膜技术及其应用-第七章 离子交换膜
离子交换膜的工作原理
离子交换膜的工作原理对于阳离子交换膜，它的功能基团通常是带有负电荷的树脂，如磺酸基团、酚醛基团等。
当溶液中存在带正电荷的离子时（如Na+、K+等），这些阳离子与膜表面的阴离子交换树脂发生离子对吸附，从而被膜中的功能基团捕获。
膜中的阳离子吸附物质浓缩，而其他阴离子则透过膜。
通过施加外加电场或控制溶液的浓度梯度，可以改变吸附离子的排放和吸附。
阴离子交换膜是带有正电荷的树脂或吸附团。
当溶液中存在带负电荷的离子时（如Cl-、SO42-等），这些阴离子与膜表面的阳离子交换树脂发生离子对吸附，被膜中的功能基团捕获。
膜中的阴离子吸附物质浓缩，而其他阳离子则透过膜。
同样，通过控制电场或浓度梯度，可以排放和吸附阴离子。
离子交换膜的选择性是通过化学结构和表面电荷确定的。
通常来说，阴离子交换膜对阴离子具有高选择性，阳离子交换膜对阳离子具有高选择性。
但在实际应用中，由于一些离子可能通过化学键或静电作用与膜表面相互作用，导致其选择性有所变化。
离子交换膜的工作原理还与质量转移密切相关。
在电场或浓度梯度作用下，溶液中的离子通过离子交换膜的扩散和迁移来传递。
扩散是指离子在溶液中的分子热运动导致其从高浓度区域向低浓度区域的传播。
而迁移是其在电场作用下向电场相反方向的运动。
离子在扩散和迁移中以一种复杂的方式在膜中传递，这取决于离子的尺寸、电荷、膜的孔隙结构等因素。
除了传质性能外，离子交换膜还具有稳定性、机械强度、化学稳定性等特点。
工程上的应用主要包括水处理、电解过程、离子分离、催化剂提取等领域。
例如，在水处理中，离子交换膜可用于去除溶液中的重金属离子和污染物。
在电解过程中，离子交换膜可用于隔离阴极和阳极，以防止离子彼此的干扰。
在离子分离和催化剂提取中，离子交换膜可用于分离纯化离子，实现高效的分离和浓缩。
总之，离子交换膜的工作原理是基于离子的选择性吸附和传输，通过施加电场或创建浓度梯度，实现离子的分离、浓缩和纯化。
这种膜材料具有广泛的应用前景，并在众多领域中发挥重要作用。
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
离子交换膜离子交换膜是一种广泛应用于化学、生物、环境工程等多个领域的重要分离材料。
它以其独特的选择性吸附和交换离子的能力而受到广泛关注和应用。
本文将就离子交换膜的基本概念、制备方法、应用领域以及发展趋势等方面进行介绍。
离子交换膜是一种含有具有特定交换基团的聚合物膜。
交换基团的选择决定了离子交换膜的具体性能。
例如，强酸性交换基团的离子交换膜具有很好的酸性阻隔性能，适用于酸性溶液的浓缩和分离；而强碱性交换基团的离子交换膜则适用于碱性溶液的处理和离子分离。
同时，离子交换膜还可以根据需要进行功能化修饰，以提高其性能和适用范围。
制备离子交换膜的方法主要包括模板法、浸渍法、界面聚合法等。
模板法是最早应用的一种方法，通过将交换基团引入模板分子中，然后再将模板与聚合物混合后膜化，最后将模板分子去除，得到带有交换基团的离子交换膜。
浸渍法则是先将聚合物膜制备好，然后再通过浸渍的方式引入交换基团。
界面聚合法则是将两种聚合物溶液分别涂布在两个介质界面上，形成双层膜结构，再通过交联反应将两种聚合物连接起来。
离子交换膜在化学工业中的应用非常广泛。
其中，最为典型的例子是电解池中的离子交换膜，用于对阳离子和阴离子进行选择性阻隔，实现电解池中阳离子和阴离子的分离。
此外，离子交换膜还可以应用于电力工业、电子行业、制药工业等多个领域，如电池分离膜、纯水制备膜、药品分离膜等。
在环境工程领域，离子交换膜可以用于水处理、废水处理、气体分离等方面。
随着科技的进步和人们对环境保护的要求越来越高，离子交换膜也在不断发展和创新。
一方面，人们对离子交换膜的选择性、稳定性和使用寿命提出了更高的要求，迫使科研人员不断改进和优化离子交换膜的制备方法。
另一方面，人们还在探索新的交换基团和新的聚合物材料，以提高离子交换膜的性能和适用范围。
此外，离子交换膜与其他技术的结合也成为研究的热点，如离子交换膜与纳米材料的复合、离子交换膜与光催化技术的结合等。
总的来说，离子交换膜作为一种重要的分离材料，具有广泛的应用前景和发展潜力。
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.
