新型分離技術(shù)--第二章___膜分離(4-2)

1、第二章 膜分離（4）第六部分 以電位差為推動力的膜過程n電滲析和膜電解是以電位差為推動力的膜過程電滲析和膜電解是以電位差為推動力的膜過程。n直流電場直流電場促進帶電離子傳遞通過相應促進帶電離子傳遞通過相應荷荷電膜而達到溶電膜而達到溶液中鹽分脫除或產(chǎn)物純化的一種膜分離技術(shù)。液中鹽分脫除或產(chǎn)物純化的一種膜分離技術(shù)。n溶液中不帶電組分則不受電位差推動力的影響。溶液中不帶電組分則不受電位差推動力的影響。荷荷電膜電膜n簡單地說帶電荷的膜稱為荷簡單地說帶電荷的膜稱為荷電膜電膜。n荷荷電膜電膜可以分為兩類：帶正電荷的陰離子交換膜和帶可以分為兩類：帶正電荷的陰離子交換膜和帶負電荷的陽離子交換膜。負電荷的陽離子

2、交換膜。n制膜材料是一類含電離基團的聚合物。如：聚苯乙烯制膜材料是一類含電離基團的聚合物。如：聚苯乙烯磺酸鹽和聚苯乙烯季胺鹽?；撬猁}和聚苯乙烯季胺鹽。n離子交換膜具有微觀的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其孔徑約為離子交換膜具有微觀的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其孔徑約為5-10 ，相互溝通并貫聯(lián)膜的通道。相互溝通并貫聯(lián)膜的通道。n 荷電膜放入水中，會發(fā)生電離作用，其中可交換的荷電膜放入水中，會發(fā)生電離作用，其中可交換的離子就進入水中，而異號的活性基團則保留在膜上，離子就進入水中，而異號的活性基團則保留在膜上，形成能吸引正離子或負離子的電荷點位。形成能吸引正離子或負離子的電荷點位。 例如：聚苯乙烯磺酸荷電膜在水中可電離為例如：聚苯乙

3、烯磺酸荷電膜在水中可電離為RSO3和和H，H遷移入水中，而遷移入水中，而RSO3則停留在膜上作為則停留在膜上作為固定離子，它固定在膜通道表面不動，建立起一個負固定離子，它固定在膜通道表面不動，建立起一個負電場，從而在外加直流電場的協(xié)同作用下，把溶液中電場，從而在外加直流電場的協(xié)同作用下，把溶液中運動的正離子吸引過來而讓其透過，溶液中的負離子運動的正離子吸引過來而讓其透過，溶液中的負離子因受到靜電排斥而不能透過。因受到靜電排斥而不能透過。第一節(jié) 電滲析1 電滲析概念n電滲析是指在直流電場作用下，溶液中的荷電離子選電滲析是指在直流電場作用下，溶液中的荷電離子選擇性地定向遷移透過離子交換膜并加以去除

4、的一種膜擇性地定向遷移透過離子交換膜并加以去除的一種膜分離技術(shù)。分離技術(shù)。n在正負兩電極之間交替平行放置陽離子和陰離子交換在正負兩電極之間交替平行放置陽離子和陰離子交換膜，依次構(gòu)成濃縮室和淡化室。膜，依次構(gòu)成濃縮室和淡化室。Na+ClNa+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+ClClClClClClClClAKKKKKAAAADCDDDDCCC陽極水陰極水咸水Cl2NaOH脫鹽水濃縮液A膜為陰離子交換膜（帶正電荷），膜為陰離子交換膜（帶正電荷），K膜為陽離子交換膜（帶負電荷）膜為陽離子交換膜（帶負電荷）反離子遷移n溶液中帶正電荷的離子在電場作用下向陰極方向遷移，溶液中帶正電荷的離子在電場

5、作用下向陰極方向遷移，穿過帶負電荷的陽離子交換膜，而被帶正電荷的陰離穿過帶負電荷的陽離子交換膜，而被帶正電荷的陰離子交換膜所阻擋，這種與膜所帶電荷相反的離子透過子交換膜所阻擋，這種與膜所帶電荷相反的離子透過膜的現(xiàn)象稱為反離子遷移。膜的現(xiàn)象稱為反離子遷移。n同理，溶液中帶負電荷的離子在電場作用下透過陰離同理，溶液中帶負電荷的離子在電場作用下透過陰離子交換膜。子交換膜。電滲析器n電滲析器通常有電滲析器通常有100至至200對陰、陽離子交換膜與特對陰、陽離子交換膜與特制的隔板等組裝而成，具有相應數(shù)量的濃縮室和淡化制的隔板等組裝而成，具有相應數(shù)量的濃縮室和淡化室。室。2 電滲析的基本理論nSollne

