有機酸被廣泛應用于食品、飲料、醫(yī)藥、化妝品、化學合成、生物化學領域，與人類生活具有廣泛而密切的聯(lián)系。生產(chǎn)有機酸主要有兩種方法：化學合成和發(fā)酵法。無論是發(fā)酵法還是化學合成法，有機酸的分離、濃縮、提純都是必要的步驟。傳統(tǒng)提純工藝包括沉淀、酸化、析出、結晶、離子交換等步驟，其過程中需要消耗大量的酸堿，并產(chǎn)生大量固體廢棄物。傳統(tǒng)有機酸的生產(chǎn)提純方法這些缺點都不符合現(xiàn)代綠色化學節(jié)能減排的要求，迫切的需要替代工藝。為了實現(xiàn)節(jié)能減排和綠色化工的目標，我們需要一種更經(jīng)濟和環(huán)保的技術。 雙極膜電滲析可以應用到這一領域，在通電條件下，雙極膜解離水形成H~+和OH~-，同時在溶液中，有機酸鹽解離為有機酸根離子和金屬陽離子，H~+與有機酸根離子結合形成產(chǎn)品酸，OH~-同金屬陽離子結合形成堿。因為離子交換膜具有較強的選擇透過性，使用此方法生產(chǎn)有機酸具有較高純度，后處理成本低的優(yōu)點，同時生產(chǎn)的堿也可以應用于有機酸發(fā)酵過程，不產(chǎn)生任何廢棄物，沒有二次污染。 本論文以雙極膜電滲析技術生產(chǎn)酒石酸作為切入點，探討了該技術應用于有機酸生產(chǎn)中的如何節(jié)能等共性問題，研究內(nèi)容和主要結論如下： 1.由于酒石酸氫鉀的在水溶液中的低溶解度，實驗的膜堆構型為BP—A—C構型。為了降低酸室中由于有機酸的低解離系數(shù)導致的高電阻，向酸室中添加了強酸型離子交換樹脂。實驗結果證明，添加離子交換樹脂有效降低了相同電流密度下的操作電壓，降低雙極膜電滲析生產(chǎn)酒石酸的能量消耗。雖然添加離子交換樹脂在一定程度上降低了酒石酸產(chǎn)量，但同能耗的降低幅度相比，仍然具有巨大的積極作用。 2.在同等條件下，將添加離子交換樹脂的方法應用于傳統(tǒng)電滲析。實驗結果同雙極膜電滲析設備大致類似。實驗擴展了添加離子交換樹脂的應用范圍。 3.考慮到在大型電滲析設備中添加離子交換樹脂的復雜性，在中試規(guī)模的實驗中采用了導離子隔板。導離子隔板由異相陽離子交換膜雕刻而成。實驗結果證明導離子隔板有效降低了操作電壓，降低了雙極膜電滲析的能耗。實驗還對國產(chǎn)雙極膜和德國雙極膜進行了對比實驗，在酒石酸產(chǎn)量，電流效率等方面國產(chǎn)雙極膜性能還有待提高。 4.對以上的4個實驗進行了經(jīng)濟核算，按照實驗規(guī)模進行了兩兩對比。(1)在小試規(guī)模下核算結果顯示：無論是雙極膜電滲析還是傳統(tǒng)電滲析，酒石酸總生產(chǎn)成本和能耗成本隨電流密度升高都呈上升趨勢；添加樹脂后酒石酸總生產(chǎn)成本和能耗成本均有顯著降低；由于雙極膜價格的昂貴，雙極膜電滲析生產(chǎn)成本普遍高于普通電滲析生產(chǎn)成本。(2)中試規(guī)模下：隨著操作電流升高，酒石酸總生產(chǎn)成本和能耗成本都降低；添加導離子隔板降低了酒石酸生產(chǎn)的能耗費用，由于添加導離子隔板后，酒石酸產(chǎn)量有一定程度降低，總生產(chǎn)成本的降低幅度小于能耗成本降低幅度，在部分操作電流下有小幅度升高；使用國產(chǎn)雙極膜的成本低于德國雙極膜。 5.實驗簡單考查了雙極膜電滲析過程中的污染問題，基本重現(xiàn)了文獻的污染現(xiàn)象。無機污染物污染陽離子交換膜，有機污染物污染陰離子交換膜。以腐殖酸為例，隨著污染物濃度提高和電流強度提高，污染現(xiàn)象加重。 本文研究結果表明，添加離子交換樹脂和導離子隔板，有效降低了雙極膜電滲析生產(chǎn)酒石酸的能耗，毫無疑問這項技術也可以擴展到其他有機酸的生產(chǎn)過程中。