8第七章离子交换膜全解
离子交换膜
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
高的离子传导率 低的燃料渗透率 良好的机械性能 良好的热稳定性和水解稳定性 良好的电化学稳定性 良好的尺寸稳定性 容易制备成MEA 题
PEM存在的主要 问题 高温低湿质子传 导率低
AEM存在的主要 问题
甲醇渗透严重
离子传导
电解过程的分割介质 扩散渗析 加压渗析、热渗析 电池 燃料电池 渗透汽化 亲水性 去湿 传感器 促进传递 固定载体 修饰电极
离子交换膜发展时间线
60年代质子交换膜燃 料电池PEMFC出现并 应用于航天 新型离子膜过程 ED的集成杂化过程 离子膜的大量工业 应用 杂化离子交换膜
倒极电渗析EDR 商业离子交换 电去离子EDI Donnan电势的 Nafion膜 膜和电渗析器 提出 Bacon首次制备两 氯碱电极 出现 第一个电膜过 性离子膜和镶嵌 膜 程 膜 双极膜
丰田公司PEMFC汽 车Mirai上市
1890
1911
1925
1932
1940
1950
1962
1970
1978
1988-2002
2010
2014
电膜的首次工 业应用 首次制备离子 膜 电渗析首次应用 于海水制盐 全球最大的质子 交换膜燃料电池 示范站落户华南 理工大学
离子交换膜燃料电池
应用于燃料电池的离子交换膜应该具备的性质
A B C
跳跃机理 运载机理 表面机理
• Kreuer K D. Ion conducting membranes for fuel cells and other electrochemical devices[J]. Chemistry of Materials, 2013, 26(1): 361-380. • He G, Li Y, Li Z, et al. Journal of Power Sources, 2014, 248: 951-961. • Park C H, Lee S Y, Hwang D S, et al. Nanocrack-regulated self-humidifying membranes[J]. Nature, 2016, 532(7600): 480-483.
离子交换膜
网状聚合物
DVB 二乙烯基苯
兴趣延伸：
同样是苯乙烯、二乙烯基苯单体， 采用阴离子聚合制备星形结构的聚合物。
活性阴离子聚合制备嵌段星形共聚物
季铵型阴离子交换膜化学结构
该离子交换膜是阴离子交换膜 还是阳离子交换膜？
电渗析淡化海水原理
离子交换膜的生产方法： （主要针对均相膜和半均相膜） 1，含浸法：以聚偏氯乙烯为基膜，浸在苯乙烯、
离子交换树脂
离子交换膜
化学组成相同，形状不同 应用 应用
树脂上的离子 与溶液中离子交换
电场作用下对溶液中 的离子进行选择性透过
磺酸型阳离子交换膜结构示意图
离子交换膜基体： 苯乙烯-二乙烯基苯共聚物
固定基团：SO3解离离子：Na+
选择性通过阳离子 不通过阴离子
如何制备离子交换膜的基体？用什么方法？
电渗析膜在其他方面的应用：
1. 环境保护：放射性污染饮用水的净化，电镀废水的处 理 2. 产品纯化：海带中提取甘露醇，果汁中提取柠檬酸， 从牛奶中脱除过量的无机盐，无盐酱油的生产等
电解食盐
2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2+H2
传统的氯碱工业生产方法
1、隔膜法（又叫石墨阳极法）
使用历史久，目前仍在广泛使用。能耗大，阳极石墨损耗快，一般只能使用6-8 个月，并且阳极产生的石墨碎屑严重影响石棉隔膜的使用寿命，石棉隔膜寿命只 有7-8个月。
二乙烯基苯单体中聚合，再引入固定基团。 2，流延法：聚合物溶解在有机溶剂中，处理 后的浆液流延成膜。 3，浸胶法：增强用的网布浸渍在聚合物胶浆 中之后，挥发掉溶剂成膜。 4，刮浆法（主要方法，大型连续）：可溶聚合 物溶解或分散在单体和交联剂中，调制成糊状， 刮涂在增强网布上，聚合得基膜，再通过化学 反应引入离子交换基团。
功能高分子化学离子交换膜与分离膜概述
• 脱盐或纯化
• 水解
• 浓缩或分离
• 复分解
• 置换
• 电解、氧化、还原以及电化合成
2020/11/26
功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
