耿道靜，李紅海

?

離子交換膜的應(yīng)用技術(shù)

耿道靜，李紅海

（青島科技大學(xué) 化工學(xué)院，山東 青島 266042）

離子交換膜具有分離效果好、能耗少和環(huán)保等特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸被應(yīng)用于化工、海水脫鹽、廢水治理等領(lǐng)域。根據(jù)離子交換膜的分離機(jī)理不同，可將其在水處理中的應(yīng)用分為電滲析、擴(kuò)散滲析和Donnan滲析等三種，對(duì)三種分離方法的機(jī)理作了詳細(xì)介紹，并舉例說(shuō)明了離子交換膜在水處理中的巨大潛力。

離子交換膜；電滲析；擴(kuò)散滲析；Donnan滲析

離子交換膜是一種具有選擇透過(guò)性的分離膜，由最初采用熱壓法將功能基團(tuán)以非化學(xué)鍵的形式與膜主體骨架相連制備的非均相離子交換膜，發(fā)展到功能基團(tuán)以化學(xué)鍵的形式接入膜主體骨架上的均相離子交換膜，再?gòu)倪x擇透過(guò)性單一的離子交換膜發(fā)展到對(duì)某種離子具有特殊選擇透過(guò)性的離子交換膜[1]，離子交換膜的制備技術(shù)日趨成熟。離子交換膜技術(shù)具有分離效果好、能耗少、環(huán)保等特點(diǎn)[2]，已經(jīng)成為一種高性能的膜分離技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、環(huán)保等行業(yè)的水和廢水的處理、廢酸回收等[3]。

離子交換膜在應(yīng)用于水處理時(shí)可根據(jù)處理對(duì)象與目的不同分為：電滲析、擴(kuò)散滲析與道南（Donnan）滲析[4]。以下對(duì)電滲析、擴(kuò)散滲析和Donnan滲析的離子透過(guò)性原理和實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。

1 電滲析

1.1 電滲析技術(shù)原理

電滲析器主要有膜堆、電極板及夾緊裝置等幾個(gè)主要部分組成，其中膜堆是由離子交換膜和隔板按照一定的次序排列組成。組成膜堆中的陽(yáng)離子交換膜只允許陽(yáng)離子通過(guò)，陰離子交換膜只允許陰離子通過(guò)。

電滲析技術(shù)的工作原理是在直流電場(chǎng)作用下，使帶電離子透過(guò)離子交換膜發(fā)生定向遷移，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液的分離、濃縮和提純等過(guò)程[5]。具體工作原理如圖1所示（以NaCl為例）。將濃度相同的電解質(zhì)溶液通入到各個(gè)隔室中，接通電源后，在電場(chǎng)的作用下電解質(zhì)溶液中的陰、陽(yáng)離子分別向陽(yáng)極和陰極遷移。由于陽(yáng)離子交換膜含有荷負(fù)電的固定基團(tuán)，只允許Na+通過(guò)，Cl-無(wú)法通過(guò)；陰離子交換膜含有荷正電的固定基團(tuán)，只允許Cl-通過(guò)，阻攔Na+的通過(guò)，因而在直流電場(chǎng)的作用下部分隔室中的電解質(zhì)溶液被濃縮，另一部分隔室中的電解質(zhì)溶液被淡化。根據(jù)圖中離子遷移方向可知，隔室1、3、5、7和9為濃水室；隔室2、4、6、8和10為淡水室。淡水室中的離子定向遷移到濃水室中，達(dá)到降低淡水室溶液礦化度的目的。

在電滲析脫鹽過(guò)程中不僅含有使淡水室脫鹽，濃水室濃縮的離子遷移過(guò)程，還同時(shí)伴隨著電解質(zhì)的濃度擴(kuò)散、水的電滲透與壓力滲透，以及水的分的分解等次要過(guò)程的發(fā)生，使電滲析的淡化或濃縮效果受到一定程度的影響，因此在電滲析器運(yùn)行過(guò)程中要盡量消除或減弱這些次要過(guò)程的發(fā)生。