离子交换膜的分类与作用
离子交换膜的分类与作用离子交换膜是一种用于分离、浓缩和纯化离子的膜材料，广泛应用于水处理、化学工业、生物技术等领域。
根据不同的分类标准，离子交换膜可以分为多种类型，下面将对其分类和作用进行介绍。
一、按膜材料分类1. 聚合物离子交换膜：由聚合物材料制成，如聚丙烯、聚苯乙烯等。
这种膜具有较好的耐酸碱性和机械强度，适用于广泛的离子交换应用，如水处理中的去除离子杂质、电解质浓缩等。
2. 硅橡胶离子交换膜：由硅橡胶材料制成，具有良好的耐温性能和电气性能。
主要应用于高温环境下的离子交换，如电力工业中的离子交换反应器、燃料电池等。
3. 无机离子交换膜：由无机材料制成，如陶瓷、玻璃等。
这种膜具有较好的化学稳定性和耐高温性能，适用于要求较高的离子交换环境，如电子工业中的离子选择性膜、有机合成中的离子分离等。
二、按交换机制分类1. 阳离子交换膜：具有交换阳离子的功能，能够去除水中的钠、钾、铵等阳离子。
主要应用于水处理中的软化、除碱、除硅等过程，以及电力工业中的离子交换器等。
2. 阴离子交换膜：具有交换阴离子的功能，能够去除水中的氯、硝酸根、硫酸根等阴离子。
主要应用于水处理中的去除阴离子、纯化过程，以及化学工业中的阴离子选择性膜等。
3. 混合离子交换膜：具有同时交换阳离子和阴离子的功能，能够去除水中的各种离子。
主要应用于水处理中的全面纯化过程，以及化学工业中的离子交换反应器等。
离子交换膜的作用主要体现在以下几个方面：1. 分离离子：离子交换膜能够选择性地吸附或排斥特定的离子，从而实现离子的分离和纯化。
2. 浓缩溶液：离子交换膜可以通过交换离子的方式，将溶液中的离子浓缩，从而提高离子浓度。
3. 废水处理：离子交换膜能够去除废水中的离子杂质，使废水得到净化和回收利用。
4. 电解质制备：离子交换膜在电解质制备过程中起到重要作用，能够实现离子的选择性传输和分离。
5. 能源开发：离子交换膜在燃料电池和电化学储能等领域有广泛应用，能够实现离子的传输和反应。
离子交换膜的应用原理
离子交换膜的应用原理1. 离子交换膜的基本概念离子交换膜是一种将离子交换有机树脂粘合在合适的基材上制成的薄膜材料。
它具有交换离子的功能，可以在溶液中选择性地吸附和释放离子。
离子交换膜在水处理、电解过程、离子分离等领域具有广泛的应用。
2. 离子交换膜的应用原理离子交换膜的应用原理基于离子交换反应。
当溶液通过离子交换膜时，其中的离子会与离子交换膜上的离子相互交换，从而改变溶液中离子的浓度和组成。
离子交换膜可以分离溶液中的离子，使其满足特定需要。
2.1 离子交换膜的结构离子交换膜通常由两部分组成：离子交换层和支撑层。
离子交换层是膜的活性层，负责与溶液中的离子交换，并决定膜的选择性。
支撑层则提供膜的机械强度和稳定性。
2.2 离子交换膜的工作原理离子交换膜的工作原理可以通过以下步骤描述： - 溶液中的离子与离子交换膜上的离子发生交换反应。
- 离子交换膜通过选择性交换，将目标离子吸附到离子交换层中。
- 通过离子交换膜的通透性，使目标离子从一侧透过膜，另一侧脱去。
- 完成离子交换后，得到的新溶液具有特定的离子浓度和组成。
2.3 离子交换膜的选择性离子交换膜的选择性是其应用的关键特性之一。
离子交换膜的选择性取决于离子交换层中功能基团的类型和活性。
不同的功能基团可以选择性地吸附或释放特定的离子，从而实现离子交换的目的。
3. 离子交换膜的应用领域离子交换膜在许多领域中有着广泛的应用，主要包括以下几个方面：3.1 水处理离子交换膜在水处理领域被广泛应用于软化水、去除重金属离子、脱盐和除氧等工艺中。
通过选择合适的离子交换膜，可以高效地去除水中的杂质，提高水质和纯度。
3.2 电解过程离子交换膜在电解过程中起到分离和传递离子的作用。
例如，在氯碱法电解中，离子交换膜被用于隔离阳极和阴极，阻止阳极生成的氯气与阴极反应，从而提高电解效率。
3.3 离子分离离子交换膜在离子分离领域中被广泛应用。
通过选择合适的离子交换膜和溶液的PH值，可以实现不同离子的选择性吸附和分离。
离子交换膜技术及其应用_曾青兰
