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雙極膜電滲析工作原理

更新時間:2023-05-17    點擊次數(shù):1671

BMED運行時,在電場作用下離子進行定向遷移,當(dāng)雙極膜中的離子都遷向主體溶液時,中間層的水會解離產(chǎn)生H+和OH-對電流進行負(fù)載。

然而雙極膜中發(fā)生的水解離現(xiàn)象不同于通常的水解離,研究者們對其解離的過程機理開展了大量的理論研究,但限于過程的復(fù)雜性,目前還沒有達(dá)成統(tǒng)一的結(jié)論。根據(jù)水在雙極膜中間層解離過程的不同,主要提出3種解釋水解離機制的物理模型,見圖 1。

1.jpg

SWE模型認(rèn)為,在電場作用下,雙極膜中間層(陰陽離子尖銳結(jié)合區(qū))會因離子遷移而出現(xiàn)薄的無離子區(qū)域,認(rèn)為水解離發(fā)生于此。H2O的解離跟弱電解質(zhì)在高壓條件下的解離過程相同,H+和OH-的產(chǎn)生速率為H2O的解離速率,解離常數(shù)與電壓成正相關(guān);

在SWE模型的基礎(chǔ)上,為了解膜上荷電基團對水解離的影響,進一步提出化學(xué)反應(yīng)模型(CHR),該模型認(rèn)為由膜基質(zhì)中的羧酸基、叔胺基和膜內(nèi)的金屬離子等影響水解離速率的現(xiàn)象可知,膜上固定基團通過質(zhì)子化反應(yīng)進行水解離產(chǎn)生H+和OH-,且解離更易發(fā)生在AEM側(cè);


為解釋雙極膜中間層較大的能量消耗,提出中和層模型(NL),結(jié)果發(fā)現(xiàn),雙極膜的AEM、CEM界面處存在中和層區(qū)域,水解離發(fā)生在電荷區(qū)和電荷與中和層區(qū)域的界面處。

以上提出的水解離物理模型具有一定的假設(shè)和適應(yīng)范圍,存在局限性。SWE模型僅適應(yīng)電壓為107~108 V/m的體系,且假設(shè)了雙極膜中間層是尖銳結(jié)合而成的結(jié)構(gòu);CHR模型考慮了雙極膜的實際結(jié)構(gòu)和膜上荷電基團會使水發(fā)生解離,但無法解釋與SWE模型計算出的數(shù)值間較大的差距;NL模型只能用于明顯存在中和層的體系。

因此下一步要加深對雙極膜水解離理論的研究,完善水解離理論工作曲線,建立有實際應(yīng)用價值的物理模型。對水解離機制的探索,有助于改善雙極膜的制備工藝,優(yōu)化雙極膜性能。


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