6、r雙電層理論：雙電層理論：n膜上的離子基團電離，在膜表面固定離子基團附近，膜上的離子基團電離，在膜表面固定離子基團附近，電解質(zhì)溶液中帶相反電荷的離子形成雙電層。電解質(zhì)溶液中帶相反電荷的離子形成雙電層。n雙電層的強弱與膜上荷電活性基團數(shù)量有關，膜雙電層的強弱與膜上荷電活性基團數(shù)量有關，膜-溶溶液界面離子分布及其化學位與距離有關。液界面離子分布及其化學位與距離有關。n一般條件下，陽離子交換膜上固定基團能夠形成足夠一般條件下，陽離子交換膜上固定基團能夠形成足夠強烈的負電場，使膜外溶液中帶正電荷離子極易遷移強烈的負電場，使膜外溶液中帶正電荷離子極易遷移靠近膜并進入膜孔隙，而排斥帶負電荷的離子?？拷げ?/p>

7、進入膜孔隙，而排斥帶負電荷的離子。n如果膜外溶液濃度很大，則雙電層厚度會變薄，可能如果膜外溶液濃度很大，則雙電層厚度會變薄，可能導致非選擇性透過陰離子。導致非選擇性透過陰離子。Sollner雙電層理論（1）異性電荷相吸；）異性電荷相吸；（2）膜中固定離子越多，靜電吸引力越強，膜的選擇）膜中固定離子越多，靜電吸引力越強，膜的選擇性越好。性越好。（3）在電場作用下，溶液中的陽（陰）離子定向連續(xù)）在電場作用下，溶液中的陽（陰）離子定向連續(xù)遷移通過帶負電荷的陽（陰）離子交換膜。遷移通過帶負電荷的陽（陰）離子交換膜。Gibbs-Donnan膜平衡理論n溶液中的離子和膜中離子發(fā)生交換作用，最后達到平溶液中

8、的離子和膜中離子發(fā)生交換作用，最后達到平衡，構(gòu)成膜內(nèi)外離子的平衡體系。衡，構(gòu)成膜內(nèi)外離子的平衡體系。n離子交換膜的離子交換膜的Gibbs-Donnan膜平衡基于以下兩個假膜平衡基于以下兩個假定，（定，（1）膜內(nèi)外離子的化學位相等：）膜內(nèi)外離子的化學位相等：n（2）膜內(nèi)外各種離子的總濃度滿足電中性：）膜內(nèi)外各種離子的總濃度滿足電中性：misi01niiicZn可推導出下列關系式：可推導出下列關系式：n（1）膜上）膜上 趨向趨向0，則膜無選擇性。，則膜無選擇性。n（2）當膜上）當膜上 趨向無窮大，膜的選擇性趨向趨向無窮大，膜的選擇性趨向100%。n（3）溶液中）溶液中 大，則膜中大，則膜中 很小，

9、膜的選擇性會降很小，膜的選擇性會降低。低。1mClmRmClClCCCCmRCmRCmClCClC電滲析過程中的傳遞現(xiàn)象n（1）反離子遷移，是主要傳遞過程。）反離子遷移，是主要傳遞過程。n（2）同離子遷移，離子交換膜的選擇性不可能達到）同離子遷移，離子交換膜的選擇性不可能達到100%，同名離子遷移降低電滲析過程的效率。，同名離子遷移降低電滲析過程的效率。n（3）水的滲透，水從淡水室滲透到濃水室，淡水會）水的滲透，水從淡水室滲透到濃水室，淡水會大量損失。大量損失。n（4）水的電解。（）水的電解。（5）水的電滲析。（）水的電滲析。（6）電解質(zhì)的）電解質(zhì)的滲透。（滲透。（7）壓差滲漏。）壓差滲漏。極

