8第七章离子交换膜全解
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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
通过单体苯乙烯、二乙烯基苯的阴离子共聚合 或者自由基共聚合。
网状聚合物
DVB 二乙烯基苯
兴趣延伸：
同样是苯乙烯、二乙烯基苯单体， 采用阴离子聚合制备星形结构的聚合物。
活性阴离子聚合制备嵌段星形共聚物
季铵型阴离子交换膜化学结构
该离子交换膜是阴离子交换膜 还是阳离子交换膜？
电渗析淡化海水原理
离子交换膜的生产方法： （主要针对均相膜和半均相膜） 1，含浸法：以聚偏氯乙烯为基膜，浸在苯乙烯、
离子交换树脂
离子交换膜
化学组成相同，形状不同 应用 应用
树脂上的离子 与溶液中离子交换
电场作用下对溶液中 的离子进行选择性透过
磺酸型阳离子交换膜结构示意图
离子交换膜基体： 苯乙烯-二乙烯基苯共聚物
固定基团：SO3解离离子：Na+
选择性通过阳离子 不通过阴离子
如何制备离子交换膜的基体？用什么方法？
电渗析膜在其他方面的应用：
1. 环境保护：放射性污染饮用水的净化，电镀废水的处 理 2. 产品纯化：海带中提取甘露醇，果汁中提取柠檬酸， 从牛奶中脱除过量的无机盐，无盐酱油的生产等
电解食盐
2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2+H2
传统的氯碱工业生产方法
1、隔膜法（又叫石墨阳极法）
使用历史久，目前仍在广泛使用。能耗大，阳极石墨损耗快，一般只能使用6-8 个月，并且阳极产生的石墨碎屑严重影响石棉隔膜的使用寿命，石棉隔膜寿命只 有7-8个月。
二乙烯基苯单体中聚合，再引入固定基团。 2，流延法：聚合物溶解在有机溶剂中，处理 后的浆液流延成膜。 3，浸胶法：增强用的网布浸渍在聚合物胶浆 中之后，挥发掉溶剂成膜。 4，刮浆法（主要方法，大型连续）：可溶聚合 物溶解或分散在单体和交联剂中，调制成糊状， 刮涂在增强网布上，聚合得基膜，再通过化学 反应引入离子交换基团。
网状聚合物
DVB 二乙烯基苯
兴趣延伸：
同样是苯乙烯、二乙烯基苯单体， 采用阴离子聚合制备星形结构的聚合物。
活性阴离子聚合制备嵌段星形共聚物
季铵型阴离子交换膜化学结构
该离子交换膜是阴离子交换膜 还是阳离子交换膜？
电渗析淡化海水原理
离子交换膜的生产方法： （主要针对均相膜和半均相膜） 1，含浸法：以聚偏氯乙烯为基膜，浸在苯乙烯、
离子交换树脂
离子交换膜
化学组成相同，形状不同 应用 应用
树脂上的离子 与溶液中离子交换
电场作用下对溶液中 的离子进行选择性透过
磺酸型阳离子交换膜结构示意图
离子交换膜基体： 苯乙烯-二乙烯基苯共聚物
固定基团：SO3解离离子：Na+
选择性通过阳离子 不通过阴离子
如何制备离子交换膜的基体？用什么方法？
电渗析膜在其他方面的应用：
1. 环境保护：放射性污染饮用水的净化，电镀废水的处 理 2. 产品纯化：海带中提取甘露醇，果汁中提取柠檬酸， 从牛奶中脱除过量的无机盐，无盐酱油的生产等
电解食盐
2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2+H2
传统的氯碱工业生产方法
1、隔膜法（又叫石墨阳极法）
使用历史久，目前仍在广泛使用。能耗大，阳极石墨损耗快，一般只能使用6-8 个月，并且阳极产生的石墨碎屑严重影响石棉隔膜的使用寿命，石棉隔膜寿命只 有7-8个月。
二乙烯基苯单体中聚合，再引入固定基团。 2，流延法：聚合物溶解在有机溶剂中，处理 后的浆液流延成膜。 3，浸胶法：增强用的网布浸渍在聚合物胶浆 中之后，挥发掉溶剂成膜。 4，刮浆法（主要方法，大型连续）：可溶聚合 物溶解或分散在单体和交联剂中，调制成糊状， 刮涂在增强网布上，聚合得基膜，再通过化学 反应引入离子交换基团。
功能高分子化学离子交换膜与分离膜概述
离子交换膜在各个方面的应用
• 脱盐或纯化
• 水解
• 浓缩或分离
• 复分解
• 置换
• 电解、氧化、还原以及电化合成
2020/11/26
功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
11
2020/11/26
功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
12
电渗析器，异相离子交换膜引自2020/11/26功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
N a+ S O 3-N a+
C lS O 3-N a+
N a+
N a+
C lN a+
磺 酸 型 阳 膜 在 N aC l稀 溶 液 中 平 衡 示 意 图 R SO - 固 定 基 团 ； Na+ 解 离 子
功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
9
图例7
2020/11/26
N a+
苯 乙 烯 -二 乙 烯 基 苯 共 聚 物 N a+
_ 3
+
S
O
_ 3
+
磺酸型阳离子交换膜的膜体结构示意图 R SO2 固 定 基 团 ； + 解 离 离 子
功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
5
图例4
2020/11/26
磺 酸 型 阳 离 子 交 换 膜 曲 折 通 道 示 意 图
R S O 2 固 定 基 团 ；+ 解 离 离 子
功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
C l-
C O 3-N a+
C l-
C l-
S O 3-N a+
N a+
C l-
C l-
• 脱盐或纯化
• 水解
• 浓缩或分离
• 复分解
• 置换
• 电解、氧化、还原以及电化合成
2020/11/26
功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
