离子交换膜材料国内外研究现状和发展趋势
时间:2017-01-18 16:36 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
| 膜材料简介与发展趋势离子交换膜是一种具有离子选择透过性能的膜状功能高分子电解质，是膜状的离子交换树脂。它包括3个基本组成部分，即高分子骨架、固定基团及基团上的可移动离子【1】。离子交换膜具有选择透过性能，即阳离子交换膜只允许阳离子透过，而阻止阴离子透过，阴离子交换膜的作用恰好相反，所以这类膜又称为离子选择透过性膜【2】。由阳离子交换材料组成的膜为阳离子膜，它对阳离子具有选择透过性，简称阳膜(CM)。反之称为阴膜(AM)。阳膜的活性基团主要是磺酸、磷酸和羧酸等，阴膜的活性基团则为胺、叔胺、仲胺等。离子交换膜与离子交换树脂有着相似的化学结构和微观结构 【3】。阳离子交换膜在电化学还原过程中起着至关重要的作用。5439 离子交换膜具有分离效率高、能耗低和污染少等优点，因此在许多方面有着重要的应用价值。自1950年，W．juda报道了离子交换膜的选择透过现象以来，离子交换膜技术在世界范围内得到了迅速的发展，使其从初期性能差的非均相膜发展到适合于工业生产的、性能良好的均相离子交换膜，从单一用途发展到具有多种特殊用途的离子交换膜【4】。目前，商业上使用最多的是进口的全氟磺酸膜(Nafion)。虽然该膜表现出较好的稳定性，但是成本高，达到800美m ，且低温或较高温时的质子传导性只有0．5 mmol/g，因此开发新的、成本较低的 质子传导性高的阳离子交换膜一直是人们关注的焦点。 离子交换膜的选择透过性一般用双电层理论和Donnan膜平衡理论解释。 以阳膜为例，双电层理论认为膜中固定基团在电离之后带有电荷，在固定基团附近与电解质溶液中带相反电荷的离子形成双电层。此时，固定基团构成足够强度的负电场，使膜外溶液中带正电荷的离子容易进入空隙中透过阳膜。 Donnan膜平衡理论则认为平衡时阳膜内阳离子浓度大于溶液中阳离子浓度，这就说明溶液中与膜内固定离子符号相反的离子容易进入膜内，而同性离子不容易进入膜内，所以离子交换膜对反离子具有选择透过性。 离子交换膜对离子的选择透过性是衡量其性能好坏的重要指标之一。一般用模拟电渗析装置对该参数进行测定，但此法测出的值除与膜本身性能有关外，还受测定时电流密度和溶液流速的影响【6】，而且还要测定通电前、后浓缩室内两种离子浓度的变化因此工作量大，装置复杂。离子交换膜在外加电压作用下主要应用于电渗析除盐。但根据离子交换膜对离子具有选择透过性以及Donnan dialysis(唐南渗析)原理，当无外加电压时，原水中待去除离子可以在膜两侧补偿离子 与待去除离子活度比差的驱动下透过膜进入补偿离子溶液，从而实现被去除的目的。 目前国外对离子交换膜的研究较多，一方面是对膜性能进行改进，另一方面是研制具有专门用途的离子交换膜。美国杜邦公司研制的Nation系列膜与日本旭化成公司开发ACIPLEX F系列膜及H本旭硝子公司研制的Flemion系列膜具有耐强碱、低电耗的特点。双极膜也是人们研究的焦点。双极膜是在外加电场作用下能将水直接解离成H 和OH的膜，它是由阳膜、阴膜和中问界面亲水层组成。一些公司相继制成性能优良的双极膜，水离解电压在1.1~1.7伏，水离解效率在95％～99％【8】。 我国可用的离子膜品种单一，在国外基本上被淘汰了的电化性能差的非均相膜在我国仍占90％以上；已开发的性能较好的均相膜，由于性能不稳定，不能大规模生产。目前国内所需的绝大多数均相膜、电解膜等仍依赖于进口，具有特种性能的膜如特种选择透过性膜、 双极膜等多处于实验室阶段，研究工作比较薄弱。由于我国的制膜技术无法满足工业需要，严重阻碍了离子交换膜技术的应用，所以有必要加强研究、引进、消化与改造相结合，采用新技术来开发新品种，改善膜性能。 (责任编辑：qin) |