摘要：二氧化碳电化学还原为高附加值的化学品和原料是一种具有应用前景的负碳技术.在过去十几年里,研究人员在碱性和中性电解质中进行了大量的二氧化碳电还原研究,并在活性、选择性和稳定性方面取得了很多进展.然而,二氧化碳与碱性电解液反应生成碳酸盐,导致碳利用率较低(远低于产业化应用要求).因此,未来二氧化碳电还原领域面临的关键挑战是如何有效提高碳利用率.为解决这一挑战,在酸性电解质中进行二氧化碳电还原成为了一个可行的方案,它可以有效避免“碳酸盐问题”的发生.而基于双极膜的二氧化碳电解槽技术,则允许阴/阳极在不同pH的电解质中运行,是提高碳利用率的有效方案之一.本文首先介绍了双极膜的运行模式、热力学过程、物质传输现象、水解离/合成过程以及极限电流密度的起源,并总结了近期在双极膜优化方面取得的进展.然后,进一步聚焦于双极膜在常用的三类高效二氧化碳电解槽(流通池电解槽、膜电极电解槽和固态电解质电解槽)中的应用,详细探讨了其研究进展及所面临的挑战,并强调了针对不同结构电解槽的优化策略.值得一提的是,基于反向偏置双极膜的电解槽设计在促进质子传输至阴极、抑制碳酸盐形成方面表现出显著优势,进而有效提高了碳利用率.然而,大的质子通量同时也促进了竞争性的析氢反应,这在一定程度上抑制了二氧化碳转化为多碳产物.为了解决这一问题,流通池电解槽中的阴极电解液可以被用作缓冲层,通过调节阴极液的组成和厚度,实现电极表面在较高的pH下进行二氧化碳电还原,同时本体电解液维持在酸性,从而促进生成的碳酸盐再生为二氧化碳.另一方面,膜电极电解槽,又称零间隙电解槽,其设计特点在于催化剂层和膜直接接触,这种结构降低了电解液引起的电压损耗,提高了电解效率.然而,这种紧密接触也导致阴极表面的化学环境受到膜的强烈影响.大量质子通过膜传输至阴极,导致催化剂处于强酸性环境中,这为开发高效且稳定的二氧化碳还原电催化剂带来了很大挑战.近期,多种策略已成功应用于设计能够在pH≤1电解质中稳定运行的二氧化碳还原催化剂,包括双金属催化剂、杂原子掺杂金属催化剂和先进分子催化剂.此外,也可以通过构建界面缓冲层来精细调节局部pH值并优化阴极表面化学环境,从而进一步提升膜电极电解槽中二氧化碳电还原的选择性.为了实现商业应用,二氧化碳电解槽需要直接生成高浓度的产品,以减少后续的分离成本.为此,固态电解质二氧化碳电解槽提供了一种有效的解决方案.通过在阴离子交换膜和阳离子交换膜之间引入固态电解质,使得阴极表面形成的带负电物质(例如CH3COO-)能够顺利通过阴离子交换层并输送到固态电解质中,随后与阳极提供的质子结合,形成高纯度液体产品.最后,本文提出了双极膜二氧化碳电解槽面临的机遇和挑战,其中包括:(1)开发具有高离子选择性、高机械稳定性和低膜阻的新型双极膜;(2)开发对高附加值产品具有高本征活性和选择性的新型催化剂;(3)构筑具有高效气/液/电子传输的气体扩散电极;(4)设计低能耗和高稳定性的电解槽.综上所述,本文详细介绍了基于反向偏置双极膜的二氧化碳电解槽在研究进展以及工业应用方面的可行性,为未来开发具有高碳利用率和能量效率的二氧化碳还原技术提供了参考.

摘要：双极膜制酸制碱的电流效率是反映双极膜性能的重要参数，它主要取决于双极膜阴、阳膜层对离子的选择性。本文设计了测试双极膜阴、阳膜层对离子的选择性和制酸制碱电流效率的简单、可靠方法，并用该方法完成了自制双极膜和上海产异相双极膜电流效率的测试实验。

摘要：提出复循环双极膜电渗析工艺,实现煤化工含盐废水在低盐浓度进水条件下产生较高浓度酸、碱,从而避免盐水浓缩、二次除硬等预处理过程.采用正交设计实验,探究膜堆电压、盐/碱(酸)室体积比和盐室循环次数等因素对反应程度、再生酸碱浓度、纯度、反应能耗、电流效率等指标的影响规律.结果表明,膜堆电压过低、盐/碱(酸)室体积比过大或盐室循环次数过高均会使盐室离子的迁移受阻.盐室循环次数是影响酸、碱产品浓度的最显著因素,盐/碱(酸)室体积比是影响反应能耗和电流效率的最显著因素.综合分析后确定了优化的工况参数:膜堆电压28 V,盐/碱(酸)室体积比2∶1,盐室循环次数3次.该工况下碱浓度达1.3 mol/L,酸浓度达1.0 mol/L,反应能耗3244 kWh/t-NaOH,电流效率50%.所得酸、碱产品适用于系统内部废水预处理,有利于实现煤化工含盐废水趋零排放和资源化利用.