10、限電流n電滲析極化現(xiàn)象：陰、陽離子在直流電場作用下在膜電滲析極化現(xiàn)象：陰、陽離子在直流電場作用下在膜間遷移，當采用過大電流時，在膜間遷移，當采用過大電流時，在膜-液界面形成離子液界面形成離子耗竭層，溶液的電阻會變得很大。耗竭層，溶液的電阻會變得很大。n電滲析極化導致耗電量增加，膜的壽命降低。電滲析極化導致耗電量增加，膜的壽命降低。n極限電流是指電滲析發(fā)生極化時的臨界電流。極限電流是指電滲析發(fā)生極化時的臨界電流。n極限電流密度是指通過單位面積離子交換膜的極限電極限電流密度是指通過單位面積離子交換膜的極限電流。流。nilim為極限電流密度，為極限電流密度， 為電滲析淡水室進出口離子的為電滲析淡水室

11、進出口離子的對數(shù)平均濃度，對數(shù)平均濃度，V為淡水流線速度，為淡水流線速度，ki為水力常數(shù)，為水力常數(shù)，m,n也為常數(shù)。也為常數(shù)。nmiVckilimmcdodidodimcccccln操作電流密度n操作電流密度可以表示為：操作電流密度可以表示為：n 為組分換算系數(shù)，為組分換算系數(shù)，fs為安全系數(shù)，為安全系數(shù)， ft為溫度校正系為溫度校正系數(shù)。數(shù)。limiffistD電流效率n電流效率表示電滲析過程中電流的利用程度，為單位電流效率表示電滲析過程中電流的利用程度，為單位時間實際脫鹽率與理論脫鹽的百分。時間實際脫鹽率與理論脫鹽的百分。n苦咸水脫鹽，電流效率一般為苦咸水脫鹽，電流效率一般為90-95%

12、，海水脫鹽為，海水脫鹽為70-85%。INFccQdodi)(n極限電流下的淡水室出口鹽的濃度計算式為：極限電流下的淡水室出口鹽的濃度計算式為：n電滲析器的脫鹽率為：電滲析器的脫鹽率為：)exp(limVcFdLiccdido%100didodicccf電滲析技術(shù)應用領域電滲析技術(shù)應用領域 自電滲析技術(shù)問世后，在苦咸水淡化，飲用自電滲析技術(shù)問世后，在苦咸水淡化，飲用水及工業(yè)用水制備方面展示了巨大的優(yōu)勢。水及工業(yè)用水制備方面展示了巨大的優(yōu)勢。 隨著電滲析理論和技術(shù)研究的深入，我國在電隨著電滲析理論和技術(shù)研究的深入，我國在電滲析主要裝置部件及結(jié)構(gòu)方面都有巨大的創(chuàng)新，僅滲析主要裝置部件及結(jié)構(gòu)方面都有

13、巨大的創(chuàng)新，僅離子交換膜產(chǎn)量就占到了世界的離子交換膜產(chǎn)量就占到了世界的1/3。我國的電滲析。我國的電滲析裝置主要由國家海洋局杭州水處理技術(shù)開發(fā)中心生裝置主要由國家海洋局杭州水處理技術(shù)開發(fā)中心生產(chǎn)，現(xiàn)可提供產(chǎn)，現(xiàn)可提供200m3/d規(guī)模的海水淡化裝置。規(guī)模的海水淡化裝置。 電滲析技術(shù)在食品工業(yè)、化工及工業(yè)廢水的處理電滲析技術(shù)在食品工業(yè)、化工及工業(yè)廢水的處理方面也發(fā)揮著重要的作用。特別是與反滲透、納濾等方面也發(fā)揮著重要的作用。特別是與反滲透、納濾等精過濾技術(shù)的結(jié)合，在電子、制藥等行業(yè)的高純水制精過濾技術(shù)的結(jié)合，在電子、制藥等行業(yè)的高純水制備中扮演重要角色。備中扮演重要角色。國家海洋局杭州水處理技術(shù)

14、中心國家海洋局杭州水處理技術(shù)中心n應用領域：應用領域： n用于海水與苦咸水淡化用于海水與苦咸水淡化 n 制備純水時的初級脫鹽以及鍋爐、動力設備給水制備純水時的初級脫鹽以及鍋爐、動力設備給水的脫鹽軟化等的脫鹽軟化等 。n 適用于電子、醫(yī)藥、化工、火力發(fā)電、食品、啤適用于電子、醫(yī)藥、化工、火力發(fā)電、食品、啤酒、飲料、印染及涂裝等行業(yè)的給水處理。酒、飲料、印染及涂裝等行業(yè)的給水處理。 n 可用于物料的濃縮、提純、分離等物理化學過程?？捎糜谖锪系臐饪s、提純、分離等物理化學過程。 n系統(tǒng)優(yōu)點系統(tǒng)優(yōu)點：加工制造和部件更換都比較容易，便于清加工制造和部件更換都比較容易，便于清洗洗。電滲析在化工廠中的應用電滲