11
2020/11/26
功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
12
电渗析器，异相离子交换膜引自2020/11/26功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
N a+ S O 3-N a+
C lS O 3-N a+
N a+
N a+
C lN a+
磺 酸 型 阳 膜 在 N aC l稀 溶 液 中 平 衡 示 意 图 R SO - 固 定 基 团 ； Na+ 解 离 子
功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
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图例7
2020/11/26
N a+
苯 乙 烯 -二 乙 烯 基 苯 共 聚 物 N a+
_ 3
+
S
O
_ 3
+
磺酸型阳离子交换膜的膜体结构示意图 R SO2 固 定 基 团 ； + 解 离 离 子
功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
5
图例4
2020/11/26
磺 酸 型 阳 离 子 交 换 膜 曲 折 通 道 示 意 图
R S O 2 固 定 基 团 ；+ 解 离 离 子
功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
C l-
C O 3-N a+
C l-
C l-
S O 3-N a+
N a+
C l-
C l-
离子交换膜法生产工艺技术—离子交换膜法电解工艺技术
膜法除硝
具备以下特点和优势：
（1）硫酸根的去除是一个物理过程。 （2）可以使用全自动化工艺控制，比较方便。 （3）处理成本相对较低。 （4）全过程没有污染物的产生，完全符合目前国家产业政策。 （5）消除了任何其它因化学处理过程可能带入系统的不明杂 质离子对离子膜的污染，对离子膜的稳定运行具有重要的保证 作用。
阴
ClH2O
Na+
OH -极
OH OH -
离子膜碱 32-33％
精盐水 >300g/l
12
软水
电极反应式如下： 阳极： 2Cl- － 2e →Cl2↑ 阴极： 2H+ ＋2e → H2↑ ；
电解过程总的反应式如下：
通电
总反应：2NaCl + 2H2O = 2NaOH + H2↑ + Cl2↑
13
电解原理图还给我们释放以下信息： 1. 离子交换膜法电解技术可以直接获得32%左右的 NaOH产品；
4
5
（2）螯合树脂法二次精制原理
反应式如下：
吸附前的状态 结构更像张开的螯钳
吸附后的状态 变成了闭合的环状螯合物
6
（3）螯合树脂的再生
反应式如下：
通过上面的反应式，将钙（镁）型树脂转变成氢型树脂
通过这个反应式，氢型树脂转变7 成钠型树脂，恢复到初始状态。
（4）影响精制的主要因素
4.1 盐水的pH值 pH值的选择取决于选用的具体树脂种类、要求，以及树脂塔 出口钙镁含量的测定结果。
OH-则与从阳极透过离子膜过来的Na+，结合生成NaOH溶 液由阴极室流出，部分循环，大部分进入烧碱储罐。
18
阳极：饱和食盐水预热到规定温度后，送入电解槽 的阳极室, 在阳极表面Cl－放电生成Cl2，汇入氯气入总 管，输送到后续处理。
纤维素离子交换膜
纤维素离子交换膜纤维素离子交换膜，又称离子交换纤维素膜或离子交换膜，是一种常见的离子交换材料。
它们由基质物质（纤维素）和交换基（阴、阳离子）组成，可将阴、阳离子通过膜的交换基吸附固定，从而实现离子交换的目的。
下面将从不同的角度来介绍纤维素离子交换膜：1. 材料结构纤维素离子交换膜的结构可以分为二元和三元交换基，其中二元交换基是阴离子基和阳离子基的简单组合，而三元交换基则是在二元基的基础上加入一种难离解的离子基，使得交换膜的稳定性更高。
此外，纤维素离子交换膜的孔径大小、孔隙度、膜厚度等参数也会影响膜的性能。
2. 应用领域纤维素离子交换膜广泛应用于电化学、生物技术、化学分析、环境工程等领域。
