離子交換膜與電滲析

[db:作者] / 2023-02-08 00:00

離子交換膜與電滲析

(1)離子交換膜的分類

①按可交換離子性質(zhì)分類與離子交換樹脂類似，離子交換膜按其可交換離子的性能可分為陽離子交換膜、陰離子交換膜和雙極離子交換膜。這三種膜的可交換離子分別對應(yīng)為陽離子、陰離子和陰陽離子。

②按膜的結(jié)構(gòu)和功能分類按膜的結(jié)構(gòu)與功能可將離子交換膜分為普通離子交換膜、雙極離子交換膜和鑲嵌膜三種。普通離子交換膜一般是均相膜，利用其對一價離子的選擇性滲透進行海水濃縮脫鹽；雙極離子交換膜由陽離子交換層和陰離子交換層復(fù)合組成，主要用于酸或堿的制備；鑲嵌膜由排列整齊的陰、陽離子微區(qū)組成，主要用于高壓滲析進行鹽的濃縮、有機物質(zhì)的分離等。

(2)離子交換膜的工作原理

離子交換膜主要利用其選擇性。陽離子在陽膜中透過性次序為

Li+>Na+>NH4+>K+>Rb+>Cs+>Ag+>Ti+>UO22+>Mg2+>Zn2+>Co2+>Cd2+>Ni2+>Ca2+>Sr2+>Pb2+>Ba2+。陰離子在陰膜中透過性次序為：F->CH3COO->HCOO->Cl->SCN->Br->CrO42->NO3->I->(COO)22-(草酸根)>SO42-。離子交換膜是一種含離子基團的、對溶液里的離子具有選擇透過能力的高分子膜。因為一般在應(yīng)用時主要是利用它的離子選擇透過性，所以也稱為離子選擇透過性膜。離子交換膜可裝配成電滲析器而用于苦咸水的淡化和鹽溶液的濃縮。1950年W朱達首先合成了離子交換膜。1956年首次成功地用于電滲析脫鹽工藝上。

①電滲析在鹽的水溶液(如氯化鈉溶液)中置入陰、陽兩個電極，并施加電場，則溶液中的陽離子將移向陰極，陰離子則移向陽極，這一過程稱為電泳。如果在陰、陽兩電極之間插入一張離子交換膜(陽離子交換膜或陰離子交換膜)，則陽離子或陰離子會選擇性地通過膜，這一過程就稱為電滲析。

電滲析的核心是離子交換膜。在直流電場的作用下，以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來，實現(xiàn)溶液的淡化、濃縮及鈍化；也可通過電滲析實現(xiàn)鹽的電解，制備氯氣和氫氧化鈉等。圖10-28為用于食鹽生產(chǎn)的電滲析器的示意圖。

圖10-28 食鹽生產(chǎn)電滲析器

A-陰離子膜；K-陽離子膜；D-稀室；C-濃室

②膜電解膜電解的基本原理可以通過NaCl水溶液的電解來說明。在兩個電極之間加上一定電壓，則陰極生成氯氣，陽極生成氫氣和氫氧化鈉。陽離子交換膜允許Na+滲透進入陽極室，同時阻攔了氫氧根離子向陰極的運動，在陽極室的反應(yīng)是：

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

在陰極室的反應(yīng)為：

2CI--2e=Cl2

用氟代烴單極或雙極膜制備的電滲析器已成為用于制備氫氧化鈉的主要方法，取代了其他制備氫氧化鈉的方法。

如果在膜的一面涂上一層陰極的催化劑，在另一面涂一層陽極催化在這兩個電極上加上一定的電壓，則可電解水，在陽極產(chǎn)生氫氣，而在陰極產(chǎn)生氧氣。

(3)電滲析技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

自電滲析技術(shù)問世后，其在苦咸水淡化、飲用水及工業(yè)用水制備方面展示了巨大的優(yōu)勢。

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，僅離子交換膜產(chǎn)量就占到了世界的1/3。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)中心生產(chǎn)，現(xiàn)可提供200m3/d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)的高純水制備中扮演重要角色。此外，離子交換膜還大量應(yīng)用于氯堿工業(yè)。全氟磺酸膜(Nafion)以化學(xué)穩(wěn)定性著稱，是目前為止唯一能同時耐40% NaOH和100℃溫度的離子交換膜，因而被廣泛應(yīng)用作食鹽電解制備氯堿的電解池隔膜。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(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苄首罡叩哪茉?，可能成?1世紀(jì)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)子交換膜，并已有燃料電池樣機在運行。但Nafion膜價格昂貴(700美元/m2)，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，以期降低燃料電池的成本。

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