15、析在化工廠中的應用第二節(jié) 膜 電 解1 膜電解基本概念n離子膜電解是離子膜電解是20世紀世紀70年代發(fā)展的新技術(shù)，與傳統(tǒng)年代發(fā)展的新技術(shù)，與傳統(tǒng)的水銀法和隔膜法相比，具有總能耗低、無污染、產(chǎn)的水銀法和隔膜法相比，具有總能耗低、無污染、產(chǎn)品純度高、操作運轉(zhuǎn)方便，投資少等優(yōu)點；是氯堿工品純度高、操作運轉(zhuǎn)方便，投資少等優(yōu)點；是氯堿工業(yè)的發(fā)展方向。業(yè)的發(fā)展方向。n離子膜電解就是利用陽離子交換膜將電解槽的陽極和離子膜電解就是利用陽離子交換膜將電解槽的陽極和陰極隔離開，進行食鹽水溶液電解制造氯氣和燒堿，陰極隔離開，進行食鹽水溶液電解制造氯氣和燒堿，或其他無機鹽電解還原等的一種膜技術(shù)。或其他無機鹽電解還原等

16、的一種膜技術(shù)。n在膜兩側(cè)的電位差存在下，鹽水流在陽極室生成氯氣，在膜兩側(cè)的電位差存在下，鹽水流在陽極室生成氯氣，鈉離子伴隨少量水透過離子膜進入陰極室。陰極室的鈉離子伴隨少量水透過離子膜進入陰極室。陰極室的純水流在陰極上電解生成氫氣和純水流在陰極上電解生成氫氣和OH-， OH-與與Na+在在陰極室生成陰極室生成NaOH，可以獲得，可以獲得30-35%的液堿。的液堿。離子交換膜離子交換膜n離子電解膜主要用于氯堿工業(yè)中制備氫氧化鈉。目前離子電解膜主要用于氯堿工業(yè)中制備氫氧化鈉。目前主要采用全氟磺酸膜、全氟磺羧膜和全氟磺酸全氟羧主要采用全氟磺酸膜、全氟磺羧膜和全氟磺酸全氟羧酸復合膜三大類。酸復合膜三大

17、類。n全氟羧酸膜的含水量遠低于全氟磺酸膜，全氟磺酸膜全氟羧酸膜的含水量遠低于全氟磺酸膜，全氟磺酸膜的導電性高于全氟羧酸膜。的導電性高于全氟羧酸膜。n目前常將全氟磺酸全氟羧酸復合制備復合膜，既具有目前常將全氟磺酸全氟羧酸復合制備復合膜，既具有較高的導電性，又可利用羧酸膜對較高的導電性，又可利用羧酸膜對OH-的優(yōu)先排斥作的優(yōu)先排斥作用。用。n國內(nèi)所采用的電解膜主要為：國內(nèi)所采用的電解膜主要為：Du Pont公司的公司的Nafion膜，日本旭硝子公司的膜，日本旭硝子公司的Flemion膜，以及日本旭化成膜，以及日本旭化成公司的公司的Aciplex膜等幾大類。膜等幾大類。n旭化成公司的旭化成公司的Ac

18、iplex-F系列膜如系列膜如F-2200，用于生產(chǎn)，用于生產(chǎn)21-24%的的NaOH，F(xiàn)-4000可生產(chǎn)可生產(chǎn)30-40%的的NaOH ，F(xiàn)5000可用于生產(chǎn)可用于生產(chǎn)40-50%的的NaOH ，其電流效率在第，其電流效率在第1至至2年內(nèi)為年內(nèi)為95%以上，第以上，第3年為年為94.5%以上，耗電量以上，耗電量約為約為2100 Kw.h/t NaOH 。燃料電池示意圖燃料電池示意圖 全氟磺酸膜還可用作燃料電池的重要部件。燃全氟磺酸膜還可用作燃料電池的重要部件。燃料電池是將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苄首罡叩哪茉?，可料電池是將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苄首罡叩哪茉?，可能成為能成?1世紀的主要能源方式之一。經(jīng)多