比如，在电化学领域，纤维素离子交换膜可用于固态电池、电解电容等电化学器件中，起到离子选择性传递的作用；在生物技术领域，纤维素离子交换膜可用于蛋白质分离、DNA分离等分子生物学实验中，可以快速、准确地分离出目标分子；在环境工程领域，纤维素离子交换膜可用于污水处理、饮用水净化等方面，起到去除有害离子、改善水质的作用。
3. 制备方法纤维素离子交换膜的制备方法有离子交换、浸渍法、电化学法等。
其中，离子交换法是最常用的方法之一，它是将阴、阳离子交换颗粒物直接填充在纤维素基质中，形成阴、阳离子交换膜；浸渍法则是使用离子交换颗粒物浸渍在纤维素基质上，形成阴、阳离子交换层；电化学法则是通过电化学还原将金属离子沉淀到纤维素膜上，并形成交换膜。
4. 环保性能纤维素离子交换膜具有良好的环保性能，其主要原因在于交换基、基质都来自于天然、可再生的纤维素材料。
同时，纤维素离子交换膜的制备过程中不需要使用有毒等有害材料，生产废水也可以通过简单的处理后直接排放，不会对环境造成污染。
总之，作为一种重要的离子交换材料，纤维素离子交换膜在各个领域都扮演着重要的角色。
经过不断的研究和开发，相信它的性能和应用领域将会不断扩大和完善。
离子交换膜电池-高二化学(人教版2019选择性必修1)
可通过离子交换膜,而两端隔室
中离子被阻挡不能进入中间隔室。下列叙述
正确的是(
)
B
A. 通电后中间隔室的−
向正极区迁移,正极区溶液增大
B. 该法在处理含 废水时可以得到和 产品
C. 负极区的电极反应为 − − = ↑ + + , 负极区溶液减小
其中a、b均为石墨电极。
左侧：为“稀→浓”的溶液区，则右侧的K＋通过K＋交换膜移向左
侧，a极为阴极，电极反应为2H2O＋2e － ===2OH － ＋H2↑，产生的
OH－结合移入的K＋生成KOH。
右侧：b极为阳极，电极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，促使溶
+ ⇌ − ＋H O正向进行，生成K Cr O 。
收液中含有�� 和 。阳极的电极反应式为______________。
电解后,_____室的
浓度增大。将该室溶液进行结晶脱水,可得到
。
[解析] 由题图可知,
阳极: − − = + + ↑ ,
阴极: + − = − + ↑, + 通过
交换膜上有很多微孔，“孔道”上有许多
带负电荷的基团，阳离子可以自由通过
“孔道”，由浓度大的区域向浓度小的区
域移动。阴离子移动到“孔道”处，受到
“孔道”带负电荷基团的排斥而不能进入“孔道”中，因而不能通过
交换膜。这就是“选择性”透过的原因。其构造与工作示意图如图所
示：阴离子交换膜的构造和工作原理与此相同，只不过是“孔道”中
－4e－===O2↑＋4H＋，生成H＋。
离子移动方向：H＋通过阳离子交换膜从左侧移向右侧。
离子交换膜工作原理
离子交换树脂的用途很广，主要用于分离和提纯。例如用于硬水软化和制取去离子水、回收工业废水中的金属、分离稀有金属和贵金属（R—SO3）2Ca＋2H+
这也是硬水软化的原理。
阴离子交换树脂含有季胺基[-N（CH3）3OH]、胺基（—NH2）或亚胺基（—NH2）等碱性基团。它们在水中能生成OH-离子，可与各种阴离子起交换作用，其交换原理为
R—N（CH3）3OH＋Cl- R—N（CH3）3Cl＋OH-
离子交换树脂是一类具有离子交换功能的高分子材料。在溶液中它能将本身的离子与溶液中的同号离子进行交换。按交换基团性质的不同，离子交换树脂可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两类。
阳离子交换树脂大都含有磺酸基（—SO3H）、羧基（—COOH）或苯酚基（—C6H4OH）等酸性基团，其中的氢离子能与溶液中的金属离子或其他阳离子进行交换。例如苯乙烯和二乙烯苯的高聚物经磺化处理得到强酸性阳离子交换树脂，其结构式可简单表示为R—SO3H，式中R代表树脂母体，其交换原理为
离子交换膜的运算ppt课件
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8
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①电源的负极为 （填“A”或“B”）.
②阳极室中发生的反应依次为
、
。
③电解结束后，阴极室溶液的pH与电解前相比将 ；若
两极共收集到气体13.44L（标准状况），则除去的尿素为
g（忽略气体的溶解）.