摘要：本文设计了一个搭建双极膜电渗析装置并分析其产酸产碱过程的化工原理教学实验。首先,将双极膜、阴离子交换膜和阳离子交换膜交替排列于具有相同有效面积的电极之间,搭建双极膜电渗析装置。其次,向电渗析装置中通入料液并利用蠕动泵循环,在电场作用下进行酸和碱的生产。最后,对所采集的数据进行分析,计算双极膜电渗析过程产酸产碱的能耗和电流效率。本实验中,搭建双极膜电渗析装置的部分可锻炼学生的动手能力,实验操作部分有助于学生熟悉实验仪器,数据分析部分可强化学生对电膜分离过程的理解。

摘要：近日,化学工程系王保国团队在双极膜反应器用于电化学合成氨领域取得重要原创性成果.通过膜内界面设计,制备出含有“榫卯”结构的界面互锁型双极膜,实现了双极膜高效解离水;在原位生成酸碱环境中,消除了硝酸根还原过程中离子迁移不平衡问题,实现了电化学合成氨过程连续稳定化操作.

摘要：2014年12月1日，由山东天维膜技术有限公司自主研发设计的国内首条双极膜生产线完成安装调试并试车生产，预计年底正式投产。生产线正式生产后，年产1×105 m2双极膜。双极膜是一种具有特殊功能的离子交换膜，可应用于烧碱生产、含盐废水处理等。双极膜生产的国产化，打破了国外技术垄断，填补了我国荷电膜产业化的空白。 2014年12月1日，由山东天维膜技术有限公司自主研发设计的国内首条双极膜生产线完成安装调试并试车生产，预计年底正式投产。生产线正式生产后，年产1×105 m2双极膜。双极膜是一种具有特殊功能的离子交换膜，可应用于烧碱生产、含盐废水处理等。双极膜生产的国产化，打破了国外技术垄断，填补了我国荷电膜产业化的空白。

摘要：报道了双极膜技术在100 t/d海岛反渗透海水淡化装备中水质调整的应用,介绍了该系统的原理、工艺流程及运行效果。调整控制RO进水p H为6左右,RO淡水p H为7左右,Ca离子含量约60 mg/L,达到生活饮用水标准。该系统提供了一种新型的海水淡化中调制海水的方法,简化了小型海岛海水淡化设备中对化学药剂的运输、储备、使用、管理等一系列问题。

摘要：为解决当前废旧磷酸铁锂电池造成的环境污染以及锂资源供不应求的问题,利用回收的废旧磷酸铁锂电池为原料,创新性地提出了一种双极膜的方法:酸浸所得Li_(2)SO_(4)经双极膜电渗析制备LiOH,进而获得精制Li_(2)CO_(3),最终制成电池级LiFePO_(4)正极材料。主要工艺包括磷酸铁锂电池破碎分选、黑粉浸出、料液除杂、磷酸铁以及磷酸铁锂的合成,从而获得Li_(2)CO_(3)、FePO_(4)主产品及铝粒、铜粒等副产物,并通过合成再生技术,获得了符合GB/T 30835—2014中Ⅰ级品标准的LiFePO_(4)正极材料。所制备LiFePO_(4)产品具有96%以上的首次库仑效率及94.5%以上的倍率性能。该工艺达到了节约LiFePO_(4)生产成本、实现可再生资源回收利用的目的。

摘要：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。

摘要：采用具有三隔室重复单元的双极膜电渗析从硝酸钠废水中制备NaOH和HNO3,考察操作电压、循环流量、盐室初始盐含量、盐室残余含盐量对运行过程的影响。结果表明,提高盐室初始盐含量、循环流量、操作电压,可提高最终酸碱浓度,提高最终盐室盐含量,可提高电流效率降低能耗。双极膜最佳运行条件:盐室、酸室和碱室初始分别为100 g/L硝酸钠废水、0.02 mol/L HNO3和0.02 mol/L的NaOH,电极液为3%的Na2SO4,循环流量120 L/h,操作电压18 V,盐室盐含量30 g/L为实验终点,反应90 min,得到1.45 mol/L的Na OH,电流效率为65.8%,Na NO3转化率达70%,能耗为1704.35 k Wh/t-Na OH。