离子交换膜

2017-12-06

   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,分为阴离子交换膜、阳离子交换膜,其原理是采用离子交换方法,在溶液中将本身的离子与溶液中的同号离子进行交换,把水中阳、阴离子去除;作用是可装配成电渗析器而用于苦咸水的淡化和盐溶液的浓缩。
    

        
   离子交换膜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;离子交换膜是由苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂、苯乙烯季铵型阴离子交换树脂以乙烯渤粘合剂,经混料拉片,用尼龙网增强热压而成的,阳膜具有强酸性基团R-S03–构成负电场,带正电荷的离子易吸收通过;阴膜具有强碱性基团R-SH2N+(CH3)3构成电场,带负电荷的离子易吸收通过。
   离子交换膜电解槽主要由阳极,阴极,离子交换膜,电解槽框和导电铜棒等组成,每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成,如图:
     

   离子交换膜电解槽的阳极用金属钛网制成,为了延长电极使用寿命和提高电解效率,钛阳极网上涂有钛,钌等氧化物涂层;阴极由碳钢网制成,上面涂有镍涂层;阳离子交换膜把电解槽隔成阴极室和阳极室,阳离子交换膜有一种特殊的性质,即它只允许阳离子通过,而阻止阴离子和气体通过,也就是说只允许Na+通过,而Cl-,OH-和气体则不能通过.这样既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸,又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影响烧碱的质量。

   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:

   2R—SO3H+Ca2+(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(CH33OH]、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-
        

   由于离子交换作用是可逆的,因此用过的离子交换树脂一般用适当浓度的无机酸或碱进行洗涤,可恢复到原状态而重复使用,这一过程称为再生。阳离子交换树脂可用稀盐酸、稀硫酸等溶液淋洗;阴离子交换树脂可用氢氧化钠等溶液处理,进行再生。

   
         
   离子交换膜含有足够的固定基团和可解离的离子,对溶液中的离子具有选择透过性和电导性,降低了膜面电阻,提高了电能利用效率,从而达到节能降耗的作用,所以用途于海水、苦咸水的淡化、溶液的脱盐浓缩等行业,有效地解决了特殊地方的工业和生活用水问题;离子交换膜也作用于甘油、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。