圖1 電滲析工作原理圖

A1極水出口; A2極水入口; B1濃水出料; B2濃水進(jìn)料; C1淡水出料; C2淡水進(jìn)料; A陰離子交換膜; C陽(yáng)離子交換膜

1.2 電滲析的應(yīng)用

電滲析技術(shù)源于20世紀(jì)初期，德國(guó)學(xué)者觀察到，當(dāng)在裝有溶液的透析袋內(nèi)外兩側(cè)分別放置電極時(shí)，有電解質(zhì)從溶液中分離出來(lái)的這一現(xiàn)象。直到20世紀(jì)中期，Juda研制出具有高效選擇透過(guò)性離子交換膜，電滲析才得以進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。目前電滲析技術(shù)的發(fā)展可歸納為：通過(guò)正負(fù)極倒換以達(dá)到自動(dòng)清洗離子交換膜目的的倒極電滲析（EDR）；由液態(tài)膜替代固態(tài)膜的液膜電滲析（EDLM）；根據(jù)離子交換法將水解離的H+和OH-填充到電滲析淡水室的離子交換樹(shù)脂中的填充床電滲析（EDI）；不含極室和極水的無(wú)極水電滲析等。目前，電滲析技術(shù)已成為常用的化工單元過(guò)程，在化工相關(guān)行業(yè)中占據(jù)重要的地位，廣泛應(yīng)用于海水淡化、污水處理和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。

當(dāng)電滲析用于海水淡化時(shí)，在整個(gè)脫鹽過(guò)程中所需要的費(fèi)用一般與原水中鹽含量的0.6次冪成正比，當(dāng)每升原水中的鹽含量在幾百到幾千毫克時(shí)是電滲析的最佳脫鹽范圍，當(dāng)電滲析工作電流在35 mA/cm2左右和濃淡水室內(nèi)的液體流速為5cm/s左右時(shí)海水可濃縮6倍。1998年4月濰坊渤海灣附近建立了一用于淡化苦咸水的電滲析工作站，將苦咸水的鹽含量由3 500 mg/L降低到500 mg/L，并且電滲析淡化1 m3米的苦咸水能耗僅需2.4 kW/h左右[6, 7]。到目前為止我國(guó)現(xiàn)有的電滲析淡化器有5 000多臺(tái)，淡水產(chǎn)量在1 000 m3/d以上的電滲析工作站有十多臺(tái)。

隨著電滲析技術(shù)的不斷發(fā)展，電滲析也被用于其它領(lǐng)域。氨基酸是生物體內(nèi)構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位，具有較高價(jià)值的生化產(chǎn)物，被廣泛應(yīng)用在食品、醫(yī)藥和化工等領(lǐng)域[8]。由于氨基酸分子中含有-COOH(酸性官能團(tuán)）和-NH2（堿性官能團(tuán)），當(dāng)氨基酸溶液的pH值比等電點(diǎn)高時(shí)，氨基酸荷負(fù)電，在電場(chǎng)的作用下通過(guò)陰離子交換膜；pH值比等電點(diǎn)低時(shí)，氨基酸荷正電，在電場(chǎng)的作用下通過(guò)陽(yáng)離子交換膜?；谶@一特征可通過(guò)電滲析將氨基酸分離提純[9]。

范愛(ài)勇等[10]利用電滲析技術(shù)除去L-異亮氨酸和L-纈氨酸發(fā)酵液中的鹽，主要考察了兩種發(fā)酵液在不同的pH下到達(dá)脫鹽終點(diǎn)時(shí)的鹽回收率和電滲析器工作能耗，L-異亮氨酸發(fā)酵液在較優(yōu)的酸堿條件下經(jīng)異相膜和均相膜脫鹽處理后鹽的回收率和電滲析器工作的能耗，并確定了最佳脫鹽終點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，使用異相陽(yáng)離子膜處理L-異亮氨酸時(shí)，發(fā)酵液pH值在等電點(diǎn)時(shí)，溶液電導(dǎo)率達(dá)到2.0 mS/cm，工作效果最好，回收率可達(dá)到96%以上，能耗僅為8.63 kW·h/m3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，均相離子膜的分離性能優(yōu)于異相離子膜，對(duì)L-異亮氨酸發(fā)酵液中的鹽回收率比異相離子膜高，但兩種膜的脫鹽終點(diǎn)都是電導(dǎo)率降低到2.0 mS/cm時(shí)，電滲析工作效率達(dá)到最佳。