19、年研制，世紀的主要能源方式之一。經(jīng)多年研制，Nafion膜已被證明是氫氧燃料電池的實用性質(zhì)子交膜已被證明是氫氧燃料電池的實用性質(zhì)子交換膜，并已有燃料電池樣機在運行。但換膜，并已有燃料電池樣機在運行。但Nafion膜價膜價格昂貴（格昂貴（700美元美元/m2），故近年來正在加速開發(fā)磺），故近年來正在加速開發(fā)磺化芳雜環(huán)高分子膜，用于氫氧燃料電池的研究，以化芳雜環(huán)高分子膜，用于氫氧燃料電池的研究，以期降低燃料電池的成本。期降低燃料電池的成本。2 電化學反應電化學反應2OH- 2e- = 1/2O2 + H2O陰極：陰極： 2H+ + 2e- = H2 （還原反應）（還原反應）陽極：陽極： 2Cl-

20、2e- = Cl2 （氧化反應）（氧化反應）1/2O2 + H2O + 2e- = 2OH- 陽極室內(nèi)溶液中的化學反應陽極室內(nèi)溶液中的化學反應n溶解氯氣會與從陰極室反滲過來的燒堿反應。溶解氯氣會與從陰極室反滲過來的燒堿反應。Cl2 + NaOH = NaCl + HClO Cl2 + 2NaOH =1/3NaClO3 + 5/3NaCl + H2OCl2 + 2NaOH = 2NaCl + 1/2O2 + H2OHClO + NaOH = NaCl + 1/2O2 + H2O陽極室內(nèi)溶液中的化學反應陽極室內(nèi)溶液中的化學反應n在陰極室，遷移來的次氯酸鈉、氯酸鈉與陰極上產(chǎn)生在陰極室，遷移來的次氯酸

21、鈉、氯酸鈉與陰極上產(chǎn)生的氫離子作用還原為氯化鈉。的氫離子作用還原為氯化鈉。n為了提高陰極效率，在電解過程中需抑制水氧化而析出氧的反應，為了提高陰極效率，在電解過程中需抑制水氧化而析出氧的反應，以及降低陰極室反滲燒堿與溶解氯反應。以及降低陰極室反滲燒堿與溶解氯反應。NaClO + 2H+ = NaCl + H2ONaClO3 + 6H+ = NaCl + 3H2O電解定律n電解過程中生成物質(zhì)的量與通過電解質(zhì)溶液的電量之電解過程中生成物質(zhì)的量與通過電解質(zhì)溶液的電量之間的關系符合法拉第定律：間的關系符合法拉第定律：nm為電極上析出物質(zhì)的質(zhì)量，為電極上析出物質(zhì)的質(zhì)量，MB為物質(zhì)的摩爾質(zhì)量。為物質(zhì)的摩爾

22、質(zhì)量。Q為電量，為電量，n為析出為析出1摩爾物質(zhì)得失的電子數(shù)，摩爾物質(zhì)得失的電子數(shù)，t為通電時間，為通電時間，k為電解槽的個數(shù)。為電解槽的個數(shù)。nFItkMnFQMmBB陽極電流效率n按日本旭硝子公司使用的公式，計算離子膜電解槽陽極電流效率：按日本旭硝子公司使用的公式，計算離子膜電解槽陽極電流效率：n o2為副反應生成氧氣的電流效率損失；為副反應生成氧氣的電流效率損失； ClO-為副反應生成的電流為副反應生成的電流損失；損失； ClO3-為副反應生成的電流損失；為副反應生成的電流損失； NaHCO3為供給鹽水中的為供給鹽水中的降低電流效率損失。降低電流效率損失。)(1 332NaHCOClOo

23、陽膜電解的槽電壓n膜電解的槽電壓是直接影響電流效率的一個重要參數(shù)。膜電解的槽電壓是直接影響電流效率的一個重要參數(shù)。槽電壓通常由以下幾項組成：槽電壓通常由以下幾項組成：nV、V0、Vm分別為槽電壓、理論分解電壓、離子膜電分別為槽電壓、理論分解電壓、離子膜電壓降，壓降， 陽陽、 陰陰分別為陽極和陰極過電壓，分別為陽極和陰極過電壓，IR液液、 IR金金分別為溶液和金屬導體的歐姆電壓降。分別為溶液和金屬導體的歐姆電壓降。金液陰陽IRIRVVVm0n影響槽電壓的因素有膜的結(jié)構(gòu)、兩極間距、鹽水雜質(zhì)影響槽電壓的因素有膜的結(jié)構(gòu)、兩極間距、鹽水雜質(zhì)含量、陰極液循環(huán)量、燒堿濃度、電流密度以及操作含量、陰極液循環(huán)量