１ 科技资讯 ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ高 新 技 术离子交换膜技术是当代高新技术之一，由于离子交换膜技术所使用的介质——离子交换膜具有离子很强的选择透过性、分离效率高、能耗低、污染少，因此在许多方面有着重要的应用价值。
１ 离子交换膜技术１．１离子交换膜离子交换膜是一种具有选择透过性能的网状立体结构的高分子功能膜或分离膜。
由于在应用时主要是利用它的离子交换基团的选择透过性，所以也称为离子选择透过性膜。
按离子交换膜性能的不同，可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜、两性交换膜和双极离子交换膜。
这三种膜的可交换离子分别对应为阳离子、阴离子和阴阳离子。
按膜的结构与功能又可将离子交换膜分为普通离子交换膜、双极离子交换膜和镶嵌膜三种。
普通离子交换膜一般是均相膜，利用其对一价离子的选择性渗透进行海水浓缩脱盐；双极离子交换膜由阳离子交换层和阴离子交换层复合组成，主要用于酸或碱的制备；镶嵌膜由排列整齐的阴、阳离子微区组成，主要用于高压渗析进行盐的浓缩、有机物质的分离等。
１．２离子交换膜技术的原理（１）电渗析。
将阴膜与阳膜交替排列在电极之间，在直流电场的作用下，以电位差为动力，离子透过选择性离子交换膜而迁移，阳离子交换膜带负电荷，选择性透过阳离子，而阴离子因为同性排斥而被截留，阴离子交换膜则正好相反。
从而使电解质离子自溶液中部分分离出来，实现溶液的浓缩与淡化，复分解反应及电解氧化还原，浓差扩散渗折等效能，达到提纯精制的目的。
（２）膜电解。
以ＮａＣｌ水溶液的电解为例。
在两个电极之间加上一定电压，则阴极生成氯气，阳极生成氢气和氢氧化钠。
２ 离子交换膜的应用２．１在钨工业上的应用在钨工业中，主要是应用离子膜技术制取仲钨酸铵（ＡＰＴ）。
一种工艺路线是将现行的钨溶剂萃取工艺的萃余液进行电渗析浓缩，所获得的浓硫酸钠溶液进行离子膜电解，回收碱、硫酸返回工艺应用的同时，得到生产钨粉的还原剂氢气，阳极得到氧气，另一种工艺路线是直接对钨酸钠溶液进行离子膜电解，回收碱的同时，在阳极室得到可用于萃取的偏钨酸钠溶液，进一步制取偏钨酸钠（ＡＭＴ），同样可在阴极可得到生产钨粉的还原剂氢气。
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
离子交换膜全解课件.ppt
第16页，共42页。
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）
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
第35页，共42页。
酸性气体的清除 与回收
第36页，共42页。
第八节 电渗析在废水处理中 的应用
• 水的纯化
海水、苦咸水、自来水制备初级和高级纯
水的重要方法，一般采用与离子交换树脂 组合工艺，但注意电渗析不能出去非电解 质杂质
• 海水、盐泉卤水制盐
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
中草药有效成分的分离和精制，可通过电渗析把中草药提 取液分离成无机阳离子和生物碱、无机阴离子和有机酸、中性 化合物和高分子化合物三部分 食品：牛乳、乳清等
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• 超滤、反渗透、电渗析 组合工艺提取甘露醇
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第41页，共42页。
本章习题
• 掌握电渗析的工作原理及其组成示意图
• 电渗析过程发生哪些传递现象？哪些是主要的，哪些是次要的，哪些是非 正常的？
离子交换膜简介 ppt课件
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PPT课件
离子交换膜按功能及结构的不同，又 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。
