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            雙極膜電滲析

             從2017年開始,雙極膜材料就一直是國家工信部公布的國家重點發展的新材料之一。目前國內高校中研發雙極膜的團隊非常多,比如:清華大學、中國科學技術大學、浙江大學、南開大學、合肥工業大學等等。

            工業化的雙極膜目前是電滲析離子交換膜材料中的桂冠(綜合其應用前景、工業化難易程度等因素),快來了解一下。

             

            1、雙極膜電滲析-歷史

            20世紀60-70年代,雙極膜( Bipolar membrane)最早由美國Aquatech(阿奎特國際集團公司)首先研發出來。20世紀80年,雙極膜最早工業化應用于美國華盛頓某鋼廠,應用于硝酸鉀和氟化鉀系統。后來雙極膜電滲析的應用才逐步擴散到芬蘭、法國、德國、意大利、荷蘭等歐洲國家。

            而雙極膜進入中國預計在20世紀80-90年代。這一段時間國內雙極膜的研究文獻相對較多,也比較集中;同時國內部分大企業做了很多實驗級別的嘗試(多以有機酸產品雙極膜系統為主)。

            2013年前,國內沒有規?;碾p極膜電滲析項目落地(13-14年左右國內才開始有雙極膜電滲析工業化的應用案例--某有機酸產品系統)。通過綜合的分析,主要有以下幾個原因:

            1. 材料、設備完全進口,投資高;

            2. 設計、運行等技術參數完全依賴于國外,國內裝配水平偏低,缺乏核心技術;

            3. 國內企業對于新技術抱有疑慮;

            4. 政治、國情之類的話題,咱沒法談。

            雙極膜僅僅是離子交換膜中的一種,可想而知,雙極膜細分市場在整個膜市場中所占比非常小。但是由于雙極膜應用領域專一,一定程度上具有不可替代性,在目前受到廣泛關注的高鹽廢水零排放系統、資源回收領域、有機產品清潔生產新工藝中具有極大優勢。

            2、雙極膜/電滲析-原理

            雙極膜一般由陰離子交換樹脂層(AL)、陽離子交換樹脂層(CL)和中間層組成。

            1. 中間層市場上常用別稱:過渡層、催化層、復合層、界面層等;

            2. 中間層,厚度一般在10*10^-9m以內(納米級別),且跟制膜原理、工藝有關;

             


            在直流電場的作用下,陰、陽膜復合層間的H2O解離成H+ 和OH-,并進行離子定向遷移,分別通過陽離子交換膜層和陰離子交換膜層,作為系統H+OH-離子供應源。H+OH-則主要通過過渡區水的解離而得到及時的補充,消耗的水又通過周圍溶液中的水向膜中間滲透而彌補。


             

            3、雙極膜電滲析-應用形式/領域

            基于雙極膜的特點,配備不同的陽離子交換膜、陰離子交換膜及其他配件,可以組裝成不同形式的雙極膜電滲析( 雙極膜電滲析的形式含:二隔室、三隔室、四隔室、五隔室等,感興趣的可以自己去拓展,核心原理沒變,)。

            其中常規雙極膜電滲析(BPED或EDBM)主要作用如下:

            1. (無機系統)無機鹽制備對應的酸和堿:硫酸鈉、氯化鈉 、硫酸鋰、硝酸鈉、氯化銨等;

            2. (有機系統)有機酸鹽制備對應的有機酸和堿(有機堿鹽與之類似):酒石酸、葡萄糖酸、檸檬酸、維生素C、四甲基氫氧化銨、四丙基氫氧化銨等;

            基于雙極膜制酸、堿功能,雙極膜電滲析在很多無機系統、有機系統中常常會被用來與電解法做對比。以純氯化鈉系統為例,兩種工藝差異對比如下:

              

            4、雙極膜電滲析-廠家

                   國內環保形勢嚴峻,盡管雙極膜起步晚,但是國內的環保市場形勢給雙極膜電滲析創造了非常多的機會。而國內實際的雙極膜電滲析應用案例已經非常多,Na2SO4、NaCl、NaNO3、Li2SO4、NH4Cl等含鹽廢水具有相應的應用案例。

                   盡管目前國內所有電滲析廠家,都宣傳有雙極膜電滲析,但是其實國內雙極膜電滲析應用主要以進口雙極膜為主,當然也有為數不多的幾家公司在研發、生產國產雙極膜。具體情況如下:

            1. 日本ASTOM:(公司簡介點這里)目前國內雙極膜應用案例最多,日本技術團隊可以做全程技術支持。在雙極膜設備形式、系統設計、系統穩定性上,行業綜合評價比較高,目前應用主要涉及高鹽廢水、有機酸、有機堿等系統。

            2. 德國Fumatech:(公司簡介點這里)膜材料完全可以應用于工業化,但是因為膜基材、配件性能、供貨時間等細節問題,目前在國內應用偏少,主要應用于部分有機產品清潔生產工藝中。

            3. 法國Eurodia Industrie Sa)、捷克MEGA a.s.)、法國Suez Environnement)等,蘇伊士電滲析這一塊主要因為收購了GE水處理部門。整體上述幾個品牌雙極膜電滲析在國內基本沒有應用,但他們常規電滲析均在國外食品、醫藥等領域有較多應用。

             

            通過研究雙極膜電滲析國際專利,發現很多的新思路、新想法。

             

            4. 杭州藍然環境:屬于國產雙極膜廠家,且與日本ASTOM合作,目前國內雙極膜應用案例最多。藍然下屬兩個生產、研發型子公司,其中衢州藍然新材料投資約1.2億元,雙極膜規劃年產能50000m2,雙極膜技術源于公司團隊、日本、高校等綜合研發。

             

            5. 北京廷潤:屬于國產雙極膜廠家,技術源于國內早期研發團隊-葛道才。2016-2017年在福建泉州分公司實現雙極膜生產工業化,雙極膜規劃年產能50000m2。盡管性能上與進口膜相比還具有一定的差距,但是目前也已在眾多特定領域具有一定應用。

             

            6. 河北亞德士:核心技術來源于葛道才(僅供參考),經過長期公司自主調整,目前已形成自主雙極膜研發產品。但是該公司定位不做雙極膜工程,只做雙極膜產品和設備的供應商。

             

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