浅谈双极膜电渗技术
浅 谈
双极膜电渗析技术
何为双极膜
双极膜是一种新型的离子交换膜，由阴、阳离子选择层和中间界面层复合而成，其结构和功能如下图 1 所示。当双极膜两端施加反向电压时，带电离子从两种离子交换层的过渡区向主体溶液迁移，水分子快速解离生成 H+和 OH-迁移到主体溶液中，消耗的水分子通过扩散作用由膜外溶液向中间界面层补充。象。
图1 双极膜原理示意图
双极膜电渗析应用形式及领域
双极膜电渗析装置，由双极膜与均相阴、阳离子交换膜搭配组合而成，并被其分为三个隔室或二隔室，即酸室、碱室、盐室。其中，三隔室双极膜电渗析主要应用于无机盐制备对应的酸和碱；如氯化钠、硫酸钠、硫酸锂、硝酸钠、氯化铵、氯化钾等。二隔室双极膜电渗析主要用于有机酸盐制对应的有机酸和碱（有机碱盐与之类似）；如酒石酸、葡萄糖酸、柠檬酸、维生素 C、四甲基氢氧化铵等。随着双极膜技术研究不断深入和创新，如：置换电渗析技术、酸和盐分离电渗析、碱和盐分离电渗析技术等得到了广泛的扩展和应用。
图 2 双极膜电渗析三隔室原理示意图。
图 3 双极膜电渗析二隔室原理示意图
双极膜电渗析进水要求
1) 水温 5-35℃
2) 无机体系中耗氧量 ＜20mg/L
其中：有机物成分中不能含有芳香烃类
3) SS＜1mg/L
4) 铁＜0.3mg/L
5) 锰＜0.1mg/L
6) 浊度＜1NTU
7) Mg 、Ca＜1mg/L
8) 其它二价重金属离子＜ 0.1mg/L
9) 油含量＜0.1mg/L
10) 二氧化硅＜20mg/L
11) 表面活性剂＜0.1mg/L
12) 不含强氧化性物质（如游离氯）、强还原性物质等
13) 不含后絮凝物质，即在膜组器中会累积絮凝析出或结垢的物质；
14) 对盐浓度要求：1.5N-2.5N 浓度最佳（以浓度当量计）
双极膜电渗析出水水质
1）如果进水是混盐，那出水得到的就是混酸和混碱，如进水为氯化钠和硫酸钠混合废水，则得到的碱是氢氧化钠，酸是硫酸和盐酸的混合酸，离子占比与进水离子占比相近。
2) 出水酸浓度：0.5N-3N 可调，1N-2N 经济性最优，其中氧化性强的酸除外，浓度有限制。
3）出水碱浓度：0.5N-3N 可调，1N-2N 经济性最优。
4）系统出水酸、碱的纯度：这与进水盐浓度、出水酸碱浓度有关，纯度可控制在≥98%
双极膜电渗析吨水能耗
双极膜电渗析的系统相对简单，系统能耗主要由整流器、动力设备组成。大部分能耗来自整流器，动力设备能耗占比相对非常小。
以硫酸钠 15%为例：双极膜系统生产 1KG 氢氧化钠，运行能耗约为1.5-2.2kWh，折算到硫酸钠进水，吨水能耗约 127-186kWh，电费以 0.6 元/度估算，则吨水处理能耗约76-112元，或生产1t氢氧化钠能耗费用约900-1300元。以氯化钠 15%为例：双极膜系统生产 1KG 氢氧化钠，运行能耗约为1.3-1.8kWh，折算到氯化钠进水，吨水能耗约 133-185kWh，电费以 0.6 元/度估算，则吨水处理能耗约80-111元，或生产1t氢氧化钠能耗费用约780-1100元。
电渗析系统是电驱动的原理，离子迁离产生电流形成回路，在不考虑其他因素的影响下，所需处理离子含量越多，则能耗越高。很明显，生产 1KG 氢氧化钾能耗要远远低于生产 1KG 氢氧化钠。同样的原理，折算到进水各类一价无机盐废水系统，硫酸盐、硝酸盐、氯化盐等系统，吨水处理能耗也会有明显的差异。基于双极膜的原理，单个工艺单元的吨水处理能耗要比常规的膜处理工艺高很多。但整体个工艺包而言，双极膜系统用相对较低的能耗生产得到了附加值较高的碱，解决高盐废水处理问题，这样的创新工艺思路往往更能引起客户的兴趣。
双极膜电渗析的投资
在工业废水零排放全工艺包中，提单个双极膜电渗析工艺的投资不一定看出这个工艺是否必要，但是，在目前这种大环境背景下，在 1000+万吨每年无处安放的废盐驱动下，双极膜电渗析技术这个工艺就有用武之地。目前投资方面确实是限制双极膜技术快速发展的一个重要原因。
双极膜有附加值，弱点主要体现在一次性投资上，到底双极膜电渗析的系统投资多高？同样以每小时处理一吨含 15%浓度的硫酸钠废水测算，盐分完全转化为对应的酸和碱，双极膜系统吨水投资预计 250-350 万左右（仅供参考）。性能阻碍着国产双极膜品牌的快速发展，投资阻碍着进口双极膜品牌的快速发展。其实很容易理解，多数的产品都会有这么一个过程，最终会走向一个平衡。
双极膜电渗析的问题
1）系统出水是稀酸、稀碱。使用的方式
1. 酸碱直接回用；
2. 酸碱厂区勾兑使用；
3. 再次浓缩后使用。如果酸碱回用浓度超过 4N（4 个当量），则需要采用蒸发的方式处理，双极膜系统经济性降低。
2）系统一次性投资略高。
一方面目前因为膜材料为进口；另一方面由于双极膜的功能化作用，能转化成酸和碱。这种情况下，需要国产双极膜厂家进一步提高膜性能，其次是降低膜生产成本。
3）膜的运行成本略高。
双极膜就目前国内使用情况而言，平均使用寿命仅 2-3 年，在问题 2 的基础上，不难理解。
结束语
双极膜技术是一种循环经济技术，可以将利用低、无价值的盐类，转化为可重新利用的化工原材料酸和碱，回用到前端生产工艺中，简化工艺流程，产生经济价值；同时，双极膜技术也是一种清洁生产技术，在有机物料生产方面可以从源头上控制盐的产生，减少盐的排放，废物循环利用，实现工业生产的可持续发展，节能减排，消除环境污染。对于现有企业是一个很好的、也是必须的技术选择。不难发现，双极膜技术和蒸发结晶技术定位存在明显的差异，彼此都有自己的不可替代性。无非后续在同样的需求市场下，会有一个占比分布的情形, 尽管目前 MVR 等蒸发结晶工艺主导超低排放、零排放市场，毋庸置疑，双极膜电渗析技术将会拥有一片天地，因为现在它现在已经开始展露锋芒。