4
PPT课件
阳离子交换膜是对阳离子具有选择透过 性。阳离15
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PPT课件 7
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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
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PPT课件
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：
阴离子交换膜对阴离子具有选择透过性。 一般以-NH3+、-NR2H+或者-PR3+等阳离子 作为活性交换基团。
5
原理
PPT课件
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。
换膜分为三大类：
1. 非均相离子交换膜 由粉末状的离子交换树脂加
黏合剂混炼、拉片、加网热压而成。树脂分散在黏合
剂中，因而其化学结构是不均匀的。
2. 均相离子交换膜 均相离子交换膜系将活性基团 引入一惰性支持物中制成。它没有异相结构，本身是 均匀的。其化学结构均匀，孔隙小，膜电阻小，不易 渗漏，电化学性能优良，在生产中应用广泛。但制作 复杂，机械强度较低。
离子交换膜的分类与作用
离子交换膜的分类与作用
离子交换膜是一种可以选择性传递离子的薄膜，广泛应用于水处理、电力工业、化工等领域。
根据其结构和作用，离子交换膜可分为以下几类。
1. 阴离子交换膜
阴离子交换膜具有选择性地吸附阴离子的特性。
它可以通过电荷排斥的机制将阴离子从溶液中吸附到膜表面，从而实现对阴离子的分离和浓缩。
阴离子交换膜广泛应用于饮用水处理、废水处理和纯化过程中，能够有效去除水中的硝酸盐、氯离子等。
2. 阳离子交换膜
阳离子交换膜具有吸附阳离子的特性。
它可以通过电荷排斥的机制将阳离子从溶液中吸附到膜表面，实现对阳离子的分离和浓缩。
阳离子交换膜广泛应用于电力工业中的离子交换树脂，可以去除水中的钠离子、镁离子等，提高水质。
3. 脱气膜
脱气膜是一种特殊的离子交换膜，它能够去除水中的溶解气体，如二氧化碳、氧气等。
脱气膜主要应用于饮用水处理和工业水处理中，能够减少水中的溶解气体含量，提高水的纯度和质量。
4. 渗透膜
渗透膜是一种特殊的离子交换膜，它具有选择性地允许某些离子通
过而阻止其他离子通过的特性。
渗透膜广泛应用于反渗透、超滤等膜分离过程中，能够实现对溶液中离子的有效分离和浓缩。
离子交换膜在水处理、电力工业和化工领域起着重要的作用。
它们可以通过选择性地吸附和传递离子，实现对溶液中离子的分离、浓缩和纯化。
离子交换膜的应用可以提高水质，减少污染物的排放，保护环境。
在未来的发展中，离子交换膜将继续发挥重要的作用，为人类提供更加清洁和可持续的资源。
离子交换膜及其应用
离子交换膜及其应用离子交换膜是一种特殊的膜材料，具有良好的离子选择性和离子交换能力。
它可以将水中的离子进行选择性地吸附和释放，从而实现溶液的分离、浓缩和纯化。
离子交换膜在许多领域有广泛的应用，包括水处理、化工、能源、生物医药等。
离子交换膜的结构与性能离子交换膜通常由聚合物材料制成，如聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚苯乙烯（PS）等。
这些聚合物材料具有良好的化学稳定性和机械强度，能够承受较高的操作压力和温度。
离子交换膜具有一定的孔隙结构，可以使溶液中的离子通过膜孔进入膜内。
同时，离子交换膜具有离子选择性，可以选择性地吸附或排除特定类型的离子。
这种选择性是由离子交换膜上的功能基团决定的，如酸基团、碱基团、氨基等。
不同的功能基团可以使离子交换膜具有不同的离子选择性。
离子交换膜的应用1. 水处理领域：离子交换膜广泛应用于水处理领域，用于去除水中的杂质离子，如重金属离子、硝酸盐、氯离子等。