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6
①B②2Cl﹣﹣2e﹣═Cl2↑， CO（NH2）2+3Cl2+H2O═N2+CO2+6HCl ③ 不变，7.2
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1
2010重庆 全钒液流储能电池是 利用不同价态离子对的氧化还 原反应来实现化学能和电能相 互转化的装置，其原理如下图 所示。
（3）当左槽溶液颜色逐渐由黄
变蓝，其电极反应式为____。
（4）充电过程中，右槽溶液颜
色逐渐由____色变为____色。
（5）放电过程中氢离子的作用
是___和___；充电时若转移的ppt课件完整
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7
2014福建
某原电池装置如图所示，电池总反应为
2Ag＋Cl2＝2AgCl。下列说法正确的是
A．正极反应为AgCl ＋e－＝Ag ＋Cl－
B．放电时，交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成
C．若用NaCl溶液代替盐酸，则电池总反应随之改变
D．当电路中转移0.01 mol e－时，交换膜左侧溶液中约减少0.02 mol离子
已知Ksp(BaSO4)＝1.0×10－10 ，Ksp(BaCO3)＝ 2.5×10－9 。若用10 L Na2CO3溶液溶解1.0 mol的 BaSO4，则Na2CO3溶液的最初浓度不得低于( )
离子交换膜法电解技术
离子交换膜法电解技术
嘿，朋友们！今天咱来聊聊离子交换膜法电解技术，这可真是个神奇又厉害的玩意儿呢！
你想想看，就好像有一条特别的通道，能让一些离子乖乖地按照我们的想法跑来跑去。
离子交换膜就像是一个超级严格的守卫，只让特定的离子通过，把其他的都挡在外面。
这多有意思呀！
比如说在氯碱工业中，这个技术可就大显身手啦。
通过离子交换膜，钠离子能顺利地跑到一边，氯离子就被隔开啦。
这就好像是在一个大派对里，我们只让喜欢的人进入特定区域，其他人就只能在外面干瞪眼。
而且啊，离子交换膜法电解技术还特别高效呢！它能快速地让离子们完成它们的“旅程”，为我们生产出需要的东西。
这可比那些慢吞吞的方法厉害多了吧！
它的应用可不止在氯碱工业哦。
在其他很多领域也都能看到它的身影呢。
就好像一个全能选手，哪里需要它，它就立刻出现，发挥作用。
离子交换膜本身也有很多种类呢，就像不同口味的糖果。
有适合这种情况的，有适合那种情况的，得根据具体的需求来选择。
这可不是随随便便就能决定的哟！
你说，如果没有离子交换膜法电解技术，我们的生活得少了多少好用的东西呀？那些化工产品、清洁用品等等，说不定都没那么容易得到呢。
这技术就像是一个隐藏在幕后的英雄，默默地为我们的生活做出贡献，却常常不被大家注意到。
但我们可不能忽略它的重要性呀！
总之呢，离子交换膜法电解技术真的是超级棒的！它让我们的生活变得更加丰富多彩，更加便利。
我们真应该好好感谢那些研究和发展这项技术的人呢，不是吗？。
高三化学二轮复习 各种离子交换膜 课件
K＋
由a到b
【典例3】（2022全国乙卷·6）Li－O2电池比能量高，在汽车、航天等领域具有良好的应用前景。近年来科学家研究了一种光照充电Li－O2电池（如图所示）。光照时，光催化电极产生电子(e－)和空穴(h＋)，驱动阴极反应( Li＋＋ e－＝ Li)和阳极反应(Li2O2＋2h＋＝2Li＋＋O2)对电池进行充电。下列叙述错误的是（ ）
阳极：放氧生酸
阴极：放氢生碱
稀NaOH
较浓H2SO4
电解Na2SO3得到NaOH，H2SO4
类型：分化型电解:盐→酸、碱
3-各类离子交换膜详解
单阳膜
（2）不允许阴离子通过进入阳极区，防止阳极产物与阴离子反应
（1）只允许阳离子通过
【典例1】(2020·浙江1月选考，18)在氯碱工业中，离子交换膜法电解饱和食盐水如图，下列说法不正确的是（ ）
A
正极 负极
MnO2 +2e- +4H+ = Mn2+ +2H2O， 消耗H+，则SO42-应该迁移出去；
Zn -2e- +4OH- = Zn(OH)42-，消耗OH-，则K+应该迁移出去；
