离子交换膜的作用机理分析

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：离子交换膜是电渗析器的重要组成部分，它是一种具有选择透过性能的高分子片状薄膜。因此实用的离子交换膜应具有以下的基本要求。离子交换膜的选择性透过机理和离子在膜中的迁移历程可由膜的孔隙作用、静电作用、和在外力作用下的定向扩散作用等说明。脱盐用的离子交换膜孔径多在几个至20。扩散作用依赖于膜内活性离子交换基和孔隙的存在，然而离子的定向迁移是外加电场力推动的结果。

离子交换膜是电渗析器的重要组成部分，它是一种具有选择透过性能的高分子片状薄膜。按其选择透过性能，主要分为阳膜与阴膜；按其膜体结构，可分为异相膜、均相膜和半均相膜三种。其性能的优劣，决定了电渗析器的性能。因此实用的离子交换膜应具有以下的基本要求。

1）膜具有较高的选择透过性，一般要求迁移数在0.9以上。

2）膜的导电性能好，电阻低。

3）具有较好的化学稳定性和较高的机械强度。

4）水的电渗透量和离子的反扩散要低。

离子交换膜的选择性透过机理和离子在膜中的迁移历程可由膜的孔隙作用、静电作用、和在外力作用下的定向扩散作用等说明。

1.孔隙作用(https://www.chuimin.cn)

膜具有孔隙结构，图6-17示出了磺酸型阳膜的孔隙结构。它是贯穿膜体内部的弯曲通道。这些孔隙作为离子通过膜的门户和通道，使被选择吸附的离子得以从膜的一侧到另一侧，这种作用称为孔隙作用。脱盐用的离子交换膜孔径多在几个 pagenumber_ebook=182,pagenumber_book=170 至20。像作为固体吸附剂的分子筛那样，因其本身具有均一的微孔结构，故能将大小不同体积的分子加以分离。所以，膜的孔隙作用又称“分筛效应”。显然，孔隙作用的强弱主要取决于孔隙度的大小和均匀程度。

2.静电作用

在膜的化学结构中，膜体内分布着带电荷的固定离子交换基，也如图6-17所示。因此，膜内构成强烈的电场：阳膜产生负电场；阴膜产生正电场。根据静电效应原理，膜与带电离子将发生静电作用：同电性相斥，异电性相吸。作用的结果，阳膜只能选择吸附阳离子，阴膜只能选择吸附阴离子。它们分别排斥与各自电场性质相同的同名离子。对于双性膜，因为它们同时存在正、负电场，对阴.、阳离子选择透过能力就取决于正负电场之间强度的大小。

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图6-17　磺酸型阳膜的孔隙结构

3.扩散作用

膜对溶液中离子所具有的传质迁移能力，通常称之为扩散作用，或称溶解扩散作用。扩散作用依赖于膜内活性离子交换基和孔隙的存在，然而离子的定向迁移是外加电场力推动的结果。孔穴形成无数迁回曲折的通道，在通道口和内壁上分布有活性离子交换基，对进入膜相的溶液离子继续进行着鉴别选择。这种吸附一解吸一迁移的方式，就像接力赛那样，交替地一个传一个，直至把离子从膜的一端输送到另一端，这就是膜对溶解离子定向扩散作用的全过程。

离子交换膜的作用机理分析

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