离子交换膜可以有效地净化水质，提高水的纯度和适用性。
2. 化工领域：离子交换膜在化工过程中用于分离和纯化溶液中的离子。
例如，离子交换膜可以用于酸碱分离、盐类分离、有机物提取等过程。
它可以提高产品的纯度和质量，降低生产成本。
3. 能源领域：离子交换膜在能源领域有着重要的应用。
例如，离子交换膜可以用于燃料电池中的离子传输，提高燃料电池的效率和稳定性。
此外，离子交换膜还可以用于电解水制氢、电解盐水制氯等过程。
4. 生物医药领域：离子交换膜在生物医药领域有着广泛的应用。
例如，离子交换膜可以用于药物分离和纯化、蛋白质分离和纯化等过程。
它可以提高药物和生物制品的纯度和效果。
离子交换膜的发展趋势随着科学技术的不断进步，离子交换膜的发展也呈现出一些新的趋势。
1. 高选择性：研究人员正在努力开发具有更高选择性的离子交换膜，以满足不同领域的需求。
例如，针对特定离子的选择性更高的离子交换膜可以提高分离效率和产品质量。
2. 高通量：高通量是离子交换膜的另一个重要性能指标。
离子交换膜技术的研究与应用
离子交换膜技术的研究与应用离子交换膜技术是一种将离子在两种均匀的界面上交换的方法。
它一个广泛应用于化学、生物学、环境保护等领域的重要技术。
在化学领域中，离子交换膜技术可以用于分离和纯化化合物，在生物领域中，它可以用于提取、分离和纯化生物物质和蛋白质。
初步研究离子交换膜技术最初是由美国物理学家Lewiston S. Randall于1945年发明的。
自那以后，这项技术已经得到了广泛的研究和发展，其应用范围也越来越广泛。
离子交换膜技术最早应用于水处理领域，可以用于除去水中的杂质物质、药品和重金属离子等。
在那个时期，离子交换膜是用于制造硬水车间和工业废水处理厂的主要工具。
进一步发展随着这项技术的进一步发展，离子交换膜越来越被广泛应用于其他领域，如生物技术、环境保护领域和工业生产中的分离和纯化工艺中。
比如，离子交换膜可以用于从混合物中分离出单一的化合物或氨基酸，并且可以用于实现溶液中离子浓度的调节和纯化等。
离子交换膜的应用离子交换膜技术不仅可以用于实现对离子的分离和提纯，还可以将特定的离子固定在膜中以达到特殊的目的。
比如，金属离子的分离和纯化等。
此外，离子交换膜也可以实现其他一些特殊的功能，如渗透膜，电喷涂、智能涂层和高分子电介质等。
在化学和结构复杂的分子的研究中，离子交换膜也具有广泛的应用，在这种情况下它可以用于提取某些分子甚至纯化复杂的分子。
从不同方面重新设计离子交换膜，能够改变其结构和功能，也提供了新的能力和应用，为其继续发展提供了更多的机会。
未来的研究未来离子交换膜技术的发展依然充满了机遇和挑战。
研究人员可以在设计更为高效、精确和可持续的离子交换膜的基础上探索其更广泛的应用，比如能够应用于生物治疗或生产领域的可溶液膜和可压缩膜等。
还有一些其他的应用领域值得探索，其中之一是从深层海水中提取出稀有矿物的手段，因为海洋环境对于现代社会的经济和社会发展具有重要作用。
此外，离子交换膜也被运用于电池和电力转换领域，以及新材料的研究中。
新型离子交换膜的研究及其应用
新型离子交换膜的研究及其应用离子交换膜（ion exchange membrane，IEM）是一种具有离子选择性的高分子材料，可以作为电化学能量存储系统（EES）中的重要组成部分。
近年来，随着对新能源的需求不断增加，人们对IEM的研究也越来越深入，不断创新出各种新型离子交换膜。
本文将探讨新型离子交换膜的研究及其应用。
一、常见的离子交换膜在探讨新型离子交换膜之前，我们先来了解一下常见的离子交换膜。
常见的离子交换膜可以分为两大类：阳离子交换膜和阴离子交换膜。
阳离子交换膜通常是用胶态聚合物制备，其主要基础材料是聚酰胺、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯等。
而阴离子交换膜通常是用聚偏氟乙烯、聚丙烯酸等材料制备，其离子交换基因除了SO^-、COO^-等阴离子基团外可以使用各类被剥离的阴离子。
