离子交换膜

离子交换膜的研究进展与工业应用摘要:简要介绍了离子交换膜的发展背景及工业应用，主要介绍了均相离子交换膜，也是未来离子交换膜的主要研究发展方向关键词：离子交换膜、发展背景、工业应用、均相离子交换膜1离子交换膜技术1.1离子交换膜的基本概念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。[1]离子交换膜按功能及结构的不同，可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜、两性交换膜、镶嵌离子交换膜、聚电解质复合物膜五种类型。离子交换膜的构造和离子交换树脂相同，但为膜的形式。根据膜体结构(或按制造工艺)的不同，离子交换膜分为异相膜、均相膜和半均相膜三种。无论是均相膜还是非均相膜，在空气中都会失水干燥而变脆或破裂，故必须保存在水中[2]。1.2离子交换膜的原理[3]和粒状离子交换树脂一样，离子交换膜中的功能团在水溶液中会发生离解，产生阳(或阴)离子进入周围的溶液，致使膜带有负(或正)电荷，为保持电性中和，膜就会吸引外部溶液中的阳(或阴)离子，通过膜的离解和吸引作用全过程，使得外部溶液中的阳(或阴)离子从膜的一侧选择透过到另一侧，而不会或很少使溶液中与膜带同性电荷的离子透过。如果使用阴离子交换膜，因为膜孔骨架上的正电基构成强烈的正电场，就使得只准阴离子透过，而阳离子不会透过。同时，阳极区产生的H+不能进入阴极区。对于溶液中各种不同的反电离子(OH-；S042-)来说，由于它们在膜中的扩散系数各不相同(例如水合离子半径不同)，以及膜中空隙筛过离子的能力不同，因此，采用离子交换膜能够进行分离，正是利用这种选择透过性。从以上膜的工作原理看，外部溶液与膜之间的离子传递，并不是真正的离子交换，而是选择渗析，这两者的工作原理差别很大。粒状离子交换树脂在使用上需要分为吸附一淋洗(解吸)一再生等步骤。而离子交换膜不需再生等步骤，可以连续作用，同时，两者在工业上的使用范围也有很大的不同，前者主要用于富集和分离相似元素，后者主要用于渗析、电渗析和作为电解过程的隔膜等。1.3离子交换膜的发展背景Juda[1]在1949年发明了离子交换膜，并于1950年成功地研制了第一张具有商业用途的离子交换膜，1956年首次成功地用于电渗析脱盐工艺上[4]。从此离子交换膜成为一个新的技术领域受到日本及欧美等国的充分重视。50余年来，在应用过程中对离子交换膜做了很多改进，从初期性能差的非均相发展到适合于工业生产的、性能较好的均相离子交换膜，从单一电渗析水处理用膜发展到扩散渗析用膜、离子选择透过性膜和抗污染用膜．应用方面除了通常的电渗析外，还拓展到电解、渗透蒸发、质子燃料电池及其电渗析为基础的过程集成[6]。我国离子交换膜的研制始于20世纪60年代，当时研制的是非均相膜，主要用于苦咸水和海水电渗析脱盐制备饮用水[7]。20世纪70年代初，我国研制出了均相离子交换膜，随后又研制出了多种性能优良的均相阴、阳离子交换膜。但均相离子交换膜的真正投入生产和实际应用很少，仅有核工业北京化工冶金研究院研制的涂浆法均相阴、阳离子交换膜在同位素分离、废水处理、直接从矿石中提取金属、酸碱制备等领域得到了实际应用。目前，离子交换膜不但被用于海水和苦咸水电渗析脱盐制备饮用水、电渗析海水浓缩制盐，而且被应用作电解设备的隔膜，离子交换膜是电渗析设备和电解设备的关键部件。图1给出了离子交换膜的主要需求领域．可以看出离子交换膜在解决水和能源危机、环境保护和清洁化工生产等领域中有重要作用，以下简单加以说明．图12离子交换膜的研究2.1均相离子交换膜的研究进展阳离子交换膜活性基团主要有[8]；磺酸基、羧基、磷酸基、亚膦酸、酚基、砷酸基和硒酸基，其中磺酸基是强酸性离子交换膜，用途最广泛，研究得也较多。若活性基团与骨架与化学价相连，称为阳离子交换膜，反之称为异相离子交换膜，唯前者有很好的电性能、传递性能和分离选择性，因此引起了极大的关注。