第七章离子交换膜和电渗析优秀课件
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技术开始进入实用化阶段； 1967年 异相离子交换膜投入生产，为电渗析技术的推广应
用创造了条件； 1970年代以来 ED技术发展较快，离子交换膜生产已具相
当规模，全国共有44个膜品种，已商品化的有12类19种，并 已具有相当高的水平。我国离子交换膜产量占世界第二。
一. 电渗析(Electrodialysis)过程原理
第七章离子交换膜和电渗析
电渗析（ED）技术的发展概况
对电渗析的基本概念的研究是从19世纪50年代开始的。
1854年 Graham发现了渗析现象；
1862年 Dubrunfant制成了第一个膜渗析器，并成功地进行了 糖与盐的分离；
1940年 Meyer和Strauss提出了具有实用意义的多隔室电渗析装 置的概念；
1. 非均相(异相)离子交换膜——指由离子交换树脂的细粉末 和起粘合作用的高分子材料经加工制成的离子交换膜。（ 树脂分散在粘合剂中，因而在膜结构上是不连续的，固称 为异相膜）
2. 均相离子交换膜——由具有离子交换基团的高分子材料直 接制成的连续膜，或是在高分子膜基上直接接上活性基团 而成的。（膜中离子交换基团与成膜的高分子材料发生化 学结合起来，其组成完全均一，故称之为均相膜）
C2 lH2OHC H l ClO
阴极反应：
2H 2O 2e H 2 2OH
NaOH NaOH
电渗析运行时可能发生的过程
电渗析过程中的其他迁移过程
① 同名离子迁移 ② 电渗析的浓差扩散 ③ 水的渗透 ④ 水的电渗透 ⑤ 压差渗漏 ⑥ 水的解离
阳极
阴极
Arrangement of membranes for electrodialysis 2，4，6，8——淡化室；3，5，7——浓缩室
三、电渗析过程的基本传质过程
对流传质——离子在隔室主体溶液和扩 散边界层之间的传递；
扩散传质——离子在膜两侧的扩散边界 层中的传递；这是控制电渗析传质速率的 主要因素。
电 迁 移 传 质 —— 离 子 通 过 离 子 交 换 膜 的 传递。
第二节 离子交换膜的分类及组成
应注意，ED中所用的离子交换膜，实际上并 不是起离子交换作用（这点与通常据说的离 子交换树脂不同），而是起离子选择透过作 用，因此，更确切地应称之为离子选择性透 过膜。
1950年 Juda试制成功了第一张具有选择透过性的阳、阴离子 交换膜，奠定了ED技术的实用基础，ED技术得到迅速发展。
1952年 美国Ionics公司制成了第一台电渗析装置；
1954~1956年 英、美将ED首先应用于生产实践中，主要应用 于苦咸水淡化、制备工业用水和饮用水，此后，ED 技术逐步 被引入北非、南非以及中东地区。
先用胶粘剂吸浸单体进行聚合，然后导入活性交 换基团制成含胶粘剂的热塑性离子交换树脂。
三、均相膜的制备
实际上是直接使离子交换树脂薄膜化。 大致过程为：①膜材料的合成反应过程、②成膜过
电渗析——指在直流电场作用下，溶液中的 荷电离子选择性地定向迁移，透过离子交换 膜并得以去除的一种膜分离技术。
采用电渗析过程脱除溶液中的离子，基于2个 基本条件： 1）离子交换膜的选择透过性； 2）直流电场。
离子交换膜（ion exchange membrane）是 电渗析器的主要部件，有“电渗析的心脏 ”之称。它是一种由高分子材料制成的具 有离子交换基团的薄膜。在这里，离子交 换膜的作用并不是起离子交换的作用，而 是起着离子选择透过的作用，所以更确切 地说应称之为“离子选择性透过膜”。
电渗析原理
电渗析过程示意图
阳极室 浓缩室 淡化室 浓缩室 阴极室
+ Cl-
+
+ Cl- Cl+ Na＋ + + 阳极 阳膜
－
Cl-
－
Na＋
Na＋
Na＋ Cl- －
－
Cl- Cl-
Na＋ －
Na＋
Na＋
－
阴膜 阳膜 阴膜
阴极
电渗析过程原理图
阳极反应：
2Cl2eC2 l H 2O OH 2H 4 O H 4 e O 2 2 H 2 O
二、离子交换膜的选择透过性
