雙極膜分離技術及應用進展

馬洪運，吳旭冉，王保國

（清華大學化學工程系，北京100084）

目前，膜分離技術已成為化工、醫療、食品、生物等領域中一種非常重要的分離技術。自20世紀中期離子交換膜問世以來，陰離子交換膜和陽離子交換膜快速走向成熟的商業應用階段。同時，伴隨著水解離理論的探索研究，由陰離子交換層、陽離子交換層以及中間催化層三部分構成的、一種類似于“三明治”結構的復合膜（厚度約 1～100 nm[1]）——雙極膜進入了廣泛的研究應用階段。

雙極膜的發展[2-3]始于20世紀50年代的“層壓型”結構，經80年代的“單片型”結構，進入商品膜階段。90年代以后，隨著雙極膜的水解離機理和離子傳輸理論的研究逐漸深入、膜制備技術的迅速提高以及膜材料的重大突破，“三明治”結構的雙極膜被提出，由于中間催化層的作用，實際水解電壓得到大幅度降低[4-6]。目前，對于雙極膜的各方面研究工作日益增多。圖1顯示了2002—2012年Web of Science數據庫上（主題詞：bipolar membrane，2013年1月檢索）發表的研究成果數量，整體呈現增長趨勢。隨著雙極膜性能的逐步提高，其應用領域從典型的電滲析行業擴展到環保行業[6]、能源領域[7]、食品行業[8]以及生物領域[9]等。最近的研究表明，雙極膜分離技術正朝著與傳統化工技術、新型液流電池技術相耦合的規模化、集成化、連續化方向發展。

本文作者闡述了雙極膜的水解離機理及制備技術，分析了雙極膜的水解離速度高、電壓低的原因，介紹了雙極膜電滲析及與其它化工過程耦合系統在酸堿生產、資源分離回收以及污染控制等領域的應用，提出了雙極膜在應用中存在的局限性，展望了雙極膜的發展方向，尤其在制氫、液流電池中應用前景。……