离子交换膜
离子交换膜的分类及组成
离子交换膜的分类及组成一、离子交换膜的分类离子交换膜是电渗析器的核心部件，是一种膜状的离子交换树脂。
但必须指出，在电渗析中使用的离子交换膜，实际上并不是起离子交换作用，而是起离子选择透过作用，更确切地应称为离子选择性透过膜。
由阳离子交换材料组成的膜含有酸性活性基团，可解离出阳离子，它对阳离子具有选择透过性，称为阳离子交换膜，简称为阳膜；由阴离子交换材料组成的膜含有碱性活性基团，可解离出阴离子，它对阴离子具有选择透过性，称为阴离子交换膜，简称为阴膜。
图7-3是离子交换膜的分类。
强酸型：磺酸型阳离子交换膜中酸型：磷酸型、膦酸型弱酸型：羧酸型、酚型混合型：苯酚磺酸强碱型：季胺型、吡啶季胺型离子交换膜阴离子交换膜中、弱碱酸型：伯胺型、仲胺型、叔胺型混合型：混合胺型表面涂层膜双极膜特殊离子交换膜两性膜镶嵌膜其它膜图7-3 离子交换膜的分类实用文档实用文档二、离子交换膜的组成在宏观形态上离子交换膜是片状薄膜，而离子交换树脂是颗粒状的，但微观结构基本相同。
离子交换膜的组成见图7-4。
高分子骨架结构部分固定部分 离子交换基团（固定荷电基团）膜的主体反离子（对立离子）离子交换膜 活动部分 唐纳渗透离子（同名离子）溶剂（如水）增强材料图7-4 离子交换膜的组成膜主体的固定部分由体型或线型长链高分子材料组成，在高分子链上锚有离子交换基团，当膜投入水中时，发生吸水溶胀，使活性基团离解。
如磺酸型阳膜的活性基团一SO 3H 可以离解为：H +季胺型阴膜的活性基团一N(CH 3)3OH 可以离解为：一产生的H + 和OH — 进入水溶液中，膜上留下一定电荷的固定基团，它可吸附溶液中的正离子和负离子，这些离子是可移动的。
实用文档。
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
离子交换膜是一种能够选择性传递离子的薄膜材料，它在许多领域中具有重要的应用。
根据离子交换膜的性质和用途的不同，可以将其分为几个分类。
首先是酸性离子交换膜。
酸性离子交换膜具有优异的酸性特性，能够吸附和释放酸性离子。
在化学工业中，酸性离子交换膜广泛应用于离子交换、分离和纯化工艺中。
例如，在酸性废水处理过程中，酸性离子交换膜可以去除废水中的酸性离子，使其达到排放标准。
此外，酸性离子交换膜还可以用于电化学反应中的质子交换膜燃料电池和电解水产氢等领域。
其次是碱性离子交换膜。
碱性离子交换膜具有优异的碱性特性，能够吸附和释放碱性离子。
在电力工业中，碱性离子交换膜广泛应用于电解盐水制取氢氧化钠和氯气的工艺中。
此外，碱性离子交换膜还可以用于饮用水处理、海水淡化和废水处理等领域。
另外还有选择性离子交换膜。
选择性离子交换膜能够选择性地吸附和释放特定离子，可以根据需要选择不同的膜材料。
在生物医学领域，选择性离子交换膜被广泛应用于血液透析和药物分离等治疗和分离过程中。
此外，选择性离子交换膜还可以用于环境监测和食品安全检测等领域。
总的来说，离子交换膜的分类与作用多种多样，具有广泛的应用前
景。
通过选择不同类型的离子交换膜，可以实现对离子的选择性传递和分离，从而在化学工业、电力工业、生物医学等领域中发挥重要作用。
离子交换膜的发展将为人类的生活和工作带来更多便利和进步。
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。
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
锂电池离子交换膜
锂电池离子交换膜
离子交换膜的主要功能是：
1.隔离：离子交换膜可以隔离正负极之间的阳离子和阴离子，防止直接接触和短路，提高锂离子电池的安全性。
2.选择性传输：离子交换膜通过一定的孔径和电化学性能，
选择性地传输锂离子，使其能够在正负极之间自由移动，实现
电池的充放电。
离子交换膜的性能要求：
1.高离子传输率：离子交换膜应具有高速传输离子的特性，
以确保电池具有良好的充放电性能。
2.良好的离子选择性：离子交换膜应该能够选择性地传输锂
离子，而不传输其他离子，以提高电池的能量密度和循环稳定性。
3.良好的化学稳定性：离子交换膜应具有良好的化学稳定性，能够在电池的工作环境下长时间稳定地工作。
4.良好的热稳定性：离子交换膜应具有良好的热稳定性，能