可由以下几个方面加以说明： 1. 孔隙作用——只有当被选择的离子的水合半径小于
孔隙半径时，该离子才能透过膜。 2. 静电作用——根据同电性相斥、异电性相吸的静电
作用规律，阳膜选择吸附阳离子；阴膜选择吸附阴 离子。 3. 扩散作用——膜对溶解离子具有传递迁移能力。由 吸附 ~ 解吸 ~ 迁移的方式，把离子从膜的一端输送 到另一端。
自来水为进水，单台多级多段配置，脱盐率为99%以上，原 水利用率达70%以上。 20世纪80年代中后期，常规ED技术在国外的发展进入了萎 缩阶段，西欧已基本不用。
我国电渗析技术的发展概况
1958年 开始电渗析技术的研究； 1960年代初 小型ED装置投入海上试验； 1965年 在成昆铁路上安装了第一台苦咸水淡化装置； 1966年 开始工业化试生产聚乙烯异相离子交换膜，从此ED
3. 半均相离子交换膜——成膜的高分子材料与离子交换基团 组合得十分均匀，但它们之间并没有形成化学结合。
离子交换膜功能示意图
离子交换膜工作原理示意图
第三节 离子交换膜的制备
一、异相膜的制备 把粉状树脂与胶粘剂混合后制成片状膜。具体
方法有： ① 延压和模压法 ② 溶液型胶粘剂法 ③ 离子型交换树脂法 二、半均相膜的制备
可解离出阳离子，对阳离子具有选择透过性 ——阳膜
可解离出阴离子，对阴离子具有选择透过性 ——阴膜
2. 离子交换膜的组成
Baidu Nhomakorabea离子交换膜
膜的主体
固定部分
活动部分
高分子骨架(基膜)
离子交换基团(固定荷电基团) 反离子 唐纳渗透离子
溶剂(如水)
增强材料(保证膜的强度和尺寸稳定性)
3. 离子交换膜的分类
按膜体宏观结构(制造工艺)不同可分3类：
1959年 前苏联开始研究和推广应用ED技术； 1966年 美国Du Pont公司研制全氟磺酸离子交换膜； 1970年 日本将电渗析器用于苦咸水淡化； 1972年 美国Ionics公司推出频繁倒极电渗析(EDR)装置； 1974年 日本在野岛建造了日产饮用水120t的海水淡化ED装
置； 1982年 日本成功开发了全氟阴离子交换膜（AEM）； 1991年 我国研制成功了无极水全自动控制ED器，以城市
用创造了条件； 1970年代以来 ED技术发展较快，离子交换膜生产已具相
当规模，全国共有44个膜品种，已商品化的有12类19种，并 已具有相当高的水平。我国离子交换膜产量占世界第二。
一. 电渗析(Electrodialysis)过程原理
第七章离子交换膜和电渗析
电渗析（ED）技术的发展概况
对电渗析的基本概念的研究是从19世纪50年代开始的。
1854年 Graham发现了渗析现象；
1862年 Dubrunfant制成了第一个膜渗析器，并成功地进行了 糖与盐的分离；
1940年 Meyer和Strauss提出了具有实用意义的多隔室电渗析装 置的概念；
1. 非均相(异相)离子交换膜——指由离子交换树脂的细粉末 和起粘合作用的高分子材料经加工制成的离子交换膜。（ 树脂分散在粘合剂中，因而在膜结构上是不连续的，固称 为异相膜）
2. 均相离子交换膜——由具有离子交换基团的高分子材料直 接制成的连续膜，或是在高分子膜基上直接接上活性基团 而成的。（膜中离子交换基团与成膜的高分子材料发生化 学结合起来，其组成完全均一，故称之为均相膜）
C2 lH2OHC H l ClO
阴极反应：
2H 2O 2e H 2 2OH
NaOH NaOH
电渗析运行时可能发生的过程
电渗析过程中的其他迁移过程
① 同名离子迁移 ② 电渗析的浓差扩散 ③ 水的渗透 ④ 水的电渗透 ⑤ 压差渗漏 ⑥ 水的解离
阳极
阴极
Arrangement of membranes for electrodialysis 2，4，6，8——淡化室；3，5，7——浓缩室
三、电渗析过程的基本传质过程
对流传质——离子在隔室主体溶液和扩 散边界层之间的传递；
扩散传质——离子在膜两侧的扩散边界 层中的传递；这是控制电渗析传质速率的 主要因素。
电 迁 移 传 质 —— 离 子 通 过 离 子 交 换 膜 的 传递。