24、、燒堿濃度、電流密度以及操作溫度。溫度。n當電極間距為當電極間距為0.5 2mm時，理論分解電壓及膜電壓時，理論分解電壓及膜電壓降兩項之和占槽電壓的降兩項之和占槽電壓的90%左右。左右。理論分解電壓n理論分解電壓指電解質(zhì)開始分解時所必需的最低電壓。理論分解電壓指電解質(zhì)開始分解時所必需的最低電壓?？捎梅匠虂碛嬎悖嚎捎梅匠虂碛嬎悖簄Q為反應的熱效應；為反應的熱效應； 為溫度系數(shù)。為溫度系數(shù)。dTdETnFQV0dTdE離子膜電壓降n離子膜電壓降由膜本身具有一定的電阻引起的。離子膜電壓降由膜本身具有一定的電阻引起的。n膜電壓與制備膜的聚合物種類、膜的厚度和運轉(zhuǎn)條件膜電壓與制備膜的聚合物種類、膜的厚度

25、和運轉(zhuǎn)條件有關。有關。n美國美國Dupont公司的公司的Nafion膜電阻為膜電阻為2.4 2.8 cm，而日本旭硝子公司而日本旭硝子公司Flemion膜的電壓降為膜的電壓降為0.31 0.38 cm 。第三節(jié)：燃料電池簡介第三節(jié)：燃料電池簡介定義：燃料電池是一種能夠持續(xù)的通過發(fā)生在陽極定義：燃料電池是一種能夠持續(xù)的通過發(fā)生在陽極和陰極的氧化還原反應將化學能轉(zhuǎn)化為電能的能量和陰極的氧化還原反應將化學能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。燃料電池與常規(guī)電池的區(qū)別在于，它工轉(zhuǎn)換裝置。燃料電池與常規(guī)電池的區(qū)別在于，它工作時需要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)輸入燃料和氧化劑，作時需要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)輸入燃料和氧化劑，只要

26、持續(xù)供應，燃料電池就會不斷提供電能。只要持續(xù)供應，燃料電池就會不斷提供電能。分類：根據(jù)工作溫度可分為低溫型、中溫型和高溫分類：根據(jù)工作溫度可分為低溫型、中溫型和高溫型三種。根據(jù)電解質(zhì)的種類可分為：堿性燃料電池型三種。根據(jù)電解質(zhì)的種類可分為：堿性燃料電池(AFC)(AFC)、磷酸燃料電池、磷酸燃料電池(PAFC)(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)(MCFC)、固體氧化物燃料電池、固體氧化物燃料電池(SOFC)(SOFC)和聚合物離子和聚合物離子膜燃料電池膜燃料電池( (PCMFC)PCMFC)。燃料電池的工作原理燃料電池的工作原理燃料電池由陽極、陰燃料電池由陽極、陰

27、極和離子導電的電解極和離子導電的電解質(zhì)構(gòu)成，其工作原理質(zhì)構(gòu)成，其工作原理與普通電化學電池類與普通電化學電池類似，燃料在陽極氧化，似，燃料在陽極氧化，氧化劑在陰極還原，氧化劑在陰極還原，電子從陽極通過負載電子從陽極通過負載流向陰極構(gòu)成電回路，流向陰極構(gòu)成電回路，產(chǎn)生電流。產(chǎn)生電流。燃料燃料氧化劑氧化劑陽極陽極陰極陰極電電 解解 質(zhì)質(zhì)導電離子導電離子質(zhì)子膜燃料電池的工作原理質(zhì)子膜燃料電池的工作原理)(2122)(22222CathodeOHOeHAnodeeHH2221()2HOH O OverallElectricity各種燃料電池的工作原理各種燃料電池的工作原理采用燃料電池燃料電池的筆記本電腦

