離子膜選擇透過機(jī)理分析及膜表面涂層、粒子鑲嵌改性研究.pdf

1、離子交換膜首次應(yīng)用在電滲析脫鹽工藝上可以追溯到1956年，經(jīng)過50多年的發(fā)展離子交換膜已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，如：水的回用和深度處理、環(huán)境保護(hù)、從廢酸中回收酸以及金屬電積。其中，在金屬電積中的應(yīng)用使離子交換膜受到了越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的金屬冶煉中，會(huì)排放大量的廢氣、廢水，而這也成為制約該行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素。新型膜法金屬電積工藝的產(chǎn)生，很好的解決了這個(gè)問題。離子交換膜作為膜法金屬電積工藝中的核心組件，其性能及使用壽命決定著這種新工

2、藝的處理效果。這種工藝中所用的國產(chǎn)異相離子交換膜的選擇透過性較差，需要通過改性來提高其性能。通過設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)，確定適宜的改性方法，對(duì)國產(chǎn)膜進(jìn)行改性獲得高選擇透過性的離子交換膜。
　　目前，常用“頓南平衡”理論和“雙電層”理論解釋離子交換膜的選擇透過性，但最近的研究表明，這兩種理論存在一定的缺陷，它們不能解釋通電條件下離子交換膜的選擇透過性。而“空穴傳導(dǎo)-雙電層”理論和孔道封閉理論可以很好的解釋在通電條件下離子交換膜的選擇通過性。

3、離子在膜內(nèi)的遷移主要包含兩種途徑：第一條途徑是通過膜內(nèi)的孔隙進(jìn)行遷移，直接通過膜孔隙到達(dá)膜的另一側(cè)，這個(gè)跟離子在溶液中的移動(dòng)很相似。第二條途徑是通過膜內(nèi)離子交換基團(tuán)的交換而進(jìn)行遷移的，此時(shí)膜孔隙僅是連接交換基團(tuán)之間的輔助傳遞通道，也就是說離子要想通過膜必須多次與離子交換膜上的可交換基團(tuán)進(jìn)行交換。為了確定離子在膜內(nèi)的遷移途徑是如何的，進(jìn)行了電滲析實(shí)驗(yàn)：將預(yù)處理的陽離子交換膜放在電滲析裝置上，測試的時(shí)候在膜的兩側(cè)分別注入1000mg/L的N

4、aCl溶液，通電10分鐘，保持電流強(qiáng)度為0.05A，連續(xù)測定10次。測量左隔室中的Mg2+和Na+的增量，第一次通電時(shí)，Mg2+的遷移數(shù)占總遷移數(shù)的95.2％，而Na+占總遷移數(shù)的4.8%，隨著通電次數(shù)的增加 Mg2+的遷移率逐漸降低，而 Na+的遷移率逐漸增高，到第10次通電后，Mg2+的遷移率為6.6%，Na+的遷移率為93.4%。說明溶液中的離子是通過與膜內(nèi)的反離子進(jìn)行交換的方式通過膜的。
　　用減小膜孔徑這種方法對(duì)離子交換

5、膜進(jìn)行膜改性。通過溶膠-凝膠法進(jìn)行膜表面涂層和在膜孔內(nèi)鑲嵌納米二氧化硅的改性方法能夠很好的提高離子交換膜的性能。溶膠-凝膠法中，水酯比、醇酯比、pH均會(huì)對(duì)膜表面涂層的性質(zhì)產(chǎn)生影響，在最佳條件(n水：nTEOS：n乙醇=6：1：3，pH=4)下，催化劑為鹽酸和稀氨水，110℃條件下反應(yīng)2個(gè)小時(shí)，改性膜的含水率為31.8%、離子交換容量為2.35meq/g、膜電位為2.99mV，較原膜分別提升了1.6%、0.9%和0.2%，而膜面電阻為5.