离子运动方向：正正负负
只能做阴极，不被氧化
2H2O－4e－ = O2↑＋4H＋
2H2O+ 2e－ = H2↑＋2OH-
H＋+HCO3- = C O2↑＋H2O
✔
✖
✔
✔
无CO32-
1mol的C2H4转移12mol电子
B
铂为阳极
阴阳双模
（2）隔绝阴阳离子使之不发生反应，酸碱性分化更强
离子交换膜说课稿
离子交换膜说课稿一、说教材本文《离子交换膜》在现代化学工业中具有重要的作用和地位。
它主要介绍了离子交换膜的定义、分类、原理和应用等方面内容，是化学工艺和材料科学领域的基础知识。
通过学习本节课，学生可以了解到离子交换膜在电解、离子分离等过程中的关键作用，为后续相关课程的学习打下基础。
本文在课文中的作用主要有以下几点：1. 介绍离子交换膜的基本概念，使学生了解其定义、分类和原理。
2. 阐述离子交换膜的应用领域，让学生认识到其在实际工业生产中的重要性。
3. 分析离子交换膜的优缺点，引导学生关注其在实际应用中的局限性。
4. 提供实验操作案例，培养学生的实践操作能力和观察分析能力。
主要内容如下：1. 离子交换膜的定义及分类。
2. 离子交换膜的原理及制备方法。
3. 离子交换膜在电解、离子分离等过程中的应用。
4. 离子交换膜的优缺点及发展趋势。
二、说教学目标学习本课需要达到以下教学目标：1. 知识与技能：（1）理解离子交换膜的定义、分类和原理。
（2）掌握离子交换膜在电解、离子分离等过程中的应用。
（3）了解离子交换膜的优缺点及发展趋势。
2. 过程与方法：（1）通过观察实验现象，培养学生的问题发现和解决能力。
（2）通过小组讨论，培养学生的合作交流能力。
（3）通过分析离子交换膜的优缺点，提高学生的批判性思维能力。
3. 情感态度与价值观：（1）激发学生对化学工业和材料科学的兴趣。
（2）培养学生关注环保和资源利用的意识。
三、说教学重难点1. 教学重点：（1）离子交换膜的定义、分类和原理。
（2）离子交换膜的应用领域。
（3）离子交换膜的优缺点及发展趋势。
2. 教学难点：（1）离子交换膜的原理及其在电解、离子分离过程中的作用。
（2）离子交换膜的优缺点分析。
在教学中，要注意对重点内容的详细讲解，对难点内容进行逐步引导，帮助学生理解和掌握。
同时，结合实验和案例，提高学生的学习兴趣和实践操作能力。
四、说教法为了使学生更好地理解和掌握离子交换膜的相关知识，我采用了以下几种教学方法，并在教学中突出了自己与其他教法的不同之处。
离子交换膜
离子交换膜-CAL-FENGHAL-(YICAI)-Company One 1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。
⑴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121。
[•2离子交换膜的原理⑶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，阳极区产生的茁不能进入阴极区。
对于溶液中各种不同的反电离子（0H-； SO产）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。
第七章离子交换膜
电渗析浓缩海水蒸发结晶制备食盐，不受地理气候限制， 易于自动化和工业化
? 废水处理 ? 脱除有机物中的盐分
目前，电渗析在废水处理实践中应用最普遍的有：
⑴ 造纸工业废水处理，利用电渗析法处理造纸工业的亚硫酸纸 浆废液和洗浆废水及碱法造纸黑液，从中回收化学药品，已 得到工业应用。
第五节 电渗析器
一、电渗析器的主要结构 电渗析器由膜堆、极区和压紧装置三部分组成 常用基本术语包括膜对、级、段等 膜对：由阳膜、浓（或淡）水室隔板、阴膜、淡（浓）
水室隔板交替排列成浓水室和淡水室，最小电渗析工 作单元 膜堆由一系列膜对组成，位于电渗析器的中部。 极区由托板、电极、极框和弹性垫板组成 压紧装置由盖板和螺杆组成，其作用是将极区和膜堆组 成不漏水的电渗析器整体
的，哪些是非正常的？ ? 电渗析过程中离子交换膜起什么作用？阳膜和阴膜各带什么
