双极膜技术在环境工程中的应用与展望

简述了双极膜的水解离电渗析及双重电荷排斥性能。介绍了双极膜在含氟废液的处理、有价氟的回收应用、垃圾发酵连续制备有机酸、脱除烟气中的SO2气体、水处理以及双极膜蓄电池等方面的应用现状及前景。双极膜作为一种新型膜,以其水解离电渗析的独特优点,为解决环境工程中存在已久的一些技术难题提供了许多新的思路和解决办法。巧妙地利用双极膜与单极膜的组合,可以设计出许多工艺。双极膜在环境工程中的应用研究值得引起重视。     

双极膜电渗析法处理工业高盐香料废水

采用双极膜电渗析法处理某企业的工业高盐香料废水,旨在将无机盐氯化钠从香料废水中脱除并转化为附加值更高、较高浓度的盐酸和氢氧化钠. 当一次性处理3 L废水时,保证了足够的处理时间,生成盐酸和氢氧化钠的浓度分别能达到1.93 mol·L^-1和1.70 mol·L^-1,脱盐率为99.4%,生成盐酸和氢氧化钠的电流效率分别为30.7%和36.0%,电耗为2.58 kW·h·kg^-1. 分别通过向盐室中补加废水原料和氯化钠固体的方式,均可抑制盐室中氯化钠浓度的减小,将生成的氢氧化钠浓度显著地提高,且后者提高的程度更为明显. 为提高酸、碱产品的纯度,分别考察了阳离子交换膜和阴离子交换膜对Cl^-和Na⁺的阻隔效果,阳离子交换膜对Cl-的阻隔效果有着JAM-II>N2030>TRJCM的顺序,阴离子交换膜JAM-II对Na⁺的阻隔效果高于TRJAM. JCM-II相比于N2030膜有着更低的膜电阻. 综合考虑使用JAM-II/BPM-I/JCM-II组合时效果最好,电耗最低.     

Ni-P-mCMC/mCS双极膜技术在成对电解制备糠醇、糠酸中的应用

以磷酸化试剂改性羧甲基纤维素钠(mCMC)制备了阳膜层,以戊二醛改性壳聚糖(mCS)制备了阴膜层溶胶,将阴膜层溶胶流延于阳膜层上,制备了P-mCMC/mCS双极膜,而后以化学镀方法在阳膜层表面镀镍,制备了Ni-P-mCMC/mCS双极膜,并应用于成对电合成糠醇(阴极室中)、糠酸(阳极室中)。在电场的作用下,双极膜中水电离后生成的H+透过mCMC阳离子膜进入阴极室,促进糠醛电还原生成糠醇过程的进行;OH-透过mCS阴离子膜进入阳极室,与糠醛电氧化生成糠酸过程中产生的H+结合生成H2O,以增大正向反应的速度。在电流密度为2.5×10-2A/cm2,30℃下电解,阴阳两极室的电解效率分别为83.0%和77.4%,电解槽电压稳定在3.0V左右。     

以模型认知素养为导向的电化学模拟题的命制*——以双极膜的应用为例

以双极膜发展进程为线索,以海水淡化、钠碱循环法脱除烟气中的SO₂等现实发展中真实问题为载体,结合中学生的认知能力水平,构建了电化学双极膜认识模型;命制了双极膜及其应用的电化学模拟题,以此测查学生模型认知素养的水平等级。阐述命题策略及过程,提供以模型认知素养为导向的试题命制思路;从模型建构的角度对2020年高考新课标Ⅰ卷第12题进行了评析。     

双极膜技术在电氧化制备3-甲基-2-吡啶甲酰胺中的应用

分别以戊二醛和Fe3+改性壳聚糖和海藻酸钠并分别与柔性链聚乙烯醇(PVA)共混, 制备了Fe-SA-CS-GA/PVA聚合物双极膜. 测定膜的红外光谱, I-V工作曲线, Na+与Cl-透过双极膜的迁移数, 离子交换容量及阴阳两极室中OH-及H+的变化, 并以扫描电镜观察膜表面和界面层形态. IR与接触角分析结果表明, CS经GA/PVA改性后其亲水性能得到显著提高. 将SA-CS/PVA双极膜及Nafion膜应用于电氧化制备3-甲基-2-吡啶甲酰胺. 实验结果表明, 以SA-CS/PVA双极膜为隔膜合成3-甲基-2-吡啶甲酰胺的产率达到49.8%, 高于以Nafion膜为隔膜的产率.与传统的的方法相比, 该方法的反应条件温和且能有效利用能源.     

