雙極膜電滲析法生產(chǎn)有機(jī)酸過(guò)程的幾個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究.pdf

1、基于離子交換膜的電膜技術(shù)作為一種新型的分離技術(shù)，由于其獨(dú)特的荷電特性，可以進(jìn)行離子物系的分離分級(jí)，在實(shí)現(xiàn)一些新型的化學(xué)合成過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)資源利用的最大化并消除了環(huán)境污染，在綠色化學(xué)和清潔化工方面具有十分廣泛的應(yīng)用前景。雙極膜電滲析技術(shù)是在離子交換膜基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它集成了普通電滲析和雙極膜的優(yōu)點(diǎn)，其最顯著的特征是可以在不引入其他鹽的情況下利用直流電場(chǎng)水解離產(chǎn)生H+和OH-（或醇解離產(chǎn)生CH3O-）。雙極膜電滲析作為一種技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)高

2、效、環(huán)境友好的清潔化工技術(shù)，在綠色化工生產(chǎn)中正在扮演著越來(lái)越重要的角色。但是這個(gè)技術(shù)面臨著大眾認(rèn)識(shí)不足、工藝集成不足、難以進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬等諸多問(wèn)題。鑒于此，本論文選取了雙極膜電滲析法應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域——有機(jī)酸的生產(chǎn)為出發(fā)點(diǎn)，選擇葡萄糖酸作為有機(jī)酸的代表，對(duì)雙極膜電滲析法生產(chǎn)葡萄糖酸過(guò)程遇到的一些科學(xué)問(wèn)題進(jìn)了系統(tǒng)的研究，得出的主要結(jié)論如下：
　　 （1）通過(guò)引入環(huán)境因子（a）和價(jià)格因子（β），比較了在這兩種因子的影響下，雙極膜電滲析

3、法和離子交換法這兩種工藝生產(chǎn)葡萄糖酸的成本。結(jié)果表明，當(dāng)a＜0.21，β＜0.21時(shí)，離子交換法優(yōu)于雙極膜電滲析法；當(dāng)0.21≤ a≤ 0.76時(shí)，β≤ 0.76 時(shí)，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)最佳的轉(zhuǎn)化點(diǎn)，雙極膜電滲析和離子交換的集成是最佳的選擇；當(dāng)a>0.76，β>0.76 時(shí)，雙極膜電滲析法優(yōu)于離子交換法。
　　 （2）利用響應(yīng)曲面法中的Box-Behnken 設(shè)計(jì)方法，選取電流密度、電解質(zhì)濃度、料液濃度作為影響因素，對(duì)雙極膜電滲析法生

4、產(chǎn)葡萄糖酸的過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化研究。通過(guò)數(shù)學(xué)擬合和脊嶺回歸分析，得到雙極膜電滲析法生產(chǎn)葡萄糖酸的最佳工藝條件為：電流密度為44.8mAcm-2；電解質(zhì)濃度為0.12moldm-3；料液濃度為0.15moldm-3。對(duì)預(yù)測(cè)值進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值高度吻合，顯示了模型的高效性和準(zhǔn)確性。
　　 （3）通過(guò)傳統(tǒng)電滲析濃縮室和雙極膜電滲析鹽室的串聯(lián)，進(jìn)行了雙極膜電滲析法和傳統(tǒng)電滲析法的在線(xiàn)集成研究。結(jié)果表明，由于傳統(tǒng)電滲析的濃縮作用以

5、及電極反應(yīng)，集成的工藝實(shí)現(xiàn)了非常高的電流效率和較低的能耗，集成工藝生產(chǎn)葡萄糖酸的成本低于單個(gè)雙極膜電滲析法的成本。整個(gè)集成工藝不僅僅高效簡(jiǎn)潔，并且操作穩(wěn)定。
　　 （4）通過(guò)Nernst-Planck方程、Donnan平衡以及電中性的原則，對(duì)陽(yáng)離子交換膜在1-2 溶液中的濃度、電阻、電勢(shì)分布進(jìn)行了研究，并通過(guò)電化學(xué)阻抗譜對(duì)模型的電阻分布進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，離子濃度在擴(kuò)散層中的分布是受電流顯著影響的；擴(kuò)散層的電勢(shì)也是受電流顯著影

6、響的，而Donnan 電勢(shì)是不受電流影響的；在低電流密度時(shí)，來(lái)自Donnan 界面層的電阻是整個(gè)膜液系統(tǒng)最主要的電阻，而在高電流密度時(shí)，擴(kuò)散層的電阻是最主要的電阻。模型的電阻和電化學(xué)阻抗譜測(cè)定的電阻基本吻合，少許的偏差可能是來(lái)源于模型對(duì)擴(kuò)散層中電對(duì)流的忽略。
　　 （5）基于單級(jí)膜的濃度、電阻、電勢(shì)模型以及雙極膜的水解離特性，對(duì)典型三隔室雙極膜電滲析膜堆生產(chǎn)葡萄糖酸的能耗和成本進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬研究。結(jié)果表明，溶液電阻、擴(kuò)散層的電阻