术,由双极膜(BPM)、阴离子交换膜(AEM)、阳离子交换膜(CEM)以及电极组成。BPM包含阴离子选择层、阳离子选择层和过渡层三部分。在电场强化下,BPM中的水分子解离为H+
和OH-
。由于阳离子和阴离子无法通过BPM的两层结构。水解产生的H+
和OH-
会分别通过阳离子选择层和阴离子选择层,以维持离子电流。在电渗析过程中,进料室中的阴离子通过AEM与H+
结合生成酸,阳离子通过CEM与OH-
结合生成碱,从而将盐转化为酸和碱。
在现有的盐废水回收中,BMED因其技术和经济优势,被认为是高盐废水资源化领域的理想解决方案。然而,BMED的应用仍面临一些挑战:1、产品纯度:在许多工业应用中,只有大幅减少产品中的盐杂质,产品才更有价值。产品纯度一方面受盐离子穿过双极膜的传输影响,来自酸室的盐阴离子会污染产生的碱,反之亦然,来自碱室的盐阳离子会污染产生的酸;此外,进料室中的多种阳离子或阴离子通过离子交换膜形成混酸或混碱,进一步降低了产品的纯度。2、产品浓度:阴离子交换膜的氢离子泄漏是导致产品浓度降低的主要原因;通常,离子交换膜可以选择性地允许带相反电荷的离子通过,而阻挡带相同电荷的离子;然而,氢离子由于半径小等原因,迁移率远高于其他阳离子,导致阴离子交换膜无法完全阻挡质子;结果是酸室的氢离子泄漏,降低酸的浓度,同时泄漏的氢离子进入碱室中和部分碱,导致碱浓度下降。
传统阴离子交换膜的质子泄漏行为往往被认为是导致电流利用率低和酸浓度低的罪魁祸首。与氯碱膜工艺的全氟碳双层膜一样,开发阻隔氢离子的阴离子交换膜是非常必要和重要的。质子具有独特的输运现象:一种是质子以H3
O+
的形式转移,称为Vehicle机制。另一种是质子沿着水分子形成的氢键网络跳跃转移,称为Grotthus机制。水分子在其中起着重要的作用。为有效抑制阴离子交换膜中的质子泄漏,研究人员尝试了多种方法,包括引入疏水性基团、构建致密膜结构以及应用弱碱基。例如,Yu等人利用交联改性开发了一种基于PVDF-HFP的氢离子阻隔AEM,通过引入叔胺基团来降低水迁移率,使硫酸浓度从0.2mol/L有限地提高到1.08mol/L。Jang等人研究阻隔聚环氧苯基醚基结构中氧与氢离子之间的相互作用来提高阻隔氢离子效率,通过二甲基降低与质子之间的相关作用,使DMPPO阻隔氢离子效率达到72%,表现出更优异的阻隔氢离子性能。Li等人在强碱AEM基底上涂敷一层弱碱官能团作为酸阻挡层,通过膜的主链和侧链亲水性差异实现了微相分离,从而显著提升了氢离子阻隔性能,同时保持了较低的膜电阻。
实现思路