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功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
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电渗析器，异相离子交换膜引自2020/11/26功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
N a+ S O 3-N a+
C lS O 3-N a+
N a+
N a+
C lN a+
磺 酸 型 阳 膜 在 N aC l稀 溶 液 中 平 衡 示 意 图 R SO - 固 定 基 团 ； Na+ 解 离 子
功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
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图例7
2020/11/26
N a+
苯 乙 烯 -二 乙 烯 基 苯 共 聚 物 N a+
_ 3
+
S
O
_ 3
+
磺酸型阳离子交换膜的膜体结构示意图 R SO2 固 定 基 团 ； + 解 离 离 子
功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
5
图例4
2020/11/26
磺 酸 型 阳 离 子 交 换 膜 曲 折 通 道 示 意 图
R S O 2 固 定 基 团 ；+ 解 离 离 子
功能高分子化学离子交换膜和分离膜概述
C l-
C O 3-N a+
C l-
C l-
S O 3-N a+
N a+
C l-
C l-
离子交换膜法生产工艺技术—离子交换膜法电解工艺技术
26
膜法除硝
具备以下特点和优势：
（1）硫酸根的去除是一个物理过程。 （2）可以使用全自动化工艺控制，比较方便。 （3）处理成本相对较低。 （4）全过程没有污染物的产生，完全符合目前国家产业政策。 （5）消除了任何其它因化学处理过程可能带入系统的不明杂 质离子对离子膜的污染，对离子膜的稳定运行具有重要的保证 作用。
阴
ClH2O
Na+
OH -极
OH OH -
离子膜碱 32-33％
精盐水 >300g/l
12
软水
电极反应式如下： 阳极： 2Cl- － 2e →Cl2↑ 阴极： 2H+ ＋2e → H2↑ ；
电解过程总的反应式如下：
通电
总反应：2NaCl + 2H2O = 2NaOH + H2↑ + Cl2↑
13
电解原理图还给我们释放以下信息： 1. 离子交换膜法电解技术可以直接获得32%左右的 NaOH产品；
4
5
（2）螯合树脂法二次精制原理
反应式如下：
吸附前的状态 结构更像张开的螯钳
吸附后的状态 变成了闭合的环状螯合物
6
（3）螯合树脂的再生
反应式如下：
通过上面的反应式，将钙（镁）型树脂转变成氢型树脂
通过这个反应式，氢型树脂转变7 成钠型树脂，恢复到初始状态。
（4）影响精制的主要因素
4.1 盐水的pH值 pH值的选择取决于选用的具体树脂种类、要求，以及树脂塔 出口钙镁含量的测定结果。
OH-则与从阳极透过离子膜过来的Na+，结合生成NaOH溶 液由阴极室流出，部分循环，大部分进入烧碱储罐。
18
阳极：饱和食盐水预热到规定温度后，送入电解槽 的阳极室, 在阳极表面Cl－放电生成Cl2，汇入氯气入总 管，输送到后续处理。
膜法除硝
具备以下特点和优势：
（1）硫酸根的去除是一个物理过程。 （2）可以使用全自动化工艺控制，比较方便。 （3）处理成本相对较低。 （4）全过程没有污染物的产生，完全符合目前国家产业政策。 （5）消除了任何其它因化学处理过程可能带入系统的不明杂 质离子对离子膜的污染，对离子膜的稳定运行具有重要的保证 作用。
阴
ClH2O
Na+
OH -极
OH OH -
离子膜碱 32-33％
精盐水 >300g/l
12
软水
电极反应式如下： 阳极： 2Cl- － 2e →Cl2↑ 阴极： 2H+ ＋2e → H2↑ ；
电解过程总的反应式如下：
通电
总反应：2NaCl + 2H2O = 2NaOH + H2↑ + Cl2↑
13
电解原理图还给我们释放以下信息： 1. 离子交换膜法电解技术可以直接获得32%左右的 NaOH产品；
4
5
（2）螯合树脂法二次精制原理
反应式如下：
吸附前的状态 结构更像张开的螯钳
吸附后的状态 变成了闭合的环状螯合物
6
（3）螯合树脂的再生
反应式如下：
通过上面的反应式，将钙（镁）型树脂转变成氢型树脂
通过这个反应式，氢型树脂转变7 成钠型树脂，恢复到初始状态。
（4）影响精制的主要因素
4.1 盐水的pH值 pH值的选择取决于选用的具体树脂种类、要求，以及树脂塔 出口钙镁含量的测定结果。
OH-则与从阳极透过离子膜过来的Na+，结合生成NaOH溶 液由阴极室流出，部分循环，大部分进入烧碱储罐。
18
阳极：饱和食盐水预热到规定温度后，送入电解槽 的阳极室, 在阳极表面Cl－放电生成Cl2，汇入氯气入总 管，输送到后续处理。
纤维素离子交换膜
纤维素离子交换膜纤维素离子交换膜，又称离子交换纤维素膜或离子交换膜，是一种常见的离子交换材料。
它们由基质物质（纤维素）和交换基（阴、阳离子）组成，可将阴、阳离子通过膜的交换基吸附固定，从而实现离子交换的目的。
下面将从不同的角度来介绍纤维素离子交换膜：1. 材料结构纤维素离子交换膜的结构可以分为二元和三元交换基，其中二元交换基是阴离子基和阳离子基的简单组合，而三元交换基则是在二元基的基础上加入一种难离解的离子基，使得交换膜的稳定性更高。
此外，纤维素离子交换膜的孔径大小、孔隙度、膜厚度等参数也会影响膜的性能。
2. 应用领域纤维素离子交换膜广泛应用于电化学、生物技术、化学分析、环境工程等领域。
比如，在电化学领域，纤维素离子交换膜可用于固态电池、电解电容等电化学器件中，起到离子选择性传递的作用；在生物技术领域，纤维素离子交换膜可用于蛋白质分离、DNA分离等分子生物学实验中，可以快速、准确地分离出目标分子；在环境工程领域，纤维素离子交换膜可用于污水处理、饮用水净化等方面，起到去除有害离子、改善水质的作用。
