离子交换膜技术及其应用

离子交换膜技术是当代高新技术之一, 由于离子交换膜技术所使用的介质——离子交换膜具有离子很强的选择透过性、分离效率高、能耗低、污染少, 因此在许多方面有着重要的应用价值。

1 离子交换膜技术

1.1 离子交换膜

离子交换膜是一种具有选择透过性能的网状立体结构的高分子功能膜或分离膜。由于在应用时主要是利用它的离子交换基团的选择透过性, 所以也称为离子选择透过性膜。按离子交换膜性能的不同, 可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜、两性交换膜和双极离子交换膜。这三种膜的可交换离子分别对应为阳离子、阴离子和阴阳离子。按膜的结构与功能又可将离子交换膜分为普通离子交换膜、双极离子交换膜和镶嵌膜三种。普通离子交换膜一般是均相膜, 利用其对一价离子的选择性渗透进行海水浓缩脱盐;双极离子交换膜由阳离子交换层和阴离子交换层复合组成, 主要用于酸或碱的制备;镶嵌膜由排列整齐的阴、阳离子微区组成, 主要用于高压渗析进行盐的浓缩、有机物质的分离等。

1.2 离子交换膜技术的原理

(1) 电渗析。

将阴膜与阳膜交替排列在电极之间, 在直流电场的作用下, 以电位差为动力, 离子透过选择性离子交换膜而迁移, 阳离子交换膜带负电荷, 选择性透过阳离子, 而阴离子因为同性排斥而被截留, 阴离子交换膜则正好相反。从而使电解质离子自溶液中部分分离出来, 实现溶液的浓缩与淡化, 复分解反应及电解氧化还原, 浓差扩散渗折等效能, 达到提纯精制的目的。

(2) 膜电解。

以Na Cl水溶液的电解为例。在两个电极之间加上一定电压, 则阴极生成氯气, 阳极生成氢气和氢氧化钠。

2 离子交换膜的应用

2.1 在钨工业上的应用

在钨工业中, 主要是应用离子膜技术制取仲钨酸铵 (APT) 。一种工艺路线是将现行的钨溶剂萃取工艺的萃余液进行电渗析浓缩, 所获得的浓硫酸钠溶液进行离子膜电解, 回收碱、硫酸返回工艺应用的同时, 得到生产钨粉的还原剂氢气, 阳极得到氧气, 另一种工艺路线是直接对钨酸钠溶液进行离子膜电解, 回收碱的同时, 在阳极室得到可用于萃取的偏钨酸钠溶液, 进一步制取偏钨酸钠 (AMT) , 同样可在阴极可得到生产钨粉的还原剂氢气。离子交换膜技术在钨冶金中最有希望获得成功的一个研究课题是钨酸钠溶液的离子膜电解工艺, 将它与现行钨萃取工艺配套, 将完全改变钨工艺的格局, 形成一种无污染的闭合流程。

2.2 在氯碱工业中的应用

氯碱工业中利用膜电解获取产品, 所用的离子交换膜一般为氟纤维增强的全氟磺酸、全氟羧酸阳离子复合膜。它只让Na+带着少量水分子透过, 其它离子难以透过。电解时从电解槽的下部往阳极室注入经过严格精制的Na Cl溶液, 往阴极室注入水。在阳极室中Cl-放电, 生成C12, 从电解槽顶部放出, 同时Na+带着少量水分子透过阳离子交换膜流向阴极室。在阴极室中H+放电, 生成H2, 也从电解槽顶部放出。但是剩余的OH-由于受阳离子交换膜的阻隔, 不能移向阳极室, 这样就在阴极室里逐渐富集, 形成了Na OH溶液。所得的碱液从阴极室上部导出。用这种方法制得的产品比用隔膜法电解生产的产品浓度大, 纯度高, 而且能耗也低、污染少, 是目前最先进的生产氯碱的工艺。

2.3 在湿法冶金中的应用

离子交换膜电解技术在湿法冶金中的应用较广, 可用于矿物的电氧化浸出, 其金属提取率可达95%以上;金属化合物溶液的净化, 从反应介质中分离产物或反应物不仅分离效率高, 而且不会带来二次污染;调整金属化合物溶液的p H值;控制多价金属离子氧化状态;电沉积出高纯金属, 如美国矿务局将双膜电解槽与适当的溶液净化过程相结合, 从高温合金废料中回收高纯钴和镍, 还将低质量的钴提纯到A级。

2.4 在医药工业中的应用

离子交换膜技术可在室温下进行, 可减少破坏药物结构的可能性和副反应的发生, 对产品性能影响很小。对有生物活性和药效要求的药物而言具有很重要的意义。离子交换膜技术在医药工业中主要用于以下几个方面:利用离子交换膜技术使具有不解离或弱解离特性的有机物或水与电解质离子分离。如葡萄糖、氨基酸等脱盐, 医药用水的去离子等;向有机酸如柠檬酸盐、氨基酸盐或脂肪酸盐 (1~26个碳原子) 盐提供H+离子和OH-离子, 使之分别生成有机酸和相应的碱;用离子交换实现药物的定位释放、透皮释放和鼻腔释放, 拓宽给药途径, 从而使药物可直接作用于病变部位而达到最佳的治疗效果。

2.5 在处理工业废水中的应用

用离子交换膜电渗析技术处理工业废水, 分离所需组分并使之浓缩, 且可使溶液脱盐, 得到的工业水可直接再利用, 从而实现工业废液的零排放;用离子交换膜电解回收工业废水中的金属、分离稀有金属和贵金属和氯碱等, 不仅废物可再利用, 而且可极大程度减轻工业排放水对环境的污染;用阴离子交换膜扩散渗析从含酸的工业废液中, 回收酸, 用阳离子交换膜扩散渗析从含碱的工业废液中, 回收碱。处理后的废水含酸、碱量可望达工业废水排放标准。

另外, 离子交换膜技术还可用于生物分子的脱盐、苦咸水淡化、饮用水及工业用水制备;电渗析技术在食品工业和化工等领域也起着重要的作用。特别是与反渗透、纳滤等精过滤技术的结合, 在电子、制药等行业的高纯水制备将发挥越来越重要的作用。

随着离子交换膜技术的迅速发展, 它在解决当代能源、资源短缺和环境污染等问题上所起的作用将日趋彰显, 离子交换膜技术应用前景广阔。

摘要：论述了离子交换膜技术的原理, 综述了离子交换膜技术在钨工业、氯碱工业、湿法冶金工业、医药工业、工业废水处理等方面的应用。

关键词：离子交换膜技术,电渗析,膜电解,应用

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