够在高温或低温环境下正常工作。
5.良好的机械性能：离子交换膜应具有良好的机械强度和柔
韧性，以适应电池的变形和振动。
离子交换膜的材料：
常用的离子交换膜材料包括：聚丙烯膜（PP膜）、聚乙烯膜（PE膜）、聚酰亚胺膜（PI膜）等。
这些材料具有高离子传输率和良好的化学稳定性，在锂离子电池中得到广泛应用。
离子交换膜的发展趋势：
随着技术的发展，研究人员正在不断改进离子交换膜的性能，力求提高电池的能量密度、循环寿命和安全性。
目前，一些新
型材料和技术，如石墨烯、纳米多孔材料、离子液体等都在离
子交换膜的研究和应用中得到了广泛关注。
未来，随着新材料
和新技术的不断涌现，离子交换膜将进一步提高其性能，推动
锂离子电池的发展。
总结：。
离子交换膜简介
离子交换膜主要用途
电渗析 燃料电池隔膜 离子选择性电极
电渗析
利用离子交换膜来分离不同的溶质离子。在电场作 用下溶液中的带电的溶质离子通过膜而迁移的现象 称为电渗析。利用电渗析进行提纯和分离物质的技 术称为电渗析法，最初用于海水淡化，现在广泛用 于化工、轻工、冶金、造纸、医药工业，环保中。
离子选择性电极
离子选择性电极是一类利用膜电势测定溶液中 离子的活度或浓度的电化学传感器，当它和含 待测离子的溶液接触时，在它的敏感膜和溶液 的相界面上产生与该离子活度直接有关的膜电 势。电极膜对特定的离子具有选择性响应，电 极膜的电位与待测离子含量之间的关系符合能 斯特公式。这类电极由于具有选择性好、平衡 时间短的特点，是电位分析法用得最多的指示 电极。
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。
阳离子交换膜是对阳离子具有选择透过性。 阳离子膜通常是磺酸型的。 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。
原理
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。
离子交换膜简介
离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液 的的离子具有选择透过功能的膜，通常由高分 子材料制成。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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
18
离子膜法的优点
总投资省
出槽NaOH浓度高，质量好
氯气纯度高含氢、氧量低 能耗低 污染少
为什么这么 完美?
我有传说中的 离子交换膜……
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
19
优质的离子交换膜应具有以下特性：
1. 离子迁移数高，即离子选择透过性好；
2. 膜电阻低；
3. 机械强度大，尺寸稳定性好；
4. 化学性能稳定，抗污染性能好；
5. 因自由扩散引起的盐类及水的迁移小； 6. 容易保养和使用，成本低。
2、金属阳极法
六十年代发展起来的技术，使用带有金属氧化物涂层的金属阳极代替石墨阳极， 被誉为氯碱工业的一大革命。特点是对电解液的分解电压低，因此，显著降耗。 耐腐蚀性好，具有较高的催化活性。金属阳极的使用寿命长，可达十年、二十年， 甚至更长时间。与前法相比，可使隔膜的寿命延长一倍左右。但是，金属阳极法 会导致副产品Cl2 中含氧量增加。 以上两法电解槽中产生的氯气、氢气含有大量的水分，不能直接使用，需要经 过冷却、干燥和洗涤，然后加压输送给用户。电解槽出来的烧碱含NaOH 只有 10℅—11℅，并含有大量食盐，还需要经过蒸发并将盐分从碱液中分离。
3、水银法
优点：生产的碱液浓度大，纯度高，可以直接利用。 缺点：槽电压高，浪费能源，电解槽及汞的价格高，水银（即汞，易挥发，有 剧毒）对环境有严重的污染。
17
离子交换膜法
是氯碱工业生产的第三代工艺，也是目前氯碱工业的先进技术。 离子交换膜法是用阳离子交换膜隔离了阳极和阴极，对离子的隔离效 果好，电流效率高。前面的三种生产工艺都是采用石棉隔离阳极和阴极， 隔离效果差。 本法生产所得碱液中食盐含量极微，因而能制得高质量的烧碱。是一 项值得推广的烧碱生产技术。