3. 制备方法纤维素离子交换膜的制备方法有离子交换、浸渍法、电化学法等。
其中，离子交换法是最常用的方法之一，它是将阴、阳离子交换颗粒物直接填充在纤维素基质中，形成阴、阳离子交换膜；浸渍法则是使用离子交换颗粒物浸渍在纤维素基质上，形成阴、阳离子交换层；电化学法则是通过电化学还原将金属离子沉淀到纤维素膜上，并形成交换膜。
4. 环保性能纤维素离子交换膜具有良好的环保性能，其主要原因在于交换基、基质都来自于天然、可再生的纤维素材料。
同时，纤维素离子交换膜的制备过程中不需要使用有毒等有害材料，生产废水也可以通过简单的处理后直接排放，不会对环境造成污染。
总之，作为一种重要的离子交换材料，纤维素离子交换膜在各个领域都扮演着重要的角色。
经过不断的研究和开发，相信它的性能和应用领域将会不断扩大和完善。
离子交换膜电池-高二化学(人教版2019选择性必修1)
+ 和−
可通过离子交换膜,而两端隔室
中离子被阻挡不能进入中间隔室。下列叙述
正确的是(
)
B
A. 通电后中间隔室的−
向正极区迁移,正极区溶液增大
B. 该法在处理含 废水时可以得到和 产品
C. 负极区的电极反应为 − − = ↑ + + , 负极区溶液减小
其中a、b均为石墨电极。
左侧：为“稀→浓”的溶液区，则右侧的K＋通过K＋交换膜移向左
侧，a极为阴极，电极反应为2H2O＋2e － ===2OH － ＋H2↑，产生的
OH－结合移入的K＋生成KOH。
右侧：b极为阳极，电极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，促使溶
+ ⇌ − ＋H O正向进行，生成K Cr O 。
收液中含有�� 和 。阳极的电极反应式为______________。
电解后,_____室的
浓度增大。将该室溶液进行结晶脱水,可得到
。
[解析] 由题图可知,
阳极: − − = + + ↑ ,
阴极: + − = − + ↑, + 通过
交换膜上有很多微孔，“孔道”上有许多
带负电荷的基团，阳离子可以自由通过
“孔道”，由浓度大的区域向浓度小的区
域移动。阴离子移动到“孔道”处，受到
“孔道”带负电荷基团的排斥而不能进入“孔道”中，因而不能通过
交换膜。这就是“选择性”透过的原因。其构造与工作示意图如图所
示：阴离子交换膜的构造和工作原理与此相同，只不过是“孔道”中
－4e－===O2↑＋4H＋，生成H＋。
离子移动方向：H＋通过阳离子交换膜从左侧移向右侧。
可通过离子交换膜,而两端隔室
中离子被阻挡不能进入中间隔室。下列叙述
正确的是(
)
B
A. 通电后中间隔室的−
向正极区迁移,正极区溶液增大
B. 该法在处理含 废水时可以得到和 产品
C. 负极区的电极反应为 − − = ↑ + + , 负极区溶液减小
其中a、b均为石墨电极。
左侧：为“稀→浓”的溶液区，则右侧的K＋通过K＋交换膜移向左
侧，a极为阴极，电极反应为2H2O＋2e － ===2OH － ＋H2↑，产生的
OH－结合移入的K＋生成KOH。
右侧：b极为阳极，电极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，促使溶
+ ⇌ − ＋H O正向进行，生成K Cr O 。
收液中含有�� 和 。阳极的电极反应式为______________。
电解后,_____室的
浓度增大。将该室溶液进行结晶脱水,可得到
。
[解析] 由题图可知,
阳极: − − = + + ↑ ,
阴极: + − = − + ↑, + 通过
交换膜上有很多微孔，“孔道”上有许多
带负电荷的基团，阳离子可以自由通过
“孔道”，由浓度大的区域向浓度小的区
域移动。阴离子移动到“孔道”处，受到
“孔道”带负电荷基团的排斥而不能进入“孔道”中，因而不能通过
交换膜。这就是“选择性”透过的原因。其构造与工作示意图如图所
示：阴离子交换膜的构造和工作原理与此相同，只不过是“孔道”中
－4e－===O2↑＋4H＋，生成H＋。
离子移动方向：H＋通过阳离子交换膜从左侧移向右侧。
离子交换膜工作原理
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。
离子交换树脂的用途很广，主要用于分离和提纯。例如用于硬水软化和制取去离子水、回收工业废水中的金属、分离稀有金属和贵金属（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（CH3）3OH]、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-
离子交换树脂是一类具有离子交换功能的高分子材料。在溶液中它能将本身的离子与溶液中的同号离子进行交换。按交换基团性质的不同，离子交换树脂可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两类。
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
离子交换树脂的用途很广，主要用于分离和提纯。例如用于硬水软化和制取去离子水、回收工业废水中的金属、分离稀有金属和贵金属（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（CH3）3OH]、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-
离子交换树脂是一类具有离子交换功能的高分子材料。在溶液中它能将本身的离子与溶液中的同号离子进行交换。按交换基团性质的不同，离子交换树脂可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两类。
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
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8
