双极膜电渗析
电渗析与双极膜利用电渗析堆中双极膜的水解离，从相应的盐中生产酸和碱。该过程和堆栈设计在许多方面类似于传统的电渗析。双极膜电渗析的关键是双极膜。它的性能在很大程度上决定了工艺的技术可行性和经济性。
4.2.1双极膜及其结构和功能
双极膜的功能如图16a所示，其中显示了由阴离子和阳离子交换组成的双极膜
图16原理图说明双极膜的功能，显示(a)双极膜和(b)在两个阳离子-和的界面上的4- 5nm厚的过渡区阴离子交换层。
图16说明双极膜功能的示意图，显示(a)双极膜和(b)两个阳离子和阴离子交换层间相的4-5 nm厚的过渡区。
平行排列在两个电极之间的层。如果在电极之间建立电位差，则所有带电成分将从两个离子交换层之间的界面中移除。如果膜与膜之间的溶液中只剩下水，则电荷的进一步传递只能通过质子和氢氧离子来完成，在双极膜的正离子和阴离子交换层之间的一个非常薄的，即4 - 5nm厚的过渡区，由于水的解离而再生，如图16b所示。水解离平衡由
水解离所需的能量可以从不同pH值溶液之间的浓度链的能斯特方程[28]计算出来。它是由
吉布斯在哪里自由能， F为法拉第常数，R为气体常数，T为绝对温度，ApH和aj为被双极膜隔开的两种溶液的pH值和电压差。以1 mol-1的酸碱溶液为双极性膜，在25℃时AG为0.022 kWhmol-1, Aj为0.828 V。
H+和OH离子从过渡区向外相的输运速率不能超过它们的生成速率。然而，双极膜中H+和OH离子的生成速率相比于水中催化反应得到的速率大大增加[26-28]。因此，在双极膜中可以获得非常高的酸和碱的产量。
4.2.2双极膜电渗析系统及工艺设计
设计电渗析过程用双极膜是与常规膜密切相关的电渗析脱盐的过程。主要的区别在于堆结构和水分解所需的额外能量。此外，单极性和双极性膜以及其他硬件组件必须在强酸和强碱中具有优异的化学稳定性。
中的堆栈设计双极膜电渗析．具有双极膜的电渗析堆栈的典型布置如图3所示，其中显示了在重复细胞单元中从相应的盐产生酸和碱，该重复细胞单元由三个包含盐溶液、酸和碱的单独细胞以及三个膜组成，即阳离子交换、阴离子交换和双极膜。在工业尺寸的电池组中，两个电极之间可以放置50-100个重复电池单元。
电渗析海水淡化堆栈和用于生产酸和碱的双极膜堆栈之间的主要区别是歧管用于不同的分布流流．由于在大多数实际应用中，需要较高的酸和碱浓度，堆栈通常在进料和排料概念中运行，如图17所示。
4.2.3双极电渗析膜过程成本
从相应的盐中生产酸和碱的成本的确定遵循与电渗析脱盐成本分析相同的一般程序。对总成本的贡献是与投资有关的成本和经营成本的总和。
双极膜电渗析的投资成本。投资成本与某一装置容量所需的膜面积直接相关，可表示为某一容量装置所需总膜面积的一定百分比，可由当前密度计算为
水
盐溶液
基地
盐溶液
水
图17从相应盐中生产酸和碱的原理图，采用进料和排料操作。
其中Aunit是所需的细胞单位面积，包含双极膜，以及阳离子和阴离子交换膜;I为电流密度;Qpro产品量流量;F是法拉第常数;X当前利用率;Cpro为产物的浓度。
双极膜电渗析的操作成本。使用双极膜进行电渗析的运行成本很大程度上取决于能量需求，其中包括双极膜中水解离所需的能量和将盐离子从进料溶液中转移所需的能量，以及从双极膜过渡区域进入酸和碱溶液的质子和氢氧根离子。从相应的盐生产酸和碱的总能量与电渗析脱盐一样，由通过堆栈的总电流和堆栈上的压降给出。压降是膜电阻的结果，即阳离子和阴离子交换膜和双极性膜的电阻，以及在堆栈中含有酸、碱和盐的流的电阻。除了克服堆的各种电阻所需的压降外，还需要额外的压降来为水解离提供能量，如式(30)所示。假设堆栈中一个单元单元的三个单元具有相同的几何形状和流动条件，总能源消耗在电渗析堆栈中，给定的能量与常规电渗析中的能量由[29]表示
fv - + r*m + rcm，;;bm, 2-3RTApH\
Espe'pro " Vpro AiQ + ' + ' + ' + Fi)
Espc pro是生产一定量的酸和碱所需的能量;I是通过堆栈的电流密度;Nunit是堆栈中单元单元的数量;Aunit为细胞单位面积;C和C是细胞内的浓度和平均浓度;D为单个细胞的厚度;A为等效电导率;；为面积电阻;X为当前利用率; R is the gas constant; T is the absolute temperature; F is the Faraday constant; ApH is the difference in the pH value between the acid and base; the subscript pro refers to product and the subscript i refers to salt, acid, and base; the superscripts am, cm, and bm refer to the cation-exchange, the anion-exchange, and the bipolar membrane; the superscripts out and in refer to cell outlet and inlet; Q is the flow of the acid or base through the stack; and t is the time.
大块溶液中酸、碱和盐的平均浓度为ln(C°u7qn) Ci = (t ' ')给出的溶液的积分平均值(33)
双极膜电渗析装置的操作需要三台泵使盐溶液、酸和碱通过堆栈循环。
泵送流流通过堆栈所需的能量为
Ep,spec = Q t = keff Q (34)
Qpro，其中Ep，，spec是泵送溶液通过堆栈的单位产品的总能量，keff是泵的效率项，Q是体积流量，上标fs表示不同的流量流，下标p和pro分别表示泵送和产品。
双极膜电透析水解离的总成本是与设备投资成本摊销相关的固定费用的总和能源成本，以及运作费用，包括维修费用及所有处理前及处理后程序。
双极膜电渗析在实际应用中的问题。此外还能沉淀多价离子，使其在碱基中含流动和流的稳定性离子交换膜在强酸和强碱中，一个严重的问题是盐离子对产品的污染，盐离子渗透到双极膜中，一般来说，这不是完全的烫发选择性。此外，H+和OH~离子通过单极子的泄漏影响了电流利用率阴离子和阳离子交换膜。特别是当需要高浓度的酸碱时，盐的污染通常很高，目前的利用率很低。这是双极膜从相应的盐溶液中有效生产酸和碱的实际应用的一个主要限制。
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