第二节 离子交换膜的分类及组成
应注意，ED中所用的离子交换膜，实际上并 不是起离子交换作用（这点与通常据说的离 子交换树脂不同），而是起离子选择透过作 用，因此，更确切地应称之为离子选择性透 过膜。
1950年 Juda试制成功了第一张具有选择透过性的阳、阴离子 交换膜，奠定了ED技术的实用基础，ED技术得到迅速发展。
1952年 美国Ionics公司制成了第一台电渗析装置；
1954~1956年 英、美将ED首先应用于生产实践中，主要应用 于苦咸水淡化、制备工业用水和饮用水，此后，ED 技术逐步 被引入北非、南非以及中东地区。
先用胶粘剂吸浸单体进行聚合，然后导入活性交 换基团制成含胶粘剂的热塑性离子交换树脂。
三、均相膜的制备
实际上是直接使离子交换树脂薄膜化。 大致过程为：①膜材料的合成反应过程、②成膜过
电渗析——指在直流电场作用下，溶液中的 荷电离子选择性地定向迁移，透过离子交换 膜并得以去除的一种膜分离技术。
采用电渗析过程脱除溶液中的离子，基于2个 基本条件： 1）离子交换膜的选择透过性； 2）直流电场。
离子交换膜（ion exchange membrane）是 电渗析器的主要部件，有“电渗析的心脏 ”之称。它是一种由高分子材料制成的具 有离子交换基团的薄膜。在这里，离子交 换膜的作用并不是起离子交换的作用，而 是起着离子选择透过的作用，所以更确切 地说应称之为“离子选择性透过膜”。
电渗析原理
电渗析过程示意图
阳极室 浓缩室 淡化室 浓缩室 阴极室
+ Cl-
+
+ Cl- Cl+ Na＋ + + 阳极 阳膜
－
Cl-
－
Na＋
Na＋
Na＋ Cl- －
－
Cl- Cl-
Na＋ －
Na＋
Na＋
－
阴膜 阳膜 阴膜
阴极
电渗析过程原理图
阳极反应：
2Cl2eC2 l H 2O OH 2H 4 O H 4 e O 2 2 H 2 O
二、离子交换膜的选择透过性
可由以下几个方面加以说明： 1. 孔隙作用——只有当被选择的离子的水合半径小于
孔隙半径时，该离子才能透过膜。 2. 静电作用——根据同电性相斥、异电性相吸的静电
作用规律，阳膜选择吸附阳离子；阴膜选择吸附阴 离子。 3. 扩散作用——膜对溶解离子具有传递迁移能力。由 吸附 ~ 解吸 ~ 迁移的方式，把离子从膜的一端输送 到另一端。
自来水为进水，单台多级多段配置，脱盐率为99%以上，原 水利用率达70%以上。 20世纪80年代中后期，常规ED技术在国外的发展进入了萎 缩阶段，西欧已基本不用。
我国电渗析技术的发展概况
1958年 开始电渗析技术的研究； 1960年代初 小型ED装置投入海上试验； 1965年 在成昆铁路上安装了第一台苦咸水淡化装置； 1966年 开始工业化试生产聚乙烯异相离子交换膜，从此ED
3. 半均相离子交换膜——成膜的高分子材料与离子交换基团 组合得十分均匀，但它们之间并没有形成化学结合。
离子交换膜功能示意图
离子交换膜工作原理示意图
第三节 离子交换膜的制备
一、异相膜的制备 把粉状树脂与胶粘剂混合后制成片状膜。具体
方法有： ① 延压和模压法 ② 溶液型胶粘剂法 ③ 离子型交换树脂法 二、半均相膜的制备
可解离出阳离子，对阳离子具有选择透过性 ——阳膜
可解离出阴离子，对阴离子具有选择透过性 ——阴膜
2. 离子交换膜的组成
Baidu Nhomakorabea离子交换膜
膜的主体
固定部分
活动部分
高分子骨架(基膜)
离子交换基团(固定荷电基团) 反离子 唐纳渗透离子
溶剂(如水)
增强材料(保证膜的强度和尺寸稳定性)
3. 离子交换膜的分类
按膜体宏观结构(制造工艺)不同可分3类：
1959年 前苏联开始研究和推广应用ED技术； 1966年 美国Du Pont公司研制全氟磺酸离子交换膜； 1970年 日本将电渗析器用于苦咸水淡化； 1972年 美国Ionics公司推出频繁倒极电渗析(EDR)装置； 1974年 日本在野岛建造了日产饮用水120t的海水淡化ED装
置； 1982年 日本成功开发了全氟阴离子交换膜（AEM）； 1991年 我国研制成功了无极水全自动控制ED器，以城市