均相离子膜的开发是离子交换膜发展的一个必然趋势。目前均相膜制备主要采用两种方式[9]：一是从单体出发，通过交联聚合、切削、功能基化等过程制备，最常用的单体是苯乙烯和二乙烯基苯；另一种是从聚合物开始，通过溶解、浸涂、功能基化等过程制备，过程得到了一定的简化，通常的聚合物有聚砜、聚醚砜(酮)、聚苯醚等．相对来说，后一种方法较为简练，通过对聚合物改性成膜或者成膜后改性可以获得多种均相阴(阳)离子交换膜。2.2有机阴离子交换膜阴离子交换膜一般由3部分组成[10]：高分子基体、荷正电的活性基团以及活性基团上可移动的阴离子(反离子)。就膜材料而言，发展最早的是有机膜，因为其具有柔韧性好、成膜性能好等优点，并且因为其种类多而获得大规模的开发和应用。但是有机膜也有其自身难以克服的缺点，例如：机械强度不好，化学稳定性差，不耐酸碱、高温和有机溶剂以及容易积垢堵塞、不易清洗。因而有机膜的应用在一定程度上受到了限制。但是使有机膜有无机膜的性质引起了人们的极大兴趣。有机阴离子交换膜最常见的制备方法有两种[11]：一是从单体出发，通过聚合成基膜然后功能基化，一个典型的例子是以苯乙烯和二乙烯苯的共聚物为基膜，然后进行氯甲基化、季胺化反应；另一种是以聚合物为基材，通过相转化的方法制备基膜，随后的过程相同，如通过对聚砜进行氯甲基化和季胺化可得阴离子交换膜。为了增加阴离子交换膜的品种，有时也为了达到特定目的，人们更关注的是对上述传统方法制备的阴离子交换膜进行各种各样的修饰与改性，例如改变阴离子交换膜的选择性，致密性，亲水性或者使膜具有热敏或光敏等特殊性能。3.结论我国虽然离子交换膜产量大，但品种单一，目前市场上95％以上是普通异相离子交换膜，在膜的性能上与日本、美国的差距越来越大。因此开发新型离子交换膜是电膜过程的重中之重的问题。同其他膜过程一样，离子交换膜的开发要从两条路线出发，一是对现有技术的改进，二是寻找新的成膜方法和新膜材料．均相离子膜的开发是电膜过程的一个必然趋势．在均相膜的开发中膜组件构型的创新也是一种发展趋势，在应用方面的一个发展趋势是从水体系向非水体系发展，目前很多体系如有机酸体系，它们在水中的溶解度不高，要实现离子交换膜的应用，必需使用水体系或者水一溶剂混合体系．还有一些醇盐参与的缩合反应也都是非水体系，目前这方面无论是在国内或者在国外，研究都比较少，主要是在应用本身以外，还要解决介质的电导问题、膜和组件的耐溶剂化等一系列问题，是未来研究的主要方向。参考文献：[1]徐铜文，黄川徽。离子交换膜技术及其应用[M]．北京：化学工业出版社。2008．[2]葛道才均相离子交换膜在我国若干工业领域的应用[期刊论文]-膜科学与技术2003(04)[3]魏荣卿，王强，高展，刘晓宁一种新型季铵型强碱性阴离子交换树脂的合成[会议论文]2004[4]王伟红;邢家悟离子交换膜技术在氯碱行业的应用与发展[期刊论文]-膜科学与技术2002(06)[5]董觉.CHENQi-yuan.尹周澜离子膜电解铝酸钠溶液制备超细氢氧化铝[期刊论文]-中国有色金属学报2008(7)[6]梁成.陈启元.李洁.尹周澜硅在铝酸钠溶液分解过程中的行为[期刊论文]-有色金属（冶炼部分）2007(5)[7]曾青兰.李晓宏离子交换膜技术及其应用[期刊论文]-科技资讯2010(4)[8]郎万中.许振良全氟磺酸离子膜的结构与应用研究进展[期刊论文]-膜科学与技术2005(6)[9]NematNasserSMicromechanicsofactuationofionicpolymet-metalcomposites[外文期刊]2002(05)[10]GottesfeldS,PaffordJ.J.Electrochem.Soc.,2006,135:2651[11]Rohm，HaasCoElectrolylticconvertionwithpermselectivemembrames2007