Shen等[11]使用自制電滲析裝置對(duì)谷氨酸發(fā)酵液進(jìn)行脫鹽，并根據(jù)Nernst-Planck方程模擬脫鹽率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)酵液pH值在等電點(diǎn)時(shí)，對(duì)谷氨酸發(fā)酵液的脫鹽率可達(dá)到90%以上，且谷氨酰胺的回收率可達(dá)75%以上，電流效率達(dá)到80%左右。袁中偉等[12]使用回流多級(jí)連續(xù)電滲析探究等電點(diǎn)時(shí)氨基酸的分離，以絲氨酸和脯氨酸為例，探究了回流采用的級(jí)數(shù)、回流時(shí)的流量、工作電流等因素對(duì)氨基酸分離的影響，研究結(jié)果表明：當(dāng)采用的級(jí)數(shù)由0級(jí)、2級(jí)和4級(jí)依次增加時(shí)，絲氨酸產(chǎn)品的純度逐漸升高。當(dāng)采用4級(jí)回流處理絲氨酸時(shí)，它的純度可達(dá)97.1%。在脯氨酸產(chǎn)品濃度沒(méi)有大幅度變化的基礎(chǔ)上，可通過(guò)增加回流級(jí)數(shù)來(lái)提高絲氨酸的純度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用4級(jí)回流和電流為0.4A時(shí)絲氨酸和脯氨酸的回收濃度都能達(dá)到90%以上；回流級(jí)數(shù)和電流強(qiáng)度固定不變時(shí)，提高回流氨基酸的流量，可使絲氨酸的產(chǎn)品濃度升高，但脯氨酸濃度會(huì)降低；在同一回流前提下，脯氨酸純度會(huì)隨電流的增加而升高，但電流增加時(shí)絲氨酸產(chǎn)品純度會(huì)降低。

電滲析技術(shù)除用于處理氨基酸廢水外，也被廣泛用于處理其它廢水。葉薇薇等[13]利用電滲析技術(shù)回收蘋果酸，當(dāng)處理液pH=4.0和電流為11A時(shí)，經(jīng)過(guò)2 h后Na+可降至42.88mg/L，脫鹽率達(dá)到99%，蘋果酸損失18.94%。李碧柳等[14]向含苯胺廢水中加入鹽酸,使苯胺以C6H5-NH3+的形式通過(guò)電滲析去除，當(dāng)廢水中苯胺量為1 000 mg/L，C6H5NH2∶HCl=1∶5時(shí)，可使苯胺的濃度下降到6 mg/L，去除率到達(dá)99.4%。Nataraj等[15]使用超濾-電滲析耦合裝置來(lái)處理造紙業(yè)所產(chǎn)生的污水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由11張陽(yáng)膜和10張陰膜組成的電滲析器，工作電壓為50 V時(shí)，造紙污水的含鹽量可降到546 mg/L，電導(dǎo)率可低至0.61 mS/cm，有機(jī)物含量≤20 mg/L，廢水回用率可達(dá)90%。陳妍娜等[16]以電滲析法處理電鍍鎳回收液，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鎳的初始濃度為2 g/L、電滲析器濃縮室和淡化室流量均為8 L/h和操作電壓為7.5 V時(shí)，濃縮室中Ni2+的濃度可達(dá)到8.39 g/L，并且可除去46.46%左右的有機(jī)物，經(jīng)電滲析處理后的電鍍鎳回收液可實(shí)現(xiàn)凈化和濃縮Ni2+的目的。

近年來(lái)隨著電滲析技術(shù)的不斷發(fā)展，新型電滲析裝置不斷研發(fā)，使它在化工生產(chǎn)和水處理中的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。但電滲析也存在不足之處，如電滲析只能出去溶液中的帶電離子[17]，而有機(jī)物和不帶電物質(zhì)都無(wú)法除去，一些高價(jià)離子會(huì)使離子交換膜中毒，永久失效；當(dāng)離子交換膜電阻較大時(shí)，電滲析過(guò)程會(huì)消耗大量電能。為解決這類問(wèn)題，研究者通過(guò)改性來(lái)提高離子交換膜性能，目前主要采用的改性方法有表面改性、摻雜改性、中空纖維結(jié)構(gòu)改性和增加膜基質(zhì)空隙率改性等。

