概述离子交换膜的发展及前景应用

第４８卷第４期２０１９年４月

应　用　化　工ＡｐｐｌｉｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙ

Ｖｏｌ．４８Ｎｏ．４Ａｐｒ．２０１９

收稿日期：２０１８ １０ １７ 修改稿日期：２０１８ １１ １５

基金项目：国家自然科学基金项目（２１４６６０１９）；甘肃省青年科技基金计划（１７ＪＲ５ＲＡ０８８）

作者简介：关文学（１９９５－），男，甘肃白银人，在读硕士研究生，师从王三反教授，研究方向为离子交换膜制备及污水处

理。电话：１８２１５１４９０６７，Ｅ－ｍａｉｌ：１０３２８２７５９８＠ｑｑ．ｃｏｍ

通讯联系人：王三反，男，教授，博士生导师，研究方向为重金属污染治理及回收利用。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｓｆ１６１２＠ｍａｉｌ．ｌｚｊｔｕ．ｃｎ

概述离子交换膜的发展及前景应用

关文学１，２，王三反１，２，李艳红１，２

（１．兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州　７３００７０；２．寒旱地区水资源综合利用教育部工程研究中心，甘肃兰州　７３００７０）

摘　要：离子交换膜因其在节能、环保方面的巨大优势，已经发展为未来研究的主要方向。离子交换膜的分类方法已经完善，但在制备方法、改性以及应用方面的研究一直是研究的重点方向，对阴离子交换膜、阳离子交换膜及其制备过程、表面改性和掺混改性过程的研究具有巨大经济价值，离子交换膜在水处理、电渗析和冶金方面的应用可以极大的节约能源，在环境保护方面也具有巨大应用前景。关键词：离子交换膜；分类；制备；改性；应用；水处理

中图分类号：ＴＱ０２８．８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－３２０６（２０１９）０４－０８８８－０５

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｉｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅ

ＧＵＡＮＷｅｎ ｘｕｅ１，２，ＷＡＮＧＳａｎ ｆａｎ１，２，ＬＩＹａｎ ｈｏｎｇ

１，２

（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＭｕｎｉｃｉｐａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｎｚｈｏｕＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００７０，Ｃｈｉｎａ；

２．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎｏｎＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆ

ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓｉｎＣｏｌｄａｎｄＤｒｏｕｇｈｔＡｒｅａｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００７０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅｓｈａｖｅｂｅｃｏｍｅｔｈｅｍａｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｉｒｇｒｅａｔａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｉｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｂｕｔｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｈａｓａｌｗａｙｓｂｅｅｎｔｈｅｆｏｃｕｓｏｆｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎａｎｉｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅｓ，ｃａｔｉｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅｓａｎｄｔｈｅｉｒｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｂｌｅｎｄｉｎｇｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｈａｓｇｒｅａｔｅｃｏｎｏｍｉｃｖａｌｕｅ．Ｉｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅｓａｒｅｕｓｅｄｉｎｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｄｉａｌｙｓｉｓａｎｄｍｅｔａｌｌｕｒｇｙｃａｎｓａｖｅｅｎｅｒｇｙｇｒｅａｔｌｙ，ａｎｄｈａｓｇｒｅａｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓｉｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅ；ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ；ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；ｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ 高分子材料的离子交换膜，因其优异的性能已在食品、化工、纺织、冶金、轻工等多个部门开始试用。１９５０年，Ｉｏｎｉｃｓ公司开发的一种稳定、高选择性、低电阻的离子交换膜在电解中的应用。标志着

离子交换膜开始进入生产利用［

１］

。我国离子交换膜的研制开始于１９６０年前后，主要研制用于苦咸水

淡化方面的非均相膜［２］

。随后于７０年代初研制出

了多种性能较为优良的离子交换膜，但实际投入应用的均相离子交换膜很少，仅有少部分应用于酸碱

制备等领域的离子交换膜投入了使用［３］。图１为离子交换膜相关过程及发展时间表［

４］

。图１　离子交换膜相关过程及发展时间表

Ｆｉｇ．１　Ｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｃｈｅｄｕｌｅｏｆ

ｉｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅ

第４期关文学等：概述离子交换膜的发展及前景应用

１　离子交换膜的分类

离子交换膜一般按照结构、活性基团以及材料性质三大类进行区分。

１．１　按照膜结构来分

按照膜结构，可分为异相、半均相和均相膜三类。

异相膜（又称非均相膜），由细粉末状的离子交换剂和粘合剂混合后，经密炼、开练等工序，轧成厚度０．３ｍｍ左右的薄膜，之后于薄膜两面按照实际应用所需压上目数不同的增强网布制成。离子交换基团和粘结剂形成的化学结构不连续。工艺简单，但膜电阻较大，选择性也较差［５］。