电荷，它们有什么特点？ ? 电渗析过程发生的两个基本条件 ? 离子交换膜为什么具有选择透过性？它的主要性能有哪些？ ? 电渗析器的主要结构，膜对、膜堆以及段和级的含义，它有
哪些性能指标？ ? 双极膜的特点 ? 电渗析的应用主要是水的纯化和脱盐
按照离子交换膜的主体组分可分为均相膜和异相膜
均相膜中各成分以分子状态均匀分布，不存在相界面 异相膜是通过胶黏剂把粉状树脂制成片状膜，存在相界面
1.异相膜（压延和模压，溶液型胶黏剂，离子型交换树脂） 2.半均相膜（胶黏剂吸浸单体后聚合制备树脂，均匀分散） 3.均相膜（直接薄膜化，制备基膜后引入离子交换基团或者
能使离子透过的细孔
? 常用的离子交换膜按其选择透过性可分为阳离子交换 膜、阴离子交换膜 、特殊离子交换膜 三大类
? 阳膜含有酸性活性基团，解离出阳离子，使膜呈负电 性，选择性透过阳离子
离子交换膜简介
离子交换膜主要的材料种类
聚乙烯均相阴阳膜 聚苯醚均相阳膜 聚砜型均相阴膜 聚氟乙烯-多胺型阴膜 偏氟乙烯阳膜 甲基丙烯酸均相阳膜 聚三氟氯乙烯阳膜
离子交换膜的制备
离子交换膜的制备主要包括以下三个步骤：制 备基膜，引进交联结构和引入功能基团。制膜 的途径主要有以下三种：
（1）先成膜后导入活性基团 （2）先导入活性基团再成膜 （3）成膜与导入活性基团同时进行
离子选择性电极
离子选择性电极是一类利用膜电势测定溶液中 离子的活度或浓度的电化学传感器，当它和含 待测离子的溶液接触时，在它的敏感膜和溶液 的相界面上产生与该离子活度直接有关的膜电 势。电极膜对特定的离子具有选择性响应，电 极膜的电位与待测离子含量之间的关系符合能 斯特公式。这类电极由于具有选择性好、平衡 时间短的特点，是电位分析法用得最多的指示 电极。
原理
离子子交换膜可以看作是一种高分子电解质, 他的高分子母体是不溶解的,而连接在母体上 的带电基团带有电荷和可解离离子相互吸引着, 他们具有亲水性。例如，由于阳膜带负电荷, 虽然原来的解离阳离子受水分子作用解离到水 中,但在膜外我们通电通过电场作用,带有正电 荷的阳离子就可以通过阳膜,而阴离子因为同 性排斥而不能通过,所以具有选择透过性。
离子交换膜主要用途
电渗析 燃料电池隔膜 离子选择性电极
电渗析
利用离子交换膜来分离不同的溶质离子。在电场作 用下溶液中的带电的溶质离子通过膜而迁移的现象 称为电渗析。利用电渗析进行提纯和分离物质的技 术称为电渗析法，最初用于海水淡化，现在广泛用 于化工、轻工、冶金、造纸、医药工业，环保中。
电渗析法应用
水的淡化除盐、海水浓缩制盐 精制乳制品 果汁脱酸精和提纯 制取化工产品 电子、医药等工业制取高纯水的前处理 锅炉给水的初级软化脱盐。 从含金属离子的废水中分离和浓缩金属离子
异相离子交换膜
异相离子交换膜离子交换膜是具有离子交换性能的、由高分子材料制成的薄膜（也有无机离子交换股，但其使用尚不普通）。
它与离子交换树脂相似，都是在高分子骨架上连接一个活性基团，但作用机理和方式、效果都有不同之处。
一、离子交换膜作用机理和方式、效果不同之处异相离子交换膜是由含有一种提供电化学性能的离子交换树脂的复合物和提供额外性能和稳定性的无机物制成。
异相离子交换膜的优越性在于易于制造并可被方便地化学修饰，原因在于在不用显著改变制造方法就能够变化无机物和树脂类型以及含量，得到了广泛的应用。
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。
电渗析装置的淡化程度可达一次蒸馏水纯度。
也可应用于甘油、聚乙二醇的除盐，分离各种离子与放射性元素、同位素，分级分离氨基酸等。
此外，在有机和无机化合物的纯化、原子能工业中放射性废液的处理与核燃料的制备，以及燃料电池隔膜与离子选择性电极中，也都采用离子交换膜。
离子交换膜在膜技术领域中占有重要的地位，它对仿生膜研究也将起重要作用。
1、选择透过性强。
选择透过性是衡量膜性能的主要指标，它直接影响电渗析器的电流效率和脱盐效果，其选择透过性大于85%。
2、膜电阻小。
电渗析器由几百对离子交换膜组成，因此膜电阻在总电阻中占很大比重，如电阻小则操作电压低、电流效率高。
3、较强的化学稳定性。
在阴阳离子迁移的过程中，浓水室会形成浓度较大的离子溶液；在发生极化时，膜两侧滞留层PH值也要发生变化，特别是极水参加化学反应会产生氧化性强的氧气和氯气，这样就必须要求膜具有较强的化学稳定性以延长电渗析器的使用寿命。