二、新型离子交换膜1、磷酸树脂离子交换膜磷酸树脂离子交换膜是一种新型的阴离子交换膜，它采用化学共聚合制备而成，具有优异的氢氧化钾摩尔传递率（KOH-PRE）和氧化铁柱撑磁性纤维及其在磷酸树脂离子交换膜中的使用方法用于纯化磷酸树脂中的蛋白质。
2、水悬浮含氟硅烷改性离子交换膜水悬浮含氟硅烷改性离子交换膜是一种广泛应用于燃料电池（fuel cell）中的阳离子交换膜，它采用水悬浮含氟硅烷改性法，具有优良的电子传递性能和耐化学腐蚀性能。
3、黏土纳米合成离子交换膜黏土纳米合成离子交换膜是一种采用蒙脱石和膨润土纳米粒子自组装制备而成的阴离子交换膜，具有高的荷电量和优异的离子交换性能，在能量存储系统中具有很大的应用潜力。
三、新型离子交换膜的应用1、在燃料电池中的应用目前，燃料电池被广泛用于汽车、轮船等交通工具以及家庭、工业等领域的电力供应。
IEM作为燃料电池中的核心材料之一，其性能的优劣直接关系到燃料电池的运作效率和寿命。
2、在电解池中的应用电解池是一种将电能转换为化学能的设备，可广泛应用于电解金属、制氢、电镀、废水处理等领域。
IEM的独特离子选择性和传质特性使其成为电解池中最重要的分离膜，可将阳离子和阴离子分离并传递到对应的电极上。
离子交换膜
3.半均相离子交换膜也是将活性基团引入高分子支持物制成的。但两者不形成化学结合，其性能介于均相离 子交换膜和非均相离子交换膜之间。
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此外，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。
制备方法
制备பைடு நூலகம்法
离子交换膜分均相膜和非均相膜两类，它们可以采用高分子的加工成型方法制造。
①均相膜 先用高分子材料如丁苯橡胶、纤维素衍生物、聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙 烯腈等制成膜，然后引入单体如苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等，在膜内聚合成高分子，再通过化学反应，引入所需 的功能基团。均相膜也可以通过单体如甲醛、苯酚、苯酚磺酸等直接聚合得到。
离子交换膜
高分子材料制成的薄膜
01 类型
03 性质 05 性能指标
目录
02 制备方法 04 应用
基本信息
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。1950年W.朱达首先合成了离子交换膜。1956年首次成功地用于电渗 析脱盐工艺上。
水在膜中的渗透率就是离子在透过膜时带过去的水量。实用上水渗透率是膜的一个性能，其值愈大，在电渗 析时水损失愈大，通常疏水性高分子材料膜中水渗透率远低于亲水性高分子材料膜。
应用
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（见图）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。
质子交换膜 离子交换膜
质子交换膜离子交换膜
质子交换膜和离子交换膜是化学领域中的两个重要概念。
它们是帮助
分离、过滤、纯化和分析许多物质的工具。
以下是这两种膜的一些基
本信息。
1. 质子交换膜
质子交换膜是一种高分子材料，用于在电解质溶液中传输质子。
它可
以通过膜的单向质子传输来分离和浓缩含有酸性离子的水溶液。
质子交换膜被广泛应用于许多行业，例如纯水制造、生物制药、能源
和环境等领域。
在纯水制造行业，质子交换膜被用于去除盐分和杂质，使水变得更加纯净。
在生物制药领域，质子交换膜则被用于纯化蛋白质、酶和抗体。
在能源和环境领域，质子交换膜被用于制备燃料电池
和电解水制氢。
2. 离子交换膜
离子交换膜是一种能够选择性地允许离子通过的高分子材料。
它可以
去除水中的杂质离子和金属离子，并且可以用于分离和浓缩含有离子
的水溶液。
离子交换膜在许多行业中都得到了广泛应用，例如：工业废水处理、纯水制造、海水淡化等领域。
在工业废水处理行业，离子交换膜被用于去除有毒金属、铬、铅和氟离子等，从而使废水得到净化。
