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双极膜是一种由阴、阳离子交换层和中间界面亲水层复合而成的一种新型离子交换膜,其特点是:在直流电场反向加压下可以使水发生解离,源源不断地产生H+和OH-。双极膜与电渗析以及电去离子的耦合技术可以实现生产、资源再生和废液处理三同时,目前研究涉及化工、生物、环保、能源等多个领域。本文以四甲基氢氧化铵(TMAH)和亚氨基二乙酸(IDA)的制备为例,研究双极膜电去离子技术在有机酸和有机碱的清洁制备中应用的可行性。
以四甲基氯化铵(TMAC)为原料,对双极膜电去离子(BMEDI)技术制备四甲基氢氧化铵(TMAH)的工艺过程进行了实验探索。从BMEDI膜堆构型、酸室中树脂的填充策略以及阴膜的类型等方面进行了优化,并探讨了电流密度和原料浓度对TMAH转化率、电流效率和过程能耗的影响。结果表明:采用BP-A-C三隔室构型,TMAH转化率和电流效率较高;而BP-A二隔室构型下过程能耗较低,所需要的膜堆电压较小。采用BP-A两隔室构型,在电流密度40mA·cm-2,原料TMAC浓度0.1mol·L-1的条件下,TMAH转化率可达91.2%;在BP-A-C三隔室膜堆构型下,TMAH转化率最高可达99%。在一定的操作条件下,酸室填充阴离子交换树脂可促进离子的传递,提高产品TMAH的浓度,酸室通入纯水代替稀酸液作电解质,减少了原料的使用。酸室填充大孔强碱性阴离子交换树脂可获得更好的过程性能,TMAH转化率和电流效率较高,能耗较低:凝胶型强碱性阴离子交换树脂不适于BMEDI过程制备TMAH。电流密度和原料浓度对膜堆的操作性能有较大影响,四甲基氢氧化铵转化率和过程能耗随电流密度的升高而增大,电流效率随原料浓度的减小而降低。
采用自主设计的双极膜电去离子(BMEDI)装置,以亚氨基二乙酸二钠盐(IDANa2)为原料清洁制备亚氨基二乙酸(IDA),BMEDI膜堆为三隔室结构,由两张双极膜、一张阳膜和一张阴膜组成。研究了反应时间、电流密度和原料浓度对过程操作性能的影响。结果表明:在电流密度10mA·cm-2,原料浓度IDANa20.1mo1·L-1的条件下,TMAH转化率达86.7%。电流密度提高,IDA回收率和过程能耗增加,在更高的原料浓度下可获得更高的电流效率。
在本文的研究工作中,建立了可用于TMAH和IDA制备的BMEDI膜堆构型,确定了适宜的操作条件,为BMEDI技术在有机酸、碱清洁制备的工业应用提供了技术支撑,对化工技术的可持续发展具有重要的意义。