4、较强的机械强度和尺寸稳定性。
5、较低的扩散性能。
6、对强电解质具有很高的脱除效果。
离子交换膜的分类及组成
离子交换膜的分类及组成一、离子交换膜的分类离子交换膜是电渗析器的核心部件，是一种膜状的离子交换树脂。
但必须指出，在电渗析中使用的离子交换膜，实际上并不是起离子交换作用，而是起离子选择透过作用，更确切地应称为离子选择性透过膜。
由阳离子交换材料组成的膜含有酸性活性基团，可解离出阳离子，它对阳离子具有选择透过性，称为阳离子交换膜，简称为阳膜；由阴离子交换材料组成的膜含有碱性活性基团，可解离出阴离子，它对阴离子具有选择透过性，称为阴离子交换膜，简称为阴膜。
图7-3是离子交换膜的分类。
强酸型：磺酸型阳离子交换膜中酸型：磷酸型、膦酸型弱酸型：羧酸型、酚型混合型：苯酚磺酸强碱型：季胺型、吡啶季胺型离子交换膜阴离子交换膜中、弱碱酸型：伯胺型、仲胺型、叔胺型混合型：混合胺型表面涂层膜双极膜特殊离子交换膜两性膜镶嵌膜其它膜图7-3 离子交换膜的分类实用文档实用文档二、离子交换膜的组成在宏观形态上离子交换膜是片状薄膜，而离子交换树脂是颗粒状的，但微观结构基本相同。
离子交换膜的组成见图7-4。
高分子骨架结构部分固定部分 离子交换基团（固定荷电基团）膜的主体反离子（对立离子）离子交换膜 活动部分 唐纳渗透离子（同名离子）溶剂（如水）增强材料图7-4 离子交换膜的组成膜主体的固定部分由体型或线型长链高分子材料组成，在高分子链上锚有离子交换基团，当膜投入水中时，发生吸水溶胀，使活性基团离解。
如磺酸型阳膜的活性基团一SO 3H 可以离解为：H +季胺型阴膜的活性基团一N(CH 3)3OH 可以离解为：一产生的H + 和OH — 进入水溶液中，膜上留下一定电荷的固定基团，它可吸附溶液中的正离子和负离子，这些离子是可移动的。
实用文档。
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第二节 离子交换膜的组成及 分类
一、离子交换膜的组成 树脂、胶黏剂、增塑剂、着色剂、抗氧化剂、脱模剂等 二、离子交换膜的分类 • 离子交换膜是膜状的离子交换树脂，含有活性基团和 能使离子透过的细孔 • 常用的离子交换膜按其选择透过性可分为阳离子交换 膜、阴离子交换膜、特殊离子交换膜三大类 • 阳膜含有酸性活性基团，解离出阳离子，使膜呈负电 性，选择性透过阳离子 • 阴膜含有碱性活性基团，与阳模相反
选择性透过
• 特殊离子交换膜 双极膜由一面阳膜和一面阴膜其间夹一层极薄的网布做 成，具有方向性的电阻。当阳膜面朝向阴极，阴膜面 朝向阳极时，正、负离子都不能透过膜，显示出很高 的电阻。当膜的朝向与上述相反时，膜电阻降低，膜 两侧相应的离子进入膜中。
直流电场下，双极性膜 可将水离解，能够将水 分离成H+与OH- 两种离 子，可作为H+与OH-的 供应源。
工作原理示意图
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阳模带负电荷，阴膜 带正电荷 与膜所带电荷相反的 离子透过膜的现象 称为反离子迁移 高选择性渗透率、低 电阻力、优良的化 学和热稳定性以及 一定的机械强度
• 阳膜组成的电渗析器
阴膜组成的电渗析器
二、电渗析过程中的传递现象
1）主要过程： 反离子迁移 2）次要过程： 同名离子迁移（阳模-阴离子）、电解质渗析（ 浓差扩散）、水渗透（渗透压）、水的电渗透 （离子水合） 3）非正常过程： 压差渗漏（溶液）、水的解离（极化）
离子交换膜的性能要求
• • • • • • 选择透过性高，要求在95%以上； 导电性好，要求其导电能力应大于溶液的导电能力； 交换容量大； 溶胀率和含水率适量； 化学稳定性强； 机械强度大。
第五节
电渗析器
一、电渗析器的主要结构 电渗析器由膜堆、极区和压紧装置三部分组成 常用基本术语包括膜对、级、段等 膜对：由阳膜、浓（或淡）水室隔板、阴膜、淡（浓 ）水室隔板交替排列成浓水室和淡水室，最小电渗 析工作单元 膜堆由一系列膜对组成，位于电渗析器的中部。 极区由托板、电极、极框和弹性垫板组成 压紧装置由盖板和螺杆组成，其作用是将极区和膜堆 组成不漏水的电渗析器整体
