離子交換膜及其在水處理中的應用

高教成

摘 要：離子交換膜是離子交換樹脂成膜狀形成的。該文介紹了離子交換膜的組成和分類，敘述了離子交換膜用于水處理中的電滲析、擴散滲析和Donnan（唐南）滲析過程，同時詳細概述了這3種滲析過程的常見應用方面。電滲析過程需要有直流電場，而擴散滲析和Donnan滲析過程不需要有直流電場。電滲析過程常用于分離、濃縮溶液以及濃縮制鹽，擴散滲析過程常用于酸和堿的回收，Donnan滲析過程用于水溶性污染物離子的分離去除，以及水中微量重金屬濃度的檢測分析。

關鍵詞：離子交換膜 水處理 滲析

中圖分類號：TQ028.8 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）-0044-01

近年來，隨著水污染的日益加劇，膜分離技術在水處理中應用越來越廣泛。離子交換膜分離作為膜分離技術的一種，其是在離子交換膜兩側離子濃度差推動力的作用下，利用離子交換膜的選擇透過性，分離水中離子的過程。

離子交換膜分離技術的核心是離子交換膜。我國對離子交換膜的研究工作開始于1958年，當時是將離子交換樹脂碾磨成粉以后，加工成離子交換膜。1966年以后，我國對離子交換膜的研發進入了快速發展階段，各類離子交換膜相繼的研發并投入生產。離子交換膜有3個組成部分，包括骨架、固定基團和固定基團上的移動離子，其實際上就是離子交換樹脂成膜狀形成的。

1 離子交換膜的分類

按照所帶電荷基團種類的不同，可將離子交換膜分為陰膜和陽膜。陰膜是膜內含有帶正電的堿性基團，其不允許陽離子透過，而選擇性透過陰離子。陽膜是膜內含有帶負電的酸性基團，其選擇性透過的離子正好與陰膜相反。

按照固定基團與骨架結合方式的不同，又可將離子交換膜分為均相、異相和半均相膜。均相膜是膜內固定基團與骨架之間以化學鍵的方式結合，異相膜是膜內固定基團與骨架之間以物理的方式結合，半均相膜是膜內固定基團與骨架之間一部分以化學鍵的方式結合，另一部分以物理的方式結合。

2 離子交換膜的應用

根據其在水處理中分離對象與目的不同，離子交換膜主要用于電滲析、擴散滲析和Donnan（唐南）滲析，下面分別對這3種滲析應用進行敘述。

2.1 電滲析

電滲析過程需要有直流電場。其根據交換膜透過離子的選擇性能，使溶液中的帶電離子發生定向的遷移，而達到分離、濃縮溶液等目的。電滲析過程脫鹽成本與原水中的含鹽量有關。一般而言，電滲析過程的脫鹽成本與原水中含鹽量的0.6次方成正比關系，其脫鹽的濃度最佳范圍為幾百至幾千mg/L，苦咸水中含鹽量濃度一般是在此范圍中，而海水中的含鹽量濃度為其10～20倍。

濃縮制鹽是電滲析過程的另一方面應用。相比于常規的鹽田法，電滲析濃縮制鹽法具有投資少（僅為鹽田法的20%）、易于自動化控制、占地少、產量增加、不受氣候環境的影響等優點，但是電滲析濃縮制鹽法要防止離子交換膜堆的沉淀和結垢。

2.2 擴散滲析

擴散滲析過程不需要有直流電場。其根據離子交換膜的兩側溶液之間存在的濃度差推動力，使溶液中的溶質發生擴散而選擇性分離。擴散滲析過程常用于酸和堿的回收。與電滲析過程所不同的是，擴散滲析過程僅需要單一離子交換膜，即采用陰膜分離陽離子而實現酸的回收、或采用陽膜分離陰離子而實現堿的回收。此外，擴散滲析過程中所采用的離子交換膜含水量相對較高，使得其在兩側溶液濃度差推動力的作用下，可提高酸和堿的滲析速率。而電滲析過程中離子交換膜含水量相對較少、具有的固定基團濃度較高，以防止電滲析過程中水的電滲透。

陰離子交換膜不僅對陰離子具備選擇透過性能，由于溶液的電中性要求，溶液中氫離子遷移速率快，半徑較小，溶液中的陰離子需要伴隨氫離子的遷移。故氫離子會優先透過陰離子交換膜，從而使得廢液中的酸得以分離。同樣道理，當通過陽離子交換膜時，溶液中的陽離子需要伴隨氫氧根離子的遷移，氫氧根離子會優先透過陽離子交換膜，從而使得廢液中的堿得以分離。

2.3 Donnan（唐南）滲析

Donnan滲析過程是溶液中的反離子利用膜的選擇透過性能，在不需要直流電場的條件下，在離子交換膜的兩側相互擴散，而實現反離子的分離。在水處理中，Donnan滲析過程主要應用于兩個方面，一是對水溶性的污染物離子進行分離去除，如氟化物、高氯酸鹽、重金屬離子等；二是對水中的微量重金屬濃度進行檢測分析。

Ersoz M[1]研究了無外加直流電場條件下，Donnan滲析過程中Ni2+和Co2+離子透過多磺酸陽膜的分離性能。采用陽離子交換膜將硫酸和金屬鹽溶液分開成兩相，由于離子交換膜固定基團與金屬鹽離子之間的互相作用，Ni2+和Co2+離子則通過陽離子交換膜進行相應遷移。溶液的pH值對上述金屬鹽離子的透過擴散性能有影響。

Donnan滲析過程還可以用來檢測分析水中的微量重金屬濃度，其通過累積水中微量重金屬，達到分析儀器能夠精準檢測的要求。Kalis E[2]研究了Donnan滲析膜技術檢測分析水中游離重金屬的濃度。由于低于ICP-MS（等離子質譜法）的檢測限值，水中游離重金屬的濃度往往無法檢測。水中金屬的毒性由游離重金屬的濃度決定，通過聯用Donnan滲析膜技術和等離子質譜法，可以有效的同時檢測分析水中多種重金屬的濃度。現場的檢測分析結果得出，水中游離鋅離子的濃度最大值為237 nM，鎘離子的濃度最小值為0.06 nM。

3 結語

離子交換膜分離技術在水處理中應用越來越廣泛。電滲析過程在直流電場下可實現分離、濃縮溶液以及濃縮制鹽，擴散滲析和Donnan滲析過程在無直流電場下分別可實現酸堿的回收、離子的分離去除和微量重金屬的檢測分析。

參考文獻

[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