半均相膜成膜高分子材料中离子交换基团分布均匀，但非化学结合，故而其性能、结构介于非均相和均相膜之间［５］。

均相膜的制备方法一般为单体聚合后再实现功能化［６ ７］，或先功能基化后涂覆成膜［８ ９］。离子活性基团和成膜材料发生化学联结。这类膜电化学性能优异，物理性能良好，是离子交换膜研究的主要方向［５］。１．２　按照活性基团来分

按照活性基团不同，可细分为阳离子交换膜（简称阳膜）、阴离子交换膜（简称阴膜）和特种膜三大类。阳离子交换膜可以选择性透过阳离子而阻碍阴离子透过，阴离子交换膜正好相反［１０］。离子交换膜因其不同的交换活性基团而具有不同的选择透过能力［１１ １３］。阴阳离子活性基团均匀分布于一张膜表面形成双极性膜，即特种膜。部分正负电荷并列存在于膜厚度方向，或者带正负电荷不同的两张膜贴合在一起组成。目前，这类膜还处于研发阶段。１．３　按照材料性质分

根据构成组分的不同，可将离子交换膜分为有机、无机离子交换膜两类。使用高分子材料合成的即为有机膜，反之亦然。目前最为普遍使用的磺酸型阳离子交换膜以及季胺型阴离子交换膜皆属于此类［５］。但无机材料相较于有机材料，抗氧化能力强、热稳定性高、成本低廉。

２　离子交换膜的制备与改性研究

２．１　离子交换膜的制备方法

国内外针对离子交换膜的制备进行了大批钻研，针对不同功能的离子交换膜，研究出了不同的成膜方法。

２．１．１　异相离子交换膜的制备　异相离子交换膜的制备，传统一般可分为［１４］：

（１）流涎聚合法：于局部交联的聚合物溶液中均匀扩散离子交换树脂，流涎成膜后交联成膜。

（２）流涎法：利用流涎方法，将聚合物溶液和离子交换树脂混合后的溶液均匀分散于水平金属表面或玻璃表面，通过升温加热方式挥发溶剂最终成膜。

（３）熔融挤出法：通过加热或加入塑化剂的方法，使离子交换树脂和惰性聚合物的混合物成半流动状态，挤出成膜。

（４）热压法：将聚合物与离子交换树脂均匀混合成膜后，外加网布，热压成膜。

普通异相离子交换膜制备流程见图２。

树脂→干燥→过筛→磨粉→过筛→树脂粉

配料→双辊混炼→拉片→加网热压→异相膜

图２　异相离子交换膜制备流程图

Ｆｉｇ．２　Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｉｏｎｅｘｃｈａｎｇｅ

ｍｅｍｂｒａｎｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ

异相离子交换膜由于仅仅依靠机械方法聚合离子交换树脂和粘结剂，机械性能、耐腐蚀性和抗氧化性能好，污染后清洗液较为方便［１５］。但在实际使用过程中，树脂容易发生脱落而导致离子交换膜性能下降。２．１．２　半均相离子交换膜的制备　和异相离子交换膜的成膜过程类似，采用前期制备得到的离子交换树脂，按照异相膜成膜的方法制备。由于充当溶剂作用的为粘结剂，使制得的前体溶液分散质均匀分散，且离子交换树脂与粘结剂形成相互缠绕结构而不易脱落，达到延长离子交换膜寿命的目的。由于省去了磨粉工艺，避免了树脂的损失，简化了制膜工艺，降低了制膜成本。以制备聚氯乙烯半均相膜为例，工艺流程见图３

。

图３　聚氯乙烯半均相膜制备流程图

Ｆｉｇ．３　ＰｒｏｃｅｓｓｆｌｏｗｃｈａｒｔｆｏｒｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆＰＶＣ

ｓｅｍｉｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｍｅｍｂｒａｎｅ

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