离子交换膜与电渗析

(1)离子交换膜的分类

①按可交换离子性质分类与离子交换树脂类似，离子交换膜按其可交换离子的性能可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极离子交换膜。这三种膜的可交换离子分别对应为阳离子、阴离子和阴阳离子。

②按膜的结构和功能分类按膜的结构与功能可将离子交换膜分为普通离子交换膜、双极离子交换膜和镶嵌膜三种。普通离子交换膜一般是均相膜，利用其对一价离子的选择性渗透进行海水浓缩脱盐；双极离子交换膜由阳离子交换层和阴离子交换层复合组成，主要用于酸或碱的制备；镶嵌膜由排列整齐的阴、阳离子微区组成，主要用于高压渗析进行盐的浓缩、有机物质的分离等。

(2)离子交换膜的工作原理

离子交换膜主要利用其选择性。阳离子在阳膜中透过性次序为

Li+>Na+>NH4+>K+>Rb+>Cs+>Ag+>Ti+>UO22+>Mg2+>Zn2+>Co2+>Cd2+>Ni2+>Ca2+>Sr2+>Pb2+>Ba2+。阴离子在阴膜中透过性次序为：F->CH3COO->HCOO->Cl->SCN->Br->CrO42->NO3->I->(COO)22-(草酸根)>SO42-。离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。因为一般在应用时主要是利用它的离子选择透过性，所以也称为离子选择透过性膜。离子交换膜可装配成电渗析器而用于苦咸水的淡化和盐溶液的浓缩。1950年W朱达首先合成了离子交换膜。1956年首次成功地用于电渗析脱盐工艺上。

①电渗析在盐的水溶液(如氯化钠溶液)中置入阴、阳两个电极，并施加电场，则溶液中的阳离子将移向阴极，阴离子则移向阳极，这一过程称为电泳。如果在阴、阳两电极之间插入一张离子交换膜(阳离子交换膜或阴离子交换膜)，则阳离子或阴离子会选择性地通过膜，这一过程就称为电渗析。

电渗析的核心是离子交换膜。在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，实现溶液的淡化、浓缩及钝化；也可通过电渗析实现盐的电解，制备氯气和氢氧化钠等。图10-28为用于食盐生产的电渗析器的示意图。

图10-28 食盐生产电渗析器
A-阴离子膜；K-阳离子膜；D-稀室；C-浓室

②膜电解膜电解的基本原理可以通过NaCl水溶液的电解来说明。在两个电极之间加上一定电压，则阴极生成氯气，阳极生成氢气和氢氧化钠。阳离子交换膜允许Na+渗透进入阳极室，同时阻拦了氢氧根离子向阴极的运动，在阳极室的反应是：

2Na++2H2O+2e=2NaOH+H2

在阴极室的反应为：

2CI--2e=Cl2

用氟代烃单极或双极膜制备的电渗析器已成为用于制备氢氧化钠的主要方法，取代了其他制备氢氧化钠的方法。

如果在膜的一面涂上一层阴极的催化剂，在另一面涂一层阳极催化在这两个电极上加上一定的电压，则可电解水，在阳极产生氢气，而在阴极产生氧气。

(3)电渗析技术应用领域

自电渗析技术问世后，其在苦咸水淡化、饮用水及工业用水制备方面展示了巨大的优势。

随着电渗析理论和技术研究的深入，我国在电渗析主要装置部件及结构方面都有巨大的创新，仅离子交换膜产量就占到了世界的1/3。我国的电渗析装置主要由国家海洋局杭州水处理技术开发中心生产，现可提供200m3/d规模的海水淡化装置。

电渗析技术在食品工业、化工及工业废水的处理方面也发挥着重要的作用。特别是与反渗透、纳滤等精过滤技术的结合，在电子、制药等行业的高纯水制备中扮演重要角色。此外，离子交换膜还大量应用于氯碱工业。全氟磺酸膜(Nafion)以化学稳定性著称，是目前为止唯一能同时耐40% NaOH和100℃温度的离子交换膜，因而被广泛应用作食盐电解制备氯碱的电解池隔膜。全氟磺酸膜还可用作燃料电池的重要部件。燃料电池是将化学能转变为电能效率最高的能源，可能成为21世纪的主要能源方式之一。经多年研制，Nafion膜已被证明是氢氧燃料电池的实用性质子交换膜，并已有燃料电池样机在运行。但Nafion膜价格昂贵(700美元/m2)，故近年来正在加速开发磺化芳杂环高分子膜，用于氢氧燃料电池的研究，以期降低燃料电池的成本。

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