在纯水制造行业，离子交换膜则被用于去除含有杂质的水，从而使水更加纯净。
在海水淡化领域，离子交换膜可以去除海水中的氯化物、硫酸盐和硝酸盐等离子，从而制作出优质的淡水。
总之，质子交换膜和离子交换膜在许多领域发挥着重要作用。
它们可以帮助我们更好地处理和纯化许多物质，为我们的生活和工作提供便利。
未来，随着技术的不断发展，这两种膜还将有更广泛的应用。
离子交换膜的制备与应用技术
离子交换膜的制备与应用技术离子交换膜，这个名字听起来有点高大上，像是那种只会出现在实验室或者高科技公司的东西，但其实它跟我们日常生活中的许多事情息息相关。
别看它名字很难懂，实际上它的应用可是广泛得不得了，稍微了解一下，你会发现它原来就在你身边，甚至可能还在默默地帮助你提高生活质量呢。
咱们今天就聊聊这“神秘”的膜，顺便看看它是怎么在许多行业里发挥巨大作用的。
离子交换膜是什么？顾名思义，这是一种能够交换离子的薄膜。
它看似普通，却有着特别的功能：能够让水中的某些离子通过，而把其他的挡在外面。
听起来是不是很酷？它可以分离、过滤、调控，甚至能让化学反应变得更加高效。
简单说，它就是种能控制化学物质流动的小“守门员”。
想象一下，水里有好多不同的离子，有的是我们需要的，有的则是我们不想要的。
这个膜就能帮忙筛选，把不需要的“赶出去”，把有用的“留下来”。
是不是挺有意思？说到这里，大家可能会问了，这东西到底能干啥？嗯，先别急，让我一个一个给你拆开说。
它在水处理方面有着极其重要的作用。
你知道，水污染这个问题在全球都很严峻。
离子交换膜就像是一道防线，能够帮助我们从水里去除一些有害的离子，像重金属、氟离子这些对人体有害的东西，它都能有效去除。
你想象一下，我们喝的水里没有这些脏东西，岂不是感觉健康多了？除了水处理，离子交换膜在能源领域的作用也不容小觑。
大家都知道，现在咱们面临着能源危机，环境污染也越来越严重。
这个膜可是有办法帮忙的！在燃料电池中，离子交换膜可以帮助离子从一个电极流向另一个电极，从而产生电流，为咱们提供能源。
它的高效性让燃料电池成为了一种极具前景的清洁能源，简直是未来的“绿色英雄”啊。
燃料电池车也在逐渐取代传统的燃油车，离子交换膜在这其中的作用自然是不可忽视的。
以后咱们可能就会开上那种绿色环保的车，嘿，说不定你现在坐在路边，正是未来环保车的第一批乘客呢！再说说医疗领域。
你可能没想过，这膜居然也能在医疗器械上发挥大作用。
离子交换膜可以传导离子
离子交换膜可以传导离子
离子交换膜是一种特殊的薄膜，具有传导离子的能力。
它在科学研究和工业应用中扮演着重要的角色。
离子交换膜的独特结构和特性使其具备了许多优势。
离子交换膜具有高度选择性。
它可以通过选择性地传导特定的离子，从而实现离子的分离和纯化。
这对于水处理、离子交换和电解过程等领域非常重要。
例如，离子交换膜可以用于将含有杂质离子的水转化为纯净的饮用水，或者用于从废水中回收有用的离子。
离子交换膜具有高效的传导性能。
它可以快速传导离子，使离子在膜中迅速扩散。
这不仅提高了传导效率，还减少了能量消耗。
离子交换膜还具有较低的电阻，可以有效地传导电流，因此在电化学反应中广泛应用。
离子交换膜还具有良好的化学稳定性和耐温性。
它可以在广泛的温度和PH范围内稳定工作，并且对许多化学物质具有良好的耐受性。
这使得离子交换膜可以在各种恶劣的环境下使用，例如酸性或碱性溶液中。
离子交换膜的应用领域非常广泛。
在能源领域，它被广泛应用于燃料电池和电解池中，用于储能和能量转换。
在生物医学领域，离子交换膜可以用于药物传递和人工器官等方面。
在环境保护领域，它可以用于水处理和废水处理等方面。
此外，离子交换膜还可以用于
电子、化工、食品和制药等行业。
离子交换膜是一种重要的功能薄膜，具有传导离子的能力。
它的高选择性、高传导性、化学稳定性和耐温性使其在各种领域得到广泛应用。
离子交换膜的发展和应用将为人类的生活和工作带来许多便利和进步。