二、电渗析器的组装
• 电渗析器的组装依其应 用不同而有所不同。其 组装的情况是用级和段 来表示的。 • 级：一对正、负电极之 间的膜堆称为一级； • 段：具有同一水流方向 的并联膜堆称为一段。
电渗析器的组装示意图
三、电渗析器的级与段
一对正、负电极之间的膜堆称为一级
并 联
一Байду номын сангаас一段 两级一段 一级两段
第四节
离子交换膜的主要性 能
1. 交换容量（IEC）：每克干膜所含活性基团的毫克当量数 ，单位为meq/g 交换容量高，选择透过性好，导电能力强，但溶胀度大， 影响机械强度 一般约为2～3meq/g 2. 含水量：膜内与活性基团结合的内在水，以每克干膜含水 质量表示，一般含水量为20-40% 3. 膜电阻：关系工作所需电压和电能消耗，通常越小越好 4. 选择透过度：常用反离子迁移数和膜的透过度来表示 一般要求大于85%，反离子迁移数大于0.9，并希望在高浓 度电解质中仍有良好的选择透过性
三、电渗析过程的两个基本条件
• 直流电场的作用 使溶液中正、负离子分别向阴极和阳极作定向迁移 • 离子交换膜的选择透过性 使溶液中的带电离子在膜上实现反离子迁移
离子交换膜为什么具有选择透过性呢
四、离子交换膜的选择透过性
膜的静电作用、孔隙作用和扩散作用
• 带大量电荷的膜吸引反离子、排斥同名离 子；膜中固定离子越多，吸引力越强，选 择性越好 • 水合离子半径小于孔隙大小才能通过 注意！离子交换膜的作 • 膜对溶解离子所具有的传递迁移能力，吸 用并不是起离子交换的 附-解吸-迁移 作用，而是起离子选择
电渗析的发展概述
• 电渗析研究源于德国，与1952年美国Ionics公司制 备世界第一台电渗析装置，用于苦咸水淡化； • 20世纪50年代末，日本开发海水浓缩制食盐； • 我国电渗析技术研究始于1958年，目前在电渗析主 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； • 1981年，我国由国家海洋局杭州水处理技术开发中 心研发出200m3/d规模的海水淡化电渗析装置。
第一节
电渗析基本原理
一、电渗析的工作原理 • 电渗析（electrodialysis，简称ED）是指在直流电场 的作用下，溶液中的带电离子选择性定向迁移，透 过离子交换膜并得以去除的一种膜分离技术。 • 电位差为推动力，利用阴、阳离子交换膜对溶液中 阴、阳离子的选择透过性(即阳膜只允许阳离子通过 ，阴膜只允许阴离子通过），而使溶液中的溶质与 水分离的一种物理化学过程。从而实现溶液的浓缩 、淡化、精制和提纯的一种膜过程。
串 联
两级两段
具有同一水流方向的并联膜堆称为一段
• 一级一段特点是产水量与膜对数成正比，脱盐率 取决于一块隔板的流程长度，常用于大、中制水 厂，可含200～360个膜对； • 二级一段（多级一段）使操作电压降低，便于低 操作电压下获得高产水量； • 一级两段可增加脱盐流程长度，提高脱盐率，适 用于单台电渗析器一次脱盐，中、小型制水厂； • 多级多段发挥两者优点，同时满足对产量和质量 的要求。
第三节 离子交换膜的制备
按照离子交换膜的主体组分可分为均相膜和异相膜 均相膜中各成分以分子状态均匀分布，不存在相界面 异相膜是通过胶黏剂把粉状树脂制成片状膜，存在相界面
1.异相膜（压延和模压，溶液型胶黏剂，离子型交换树脂） 2.半均相膜（胶黏剂吸浸单体后聚合制备树脂，均匀分散） 3.均相膜（直接薄膜化，制备基膜后引入离子交换基团或者 先引入离子交换基团后再成膜） 4.新型离子交换膜（双极膜和螯合膜）
第七章
离子交换膜与电渗析
主要内容
•电渗析的发展概述 •电渗析基本原理 •离子交换膜的组成及分类 •离子交换膜的制备 •离子交换膜的主要性能 •电渗析器 •电渗析的脱盐过程 •新型的电渗析过程 •电渗析在废水处理中的应用
我国2010年度膜产业十大新闻
3. 山东东岳集团上周传出喜人消息：“十一五” 国家科技支撑计划“全氟离子交换膜工程技术研 究”项目的4个课题全部通过了山东省科技厅组 织的专家审核验收。国产全氟离子膜关键技术、 工程放大及装备技术开发项目的完成，以及在万 吨级电解装置上成功应用，改写了我国氯碱工业 长期受制于人的历史。