发酵过程与双极膜电渗析的集成操作——介绍一个分离与反应技术一体化的化学工程实验

介绍一个分离与反应技术一体化的化学工程实验,实验中需进行发酵过程与双极膜电渗析过程的集成操作,可使学生在了解分离与反应技术一体化基本理论的基础上,改变传统的化学工程反应观念,激发对新型化学工程学科的学习兴趣。     

mSA-CS双极膜在电还原制备巯基乙酸中的应用

用Ca^2＋改性海藻酸钠(SA), 用戊二醛(GA)改性壳聚糖(CS), 制备mSA-CS聚合物双极膜. 测定膜的红外光谱及机械性能, 并作膜的热重分析. 以扫描电镜观察膜表面和界面层形态. 测定了mCS膜制备溶液的粘度以及mSA, mCS膜的含水率、离子交换容量及酸碱浓度对膜溶胀度的影响. 将mSA-CS双极膜应用于电解还原制备巯基乙酸(TGA). 实验结果表明, 以硫代硫酸钠法合成的TGA和二硫代二乙酸(DTDGA)的混合液作阴极液, TGA初始合成质量分数为4.61%, 电流密度为10 mA•cm^－2下常温电解, 产物巯基乙酸的电流效率达66.7%. 与传统的金属还原法还原DTDGA成TGA相比, 不仅省去了昂贵的金属还原剂的消耗, 而且消除了对环境的污染.     

Ni-mSA-mCS双极膜的制备及其在电合成TGA中的应用

通过用Ca2+改性海藻酸钠(SA)和用戊二醛改性壳聚糖(CS)制备Ni-mSA-mCS(m: modified)双极膜. 镍网预先埋在mSA膜表面作为阴极, 不仅增强了膜的机械性能, 而且降低阴极电解液的IR降, 实现零极距. 测定了膜的红外光谱、电镜扫描、机械性能. 将Ni-mSA-mCS双极膜应用于电还原制备巯基乙酸(TGA). 实验结果表明, 电流密度为10 mA·cm-2, 常温电解, 电流效率可达66.7%. 与传统的Zn还原法相比, 不仅省去了昂贵的金属还原剂的消耗, 而且消除了锌泥对环境的污染.     

mCMC-PEG-CS双极膜在电还原制备巯基乙酸中的应用

以Fe3+改性羧甲基纤维素(CMC)和聚乙二醇(PEG)共混物为阳膜, 以戊二醛改性壳聚糖(CS)和聚乙二醇共混物为阴膜, 制备了mCMC-PEG-CS双极膜, 并将其用作电解还原制备巯基乙酸(TGA)电解槽中阴阳两室间的隔膜. 以硫代硫酸钠法合成的巯基乙酸(TGA)和二硫代二乙酸(DTDGA)混合物为原料, 研究了酸浓度、温度及电解电流密度对电还原DTDGA制备TGA的生成量和电流效率的影响. 实验结果表明, 在TGA初始合成质量分数为2.79%, 电流密度为10 mA/cm2, 35 ℃电解时, 阴极室电还原产物巯基乙酸的电流效率为74.69%, 电解过程中的平均电流效率为54.02%. 与传统的金属还原法还原DTDGA制备的TGA相比, 不仅避免了昂贵的金属还原剂锌的消耗, 而且消除了反应副产物锌泥对环境的污染.     

pva-sa/cs双极膜制备及在电解制备羟基新戊酸中的应用

双极膜;羟基新戊酸;电氧化;海藻酸钠;壳聚糖;聚乙烯醇     

Polypropylene Composites for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Bipolar Plates

The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) holds tremendous promise for a variety of mobile and stationary power generation applications and is the cornerstone of the anticipated hydrogen economy. One of the major factors limiting fuel cell commercialization is the development of bipolar plates since bipolar plates account for approximately 70% of the PEMFC weight, and 60% of the stack manufacturing and materials cost. The objective of this research is to investigate a feasibility of a conductive composite family to be used as bipolar plates in a PEMFC, in order to get the highly conductive, light weight, and low cost bipolar plates. This work utilized a combination of a polypropylene and low cost conductive filler materials: graphite, conductive carbon black, and carbon fibers. The components were combined in a batch mixer and injection molded into samples for testing with loadings up to 65%wt of fillers. The novel blends were tested for electrical conductivity, hydrophobicity, rheology, and actual plates (16 cm²) were tested in fuel cell testing trials. The impact of different types of fillers on the composite properties was evaluated, as well as the synergetic effect of mixtures of fill types within a polypropylene matrix. From the results, the highest conductivity, 1900 S/m (in-plane) and 156 S/m (through plane), was obtained with the 65% composite. Moreover, the effects of additives such as coupling agents, and intrinsically conductive polymer (polypyrrole) were observed in this work. The electrical conductivity was influenced by polypyrrole added to the polypropylene composite.     