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①电源的负极为 （填“A”或“B”）.
②阳极室中发生的反应依次为
、
。
③电解结束后，阴极室溶液的pH与电解前相比将 ；若
两极共收集到气体13.44L（标准状况），则除去的尿素为
g（忽略气体的溶解）.
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6
①B②2Cl﹣﹣2e﹣═Cl2↑， CO（NH2）2+3Cl2+H2O═N2+CO2+6HCl ③ 不变，7.2
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1
2010重庆 全钒液流储能电池是 利用不同价态离子对的氧化还 原反应来实现化学能和电能相 互转化的装置，其原理如下图 所示。
（3）当左槽溶液颜色逐渐由黄
变蓝，其电极反应式为____。
（4）充电过程中，右槽溶液颜
色逐渐由____色变为____色。
（5）放电过程中氢离子的作用
是___和___；充电时若转移的ppt课件完整
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7
2014福建
某原电池装置如图所示，电池总反应为
2Ag＋Cl2＝2AgCl。下列说法正确的是
A．正极反应为AgCl ＋e－＝Ag ＋Cl－
B．放电时，交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成
C．若用NaCl溶液代替盐酸，则电池总反应随之改变
D．当电路中转移0.01 mol e－时，交换膜左侧溶液中约减少0.02 mol离子
已知Ksp(BaSO4)＝1.0×10－10 ，Ksp(BaCO3)＝ 2.5×10－9 。若用10 L Na2CO3溶液溶解1.0 mol的 BaSO4，则Na2CO3溶液的最初浓度不得低于( )
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性透过作用！
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
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。
工作原理示意图
2
3
4
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
• 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）
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
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Байду номын сангаас一段 两级一段 一级两段
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
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 注意！离子交换膜的作 • 膜对溶解离子所具有的传递迁移能力，吸 用并不是起离子交换的 附-解吸-迁移 作用，而是起离子选择
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。
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。
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。
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）
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。
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
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。
工作原理示意图
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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
• 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）
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
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Байду номын сангаас一段 两级一段 一级两段
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
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 注意！离子交换膜的作 • 膜对溶解离子所具有的传递迁移能力，吸 用并不是起离子交换的 附-解吸-迁移 作用，而是起离子选择
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。
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。
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。
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）
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。