28、將燃料電池燃料電池組配備在攝像機后部使用大連化物所研制成功的大連化物所研制成功的50kW燃料電池發(fā)動機燃料電池發(fā)動機已成功用于我國第一臺燃料電池城市客車已成功用于我國第一臺燃料電池城市客車一名美國通用汽車公司的工程師在舊一名美國通用汽車公司的工程師在舊金山市政廳廣場介紹一款燃料電池汽金山市政廳廣場介紹一款燃料電池汽車的動力單元。車的動力單元。全釩氧化還原液流電池n一些能源產(chǎn)生系統(tǒng)，如風力發(fā)電、太陽能等，由于受到氣候變化、風力大小等自然條件的影響，電能輸出具有不穩(wěn)定性和間斷性地特點，進而造成機械功率大幅變化，會使發(fā)電機輸出的有功和無功產(chǎn)生波動，而且使電網(wǎng)的電能質(zhì)量下降，同時造成電能浪費。目前，國

29、際上一項風電存儲新技術(shù)全釩氧化還原液流電池（VanadiumRedoxBattery，VRB）進入實用性階段，通過對能源高效轉(zhuǎn)換存儲，保證穩(wěn)定的電功率輸出，改善電網(wǎng)安全性和可靠性。nVRB-ESS儲能系統(tǒng)是VRBPowerSystems公司在新南威爾士大學研究人員提出的全釩液流電池技術(shù)基礎上發(fā)展出來的儲能系統(tǒng)，將化學能和電能相互轉(zhuǎn)換?；瘜W能存儲于不同階態(tài)的釩離子中，電解質(zhì)溶液為釩離子硫酸電解液，電解液通過泵從兩個獨立的塑料存儲罐中流入兩個半電池組單元，采用一個質(zhì)子交換膜（PEM）作為電池組的隔膜，電解質(zhì)溶液平行流過電極表面并發(fā)生電化學反應，通過雙電極板收集和傳導電流。這個反應過程可以逆反進行，

30、對電池進行充電、放電和再充電。nVRB-ESS系統(tǒng)包括兩個具有不同氧化狀態(tài)釩離子的電解液存儲罐，分別是正極V()/V()和負極V()/V()氧化還原電極對。電解液由泵在存儲罐和電堆之間循環(huán)輸送。電堆包括多個電池組，每個電池組具有兩個半電池部分，由質(zhì)子交換膜隔開。在半電池組中，電化學反應是在碳板電極上進行的，產(chǎn)生電流對電池進行充放電。n2008年11月1日，由遼寧省科技廳組織，中國科學院沈陽分院主持的100kW級全釩液流儲能電池系統(tǒng)鑒定會在大連化物所舉行。n100kW級全釩液流儲能電池系統(tǒng)采用自主研發(fā)的技術(shù)制備了全釩液流儲能電池的關鍵材料和部件，成功研制出10kW電池模塊；設計和優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，

31、集成出100kW級的全釩液流儲能電池系統(tǒng)。研制的額定輸出為10kW的電池模塊，能量轉(zhuǎn)換效率為81%，最大穩(wěn)定放電功率達到28.8kW以上；研制的全釩液流儲能電池系統(tǒng)的額定輸出功率為100kW，能量轉(zhuǎn)換效率達到75%，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)情況良好。鑒定委員會專家一致認為：成果達到國內(nèi)領先，國際先進水平。全氟離子交換樹脂和全氟離子交換膜全氟離子交換樹脂和全氟離子交換膜東岳集團研究院東岳集團研究院全氟離子交換樹脂和全氟離子膜的發(fā)展歷史： 1962 Dupont 全氟磺酸樹脂全氟磺酸樹脂 1975 Asahi Glass 全氟羧酸樹全氟羧酸樹脂脂 1975 全氟離子膜用于燒堿電全氟離子膜用于燒堿電解解 1980年

32、代年代Ballard公司公司 全氟離子膜用于全氟離子膜用于PEMFC “六五六五”攻關計劃重大項目攻關計劃重大項目 化工部、中科院化工部、中科院“七五七五”攻關計劃重大項目攻關計劃重大項目 化工部、中科院化工部、中科院“十五十五”863計劃重大項目計劃重大項目 科技部（東岳科技部（東岳/交大）交大）“十一五十一五”支撐計劃重大項支撐計劃重大項目目 科技部（東岳科技部（東岳/交大）交大）全氟離子交換樹脂是全氟磺酸（羧酸）單體與四氟乙烯共聚物，具有十分穩(wěn)定的化學結(jié)構(gòu)。-(CF2CF2)-CF2CF-OSO3M（M= H 或 Na）-(CF2CF2)-CF2CF-OCOOM全氟磺酸樹脂全氟羧酸樹脂其