Preparation of CS-CMC Bipolar Membrane and its Application in Electro-generated FeO4^2-

CS-CMC bipolar membrane was prepared and the cross-section photograph of CS-CMC BM was observed by SEM. FT-IR spectrum indicated that CS-CMC BM contained -N=CRH2 and -COO- functional groups. The charge density of -N=CRH2 in CS membrane was about 14.13 mmol/g and the charge density of -COO- in CMC membrane was about 9.01 mmol/g. The electrochemistry properties of CS-CMC BM were also studied. CS-CMC BM not only can effectively stop FeO4 from diffusing into the cathode chamber, but also plays an important role in the supply of OH- consumed during the electro-generated FeO42- process.     

磷酸化P-mCMC/mCS双极膜的制备及其性能的研究

以五氧化二磷,磷酸三乙酯和磷酸为反应剂,制备了磷酸化羧甲基纤维素(CMC),经Fe³⁺改性后用作为阳膜;以壳聚糖(CS)和聚乙烯醇共混物用戊二醛改性后用作为阴膜溶胶,将阴膜溶胶流延于阳膜上,制备了P-mCMC/mCS双极膜。测定了CS、CMC胶体的电荷密度,离子透过率,P-mCMC/mCS双极膜的红外光谱与离子交换能力。IR与接触角测定的结果表明,CMC经改性后其亲水性能得到了显著提高。膜交流阻抗、I-V工作曲线的测定结果表明该双极膜阻抗及工作电压均较小。     

四磺酸基铜酞菁-海藻酸钠/壳聚糖双极膜的制备与表征

分别用Fe3+和戊二醛作为交联剂对海藻酸钠(SA)阳离子交换膜和壳聚糖(CS)阴离子交换膜进行改性,制备了四磺酸基铜酞菁(CuTsPc)-海藻酸钠/改性壳聚糖双极膜(CuTsPc-SA/mCSBPM).在海藻酸钠阳膜层中添加四磺酸基铜酞菁,以提高阳膜层的离子交换容量,促进双极膜中间层中水的解离.采用X射线光电子能谱(XPS)对CuTsPc-SA阳离子交换膜进行了表征.实验结果表明,改性后SA阳膜层的离子交换容量、H+透过率均获得提高.与Fe3+改性或二茂铁离子改性的mSA/mCS双极膜相比,CuTsPc-SA/mCS双极膜的阻抗及电阻压降(即膜IR降)均下降.当电流密度为120mA/cm2时槽电压仅为5.6V.当CuTsPc含量为2.5%(质量分数)时CuTsPc-SA/mCS双极膜在H+离子浓度小于8mol/L的酸溶液中具有稳定的工作性能.     

无机盐对乙醇-水体系LF-NMR弛豫特性的影响及主成分分析

该文研究了不同浓度(0~9%)的Na Cl,Mg SO4或Na OH对乙醇-水体系LF-NMR弛豫特性的影响,并应用主成分分析(PCA)对样品的弛豫特性进行了分析。研究表明:无机盐种类和浓度会对水及乙醇-水体系的LF-NMR弛豫特性产生影响。无机盐-水二元体系仅存在1个弛豫峰,且弛豫时间:Mg SO4Na OHNa Cl。而无机盐-乙醇-水三元体系则存在2个弛豫峰,Na Cl/Na OH-乙醇-水体系的弛豫峰分别位于200~330 ms和1 300~1 600 ms处;而Mg SO4-乙醇-水体系则位于约250~335 ms和1 620~1 707 ms处。不同种类无机盐、水和乙醇-水体系间的LF-NMR弛豫特性差异均可在PCA得分图上有效反映,且随着无机盐浓度的增加,各浓度梯度在主成分得分图中亦呈规律性分布。说明基于样品的LF-NMR弛豫特性,结合主成分分析法可快速分析无机盐对水/乙醇-水的缔合特性。     

PEMFC薄层金属双极板研究进展

双极板是质子交换膜燃料电池的核心部件,占据电池组重量和成本的绝大部分。本文对铁基合金、镍基合金和铝、钛等轻金属三大类薄层金属板及其表面改性方法进行了详细评述,在此基础上提出了导电化合物和电化学方法对薄层不锈钢改性是今后薄层金属双极板的发展方向。