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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 • 膜对溶解离子所具有的传递迁移能力，吸附-解吸-迁移 注意！离子交换膜的作 用并不是起离子交换的 作用，而是起离子选择 性透过作用！
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）
工作原理示意图
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 2 3 4
• 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）
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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。
四、实际应用的电渗析器
五、电渗析仪的性能指标
• • • • 淡水产量 脱盐率 电能消耗 电流效率
第六节 电渗析的脱盐过程
1.连续式脱盐
2.循环式脱盐
第七节 新型的电渗析过程
• 填充混合离子交换树脂电渗析过程 • 含离子交换膜的Donnan渗析
• 双极膜水解离电渗析
双极膜是阴、阳膜紧密相邻或结合而成，直流电场下可将 水离解 双极性膜单独使用可实现电解反应；与阳膜和阴膜组合使 用可实现离子交换反应，可将盐转化成相应的酸与碱、可 从氨基酸盐制备氨基酸。
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
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。
• • •
• •
脱除有机物中的盐分 医药：葡萄糖、甘露醛、氨基酸、维生素C，中草药等 中草药有效成分的分离和精制，可通过电渗析把中草 药提取液分离成无机阳离子和生物碱、无机阴离子和有
机酸、中性化合物和高分子化合物三部分
食品：牛乳、乳清等
• 超滤、反渗透、电渗析 组合工艺提取甘露醇
本章习题
• • • 掌握电渗析的工作原理及其组成示意图 电渗析过程发生哪些传递现象？哪些是主要的，哪些是次要 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
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
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。
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
一级一段 两级一段 一级两段
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。
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。 ⑵ 从芒硝废液中制取硫酸和氢氧化钠。 ⑶ 从酸洗废液中制取硫酸和沉淀重金属离子。 ⑷ 电镀废水和废液处理，含Cd2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cr6+等重金 属离子和氰化物的电镀废水都适宜用电渗析法处理，其中应 用最成熟的是含镍废水处理。 ⑸ 从放射性废水中分离放射性元素，然后将其浓缩液掩埋。
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
酸性气体的清除与回收
第八节 电渗析在废水处理中的应用
• 水的纯化
海水、苦咸水、自来水制备初级和高级纯水的重要方法， 一般采用与离子交换树脂组合工艺，但注意电渗析不能 出去非电解质杂质
• 海水、盐泉卤水制盐
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
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。