离子交换膜及其在水处理中的应用

高教成

摘 要：离子交换膜是离子交换树脂成膜状形成的。该文介绍了离子交换膜的组成和分类，叙述了离子交换膜用于水处理中的电渗析、扩散渗析和Donnan（唐南）渗析过程，同时详细概述了这3种渗析过程的常见应用方面。电渗析过程需要有直流电场，而扩散渗析和Donnan渗析过程不需要有直流电场。电渗析过程常用于分离、浓缩溶液以及浓缩制盐，扩散渗析过程常用于酸和碱的回收，Donnan渗析过程用于水溶性污染物离子的分离去除，以及水中微量重金属浓度的检测分析。

关键词：离子交换膜 水处理 渗析

中图分类号：TQ028.8 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（a）-0044-01

近年来，随着水污染的日益加剧，膜分离技术在水处理中应用越来越广泛。离子交换膜分离作为膜分离技术的一种，其是在离子交换膜两侧离子浓度差推动力的作用下，利用离子交换膜的选择透过性，分离水中离子的过程。

离子交换膜分离技术的核心是离子交换膜。我国对离子交换膜的研究工作开始于1958年，当时是将离子交换树脂碾磨成粉以后，加工成离子交换膜。1966年以后，我国对离子交换膜的研发进入了快速发展阶段，各类离子交换膜相继的研发并投入生产。离子交换膜有3个组成部分，包括骨架、固定基团和固定基团上的移动离子，其实际上就是离子交换树脂成膜状形成的。

1 离子交换膜的分类

按照所带电荷基团种类的不同，可将离子交换膜分为阴膜和阳膜。阴膜是膜内含有带正电的碱性基团，其不允许阳离子透过，而选择性透过阴离子。阳膜是膜内含有带负电的酸性基团，其选择性透过的离子正好与阴膜相反。

按照固定基团与骨架结合方式的不同，又可将离子交换膜分为均相、异相和半均相膜。均相膜是膜内固定基团与骨架之间以化学键的方式结合，异相膜是膜内固定基团与骨架之间以物理的方式结合，半均相膜是膜内固定基团与骨架之间一部分以化学键的方式结合，另一部分以物理的方式结合。

2 离子交换膜的应用

根据其在水处理中分离对象与目的不同，离子交换膜主要用于电渗析、扩散渗析和Donnan（唐南）渗析，下面分别对这3种渗析应用进行叙述。

2.1 电渗析

电渗析过程需要有直流电场。其根据交换膜透过离子的选择性能，使溶液中的带电离子发生定向的迁移，而达到分离、浓缩溶液等目的。电渗析过程脱盐成本与原水中的含盐量有关。一般而言，电渗析过程的脱盐成本与原水中含盐量的0.6次方成正比关系，其脱盐的浓度最佳范围为几百至几千mg/L，苦咸水中含盐量浓度一般是在此范围中，而海水中的含盐量浓度为其10～20倍。

浓缩制盐是电渗析过程的另一方面应用。相比于常规的盐田法，电渗析浓缩制盐法具有投资少（仅为盐田法的20%）、易于自动化控制、占地少、产量增加、不受气候环境的影响等优点，但是电渗析浓缩制盐法要防止离子交换膜堆的沉淀和结垢。

2.2 扩散渗析

扩散渗析过程不需要有直流电场。其根据离子交换膜的两侧溶液之间存在的浓度差推动力，使溶液中的溶质发生扩散而选择性分离。扩散渗析过程常用于酸和碱的回收。与电渗析过程所不同的是，扩散渗析过程仅需要单一离子交换膜，即采用阴膜分离阳离子而实现酸的回收、或采用阳膜分离阴离子而实现碱的回收。此外，扩散渗析过程中所采用的离子交换膜含水量相对较高，使得其在两侧溶液浓度差推动力的作用下，可提高酸和碱的渗析速率。而电渗析过程中离子交换膜含水量相对较少、具有的固定基团浓度较高，以防止电渗析过程中水的电渗透。

阴离子交换膜不仅对阴离子具备选择透过性能，由于溶液的电中性要求，溶液中氢离子迁移速率快，半径较小，溶液中的阴离子需要伴随氢离子的迁移。故氢离子会优先透过阴离子交换膜，从而使得废液中的酸得以分离。同样道理，当通过阳离子交换膜时，溶液中的阳离子需要伴随氢氧根离子的迁移，氢氧根离子会优先透过阳离子交换膜，从而使得废液中的碱得以分离。

2.3 Donnan（唐南）渗析

Donnan渗析过程是溶液中的反离子利用膜的选择透过性能，在不需要直流电场的条件下，在离子交换膜的两侧相互扩散，而实现反离子的分离。在水处理中，Donnan渗析过程主要应用于两个方面，一是对水溶性的污染物离子进行分离去除，如氟化物、高氯酸盐、重金属离子等；二是对水中的微量重金属浓度进行检测分析。

Ersoz M[1]研究了无外加直流电场条件下，Donnan渗析过程中Ni2+和Co2+离子透过多磺酸阳膜的分离性能。采用阳离子交换膜将硫酸和金属盐溶液分开成两相，由于离子交换膜固定基团与金属盐离子之间的互相作用，Ni2+和Co2+离子则通过阳离子交换膜进行相应迁移。溶液的pH值对上述金属盐离子的透过扩散性能有影响。

Donnan渗析过程还可以用来检测分析水中的微量重金属浓度，其通过累积水中微量重金属，达到分析仪器能够精准检测的要求。Kalis E[2]研究了Donnan渗析膜技术检测分析水中游离重金属的浓度。由于低于ICP-MS（等离子质谱法）的检测限值，水中游离重金属的浓度往往无法检测。水中金属的毒性由游离重金属的浓度决定，通过联用Donnan渗析膜技术和等离子质谱法，可以有效的同时检测分析水中多种重金属的浓度。现场的检测分析结果得出，水中游离锌离子的浓度最大值为237 nM，镉离子的浓度最小值为0.06 nM。

3 结语

离子交换膜分离技术在水处理中应用越来越广泛。电渗析过程在直流电场下可实现分离、浓缩溶液以及浓缩制盐，扩散渗析和Donnan渗析过程在无直流电场下分别可实现酸碱的回收、离子的分离去除和微量重金属的检测分析。

参考文献

[1] Ersoz M，Kara H.Cobalt（Ⅱ） and nickel（Ⅱ）transfer through charged polysulfonated cation exchange membranes.Journal of Colloid and Interface Science，2000，232（2）：344-349.

[2] Kalis E J，Weng L，Temminghoff E J， et al.Measuring free metal ion concentrations in multicomponent slolutions using the Donnan membrane technique. Analytical Chemistry，2007，79（4）： 1555-1563.endprint