离子交换膜及其性质

    电渗析过程的关键在于离子交换膜，占设备总成本的40％。

    离子交换膜与球状或不定形状粒子交换树脂具有相同的化学结构，可以分为基膜和活性基团两大部分。基膜即具有立体网状结构的高分子化合物，活性基团是由具有交换作用的阳(或阴)离子和与基膜相连的固定阴(或阳)离子所组成。

    磺酸型阳膜可示意为：

   — —               (10—27)

基膜     活性基团           基膜     固定离子       可交换离子

    又如季胺型阴膜可示意为：

— —      (10—28)

  基膜           活性基团         基膜          固定离子     可交换离子

    基膜的立体网状结构的高分子骨架中存在许许多多网孔，这些网孔相互沟通形成细微孔径，微观看来就是一些迂回曲折的通道，通道的长度远大于膜的厚度，如图10—19所示，正因为细微孔的存在，使离子有可能从膜的一侧运动到膜的另一侧。

    离子交换膜的种类很多，可以按照不同方法分类。

    按膜中活性基团种类可分为阳离子交换膜，阴离子交换膜和特殊离子交换膜三大类。

    按膜体结构(或按制造工艺)可分为异相膜、均相膜和半均相膜三大类。异相膜是直接用磨细的离子交换树脂加入粘合剂而制的薄膜，均相膜则不会含粘结剂，通常是在高分子基膜上直接接上活性基团，或用含活性基团的高分子树脂的溶液直接制得的膜。半均相膜是将离子交换树脂和粘合剂同溶于溶剂中再成膜，其外观、结构和性能均介于异相膜和均相膜之间。

    离子交换膜具有选择透过性，这一过程可由双电层理论或Gibbs—Donnan膜平衡理论予以解释。

    如同其它膜过程一样，电渗析过程的浓差极化现象十分严重。电渗析器运行时，在直流电场作用下，水中阴、阳离子分别通过阴膜和阳膜作定向移动，并各自传递一定的电荷。反离子在膜内的迁移数大于其溶液中的迁移数，因此在膜两侧形成反离子的浓度边界层。这种浓差极化对电渗析过程产生极为不利的影响，主要表现在：

    ⑴、极化时淡化室附近的离子浓度比溶液的主体的浓度低得多，将引起很高的极化电位；

    ⑵、当发生极化时，淡化室阳膜侧的水离解产生的 离子透过阳膜进入浓缩室，使膜面处呈碱性，当溶液中存在 ， ， 等离子时，易在阳膜面上形成 ，或 ：沉淀。淡化室阴膜侧水解产生的 离子透过阴膜进入浓缩室，则在浓缩室的阴膜侧易生成 和 ；等沉淀。

    ⑶、浓差极化使水离解，产生的 与 代替反离子传递部分电流，使电流效率降低。

    ⑷、由于浓差极化将引起溶液电阻、膜电阻以及膜电位增加，使所需操作电压增加，电耗增大，在电压一定的条件下，则电流密度将下降，使水的脱盐率下降或产水量降低。

    此外，浓差极化引起溶液pH值的变化，将使离子膜受到腐蚀而影响其使用寿命。

    为避免极化的产生，可采用以下措施减轻浓差极化的影响：严格控制操作电流，使其低于极限电流密度，提高淡化室两侧离子的传递速率，并定期清洗沉淀或采用防垢剂和倒换电极等措施来消除沉淀，也可以对水进行预处理，除去 ， ，防止沉淀的产生，提高温度可以减小溶液粘度，减薄滞流层厚度，提高离子扩散系数，有利于减轻极化的影响，使电渗析有可能在较高的电流密度下操作。