离子交换膜和电渗析

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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。
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
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2. 离子交换膜的组成
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)
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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：
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电渗析原理
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电渗析过程示意图
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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＋
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电渗析运行时可能发生的过程
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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
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阳极
阴极
Arrangement of membranes for electrodialysis 2，4，6，8——淡化室；3，5，7——浓缩室
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。
－
阴膜 阳膜 阴膜
阴极
电渗析过程原理图
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阳极反应：
2Cl 2e Cl2 H 2O OH 2H 4OH 4e O2 2H 2O
Cl2 H2O HCl HClO
阴极反应：
2H2O 2e H2 2OH
Na OH NaOH
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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。
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一. 电渗析(Electrodialysis)过程原理
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。
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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。
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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。
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 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。
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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）
第七章
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；
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。
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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”。
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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；
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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
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