33、他領域核核心心材材料料氯堿工業(yè)氯堿工業(yè)2000億元億元基礎產(chǎn)業(yè)基礎產(chǎn)業(yè)Cl2、NaOH總量總量全球最大全球最大產(chǎn)業(yè)規(guī)模產(chǎn)業(yè)規(guī)模6000萬噸萬噸僅次于鋼鐵、石油僅次于鋼鐵、石油化工、紡織印染、制藥、輕工、化工、紡織印染、制藥、輕工、冶金、造紙、鋼鐵、食品冶金、造紙、鋼鐵、食品基礎原料基礎原料離子膜電解示意圖增強纖維增強纖維傳導鈉離子隔離陰陽極電解液和產(chǎn)物阻止陰極氫氧根反遷移表面涂層表面涂層磺酸層磺酸層羧酸層羧酸層犧牲纖維犧牲纖維氯堿離子膜離子膜燒堿法：離子膜燒堿法：1 1、先進先進的全氟離子膜隔膜，產(chǎn)品質(zhì)量好，的全氟離子膜隔膜，產(chǎn)品質(zhì)量好， 節(jié)能節(jié)能30%30%。2 2、落后落后的石棉隔膜，我國

34、仍保留總產(chǎn)能的石棉隔膜，我國仍保留總產(chǎn)能30%30%的石棉隔膜氯堿裝的石棉隔膜氯堿裝 備，年多耗能備，年多耗能5050億度億度，氯氣、燒堿質(zhì)量差。，氯氣、燒堿質(zhì)量差。 出于產(chǎn)業(yè)安全需要，保留落后產(chǎn)能！出于產(chǎn)業(yè)安全需要，保留落后產(chǎn)能！產(chǎn)業(yè)三十年的困境產(chǎn)業(yè)三十年的困境：我國全氟離子膜：我國全氟離子膜全部全部依賴從美國和日本進口依賴從美國和日本進口 - - 全氟離子膜決定著我國整個氯堿產(chǎn)業(yè)的命運！全氟離子膜決定著我國整個氯堿產(chǎn)業(yè)的命運！兩類隔膜：兩類隔膜：氯堿離子膜氯堿離子膜無界面融合技術(shù)無界面融合技術(shù)基礎原理基礎原理裝備開發(fā)裝備開發(fā)14種高純含氟種高純含氟化合物原料化合物原料全氟磺酸樹脂全氟磺酸樹

35、脂氯堿離子膜氯堿離子膜全氟羧酸樹脂全氟羧酸樹脂PTFE纖維纖維增強網(wǎng)布增強網(wǎng)布涂層技術(shù)涂層技術(shù)技術(shù)開發(fā)技術(shù)開發(fā)工程放大工程放大多個領域難題多個領域難題氯堿離子膜的開發(fā)難度氯堿離子膜的開發(fā)難度701 1、高純四氟乙烯工程化；、高純四氟乙烯工程化；2 2、高純、高純99.999%99.999%六氟丙烯工程化；六氟丙烯工程化；3 3、全氟環(huán)氧丙烷制備；、全氟環(huán)氧丙烷制備；4 4、全氟環(huán)氧丙烷純化；、全氟環(huán)氧丙烷純化；5 5、四氟磺內(nèi)酯制備；、四氟磺內(nèi)酯制備；6 6、磺酸加成中間體合成及純化；、磺酸加成中間體合成及純化；7 7、全氟磺酸單體制備及純化；、全氟磺酸單體制備及純化；8 8、羧酸第一中間體合成及純化；、羧酸第一中間體合成及純化；9 9、羧酸第二中間體合成及純化；、羧酸第二中間體合成及純化；1010、羧酸第三中間體合成及純化；、羧酸第三中間體合成及純化；1111、全氟羧酸單體合成及純化；、全氟羧酸單體合成及純化；1212、全氟磺酸樹脂合成；、全氟磺酸樹脂合成；13、全氟磺酸樹脂后處理；、全氟磺酸樹脂后處理；1414、全氟羧酸樹脂合成；、全氟羧酸樹脂合成；1515、全氟羧酸樹脂后處理；、全氟羧酸樹脂后處理；1616、全氟烷基乙烯基醚工程；、全氟烷基乙烯基醚工程；1717、增強纖維用改性聚四氟乙烯合成；、增強纖維用改性聚四氟乙烯合成；1818、纖維制備；、纖維制備；1