2 擴(kuò)散滲析

2.1 擴(kuò)散滲析原理

擴(kuò)散滲析是利用具有離子選擇透過(guò)性的膜兩側(cè)離子濃度差為離子傳輸推動(dòng)力，以道南（Donnan）平衡理論為依據(jù)，利用離子交換膜的選擇透過(guò)性使離子定向遷移的分離技術(shù)[18]。擴(kuò)散滲析可分為：陽(yáng)離子交換膜擴(kuò)散滲析，主要回收廢液中的堿；陰離子交換膜擴(kuò)散滲析，主要回收廢液中的酸。擴(kuò)散滲析過(guò)程的理論模型主要有以下兩種[19-21]。

（1）溶解-擴(kuò)散模型：溶解-擴(kuò)散模型是指當(dāng)溶液中的溶劑和溶質(zhì)均勻分散在膜表面時(shí)，在化學(xué)梯度的作用下各組分透過(guò)離子交換膜擴(kuò)散滲透到膜的另一側(cè)，離子再?gòu)哪ち硪粋?cè)的表面脫離的過(guò)程，該過(guò)程符合Fick定律。擴(kuò)散滲析過(guò)程與溶液中組分的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。該模型可用于描述強(qiáng)電解質(zhì)的分離過(guò)程。由于弱電解質(zhì)的解離度較低，透過(guò)離子交換膜的過(guò)程較為復(fù)雜，無(wú)法準(zhǔn)確描述。

（2）三相膜理論：三相膜理論是基于離子交換膜的結(jié)構(gòu)對(duì)擴(kuò)散滲析進(jìn)行解釋的。離子交換膜可分為主體結(jié)構(gòu)聚合物、活性區(qū)和惰性區(qū)三部分，水作為離子遷移載體穿過(guò)離子交換膜的活性區(qū)和惰性區(qū)，使離子擴(kuò)散到膜的另一側(cè)。以陰離子交換膜為例，由于離子交換膜活性區(qū)內(nèi)含有活性基團(tuán)和對(duì)應(yīng)的反離子，陰離子穿過(guò)離子交換膜的活性區(qū)時(shí)，是從一個(gè)活性點(diǎn)躍遷到另一個(gè)活性點(diǎn)，陰離子穿過(guò)離子交換時(shí)遵循h(huán)opping機(jī)制；陽(yáng)離子為保持溶液的電中性穿過(guò)膜惰性區(qū)時(shí)遵循dragging機(jī)制。

2.2 擴(kuò)散滲析的應(yīng)用

隨著金屬冶煉、鋼鐵生產(chǎn)、電子產(chǎn)業(yè)、造紙等現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)生的酸性廢水和堿性廢水也越來(lái)越多，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞。含酸（堿）廢水處理的擴(kuò)散滲析技術(shù)由于具有操作簡(jiǎn)單、耗能少、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受人們的關(guān)注。

鋼鐵生產(chǎn)、冶煉金屬等行業(yè)中以無(wú)機(jī)酸作為酸洗液時(shí)，常會(huì)產(chǎn)生大批量的含重金屬離子的廢酸，盡管廢酸可以重復(fù)利用，但隨著廢酸中重金屬離子含量的增多，用廢酸酸洗的效率會(huì)大幅度降低，所以必須對(duì)廢酸采取進(jìn)一步的處理。Chang Wei等[22]利用擴(kuò)散滲析技術(shù)回收釩提取過(guò)程所產(chǎn)生的廢液中的硫酸，通過(guò)對(duì)擴(kuò)散滲析工作條件的優(yōu)化得出，當(dāng)廢酸中硫酸濃度為61.7g/L、鐵11.2 g/L和釩4.6 g/L和通量為0.19×10-3m3/(m2·h)時(shí)，對(duì)硫酸的回收率可達(dá)到80%以上，離子交換膜可截留廢液中90%以上的Al3+、Fe3+等重金屬離子。孫亞輝等[23]利用擴(kuò)散滲析技術(shù)回收含銅退鍍液中的硝酸，并討論了在不同流量、流量比和溫度等條件下，硝酸回收率、回收液中硝酸的濃度以及離子交換膜對(duì)銅和鎳的截留率的變化，結(jié)果表明當(dāng)水與退鍍液的流量比為1:1、退鍍液流量為90 mL/h、溫度為19℃時(shí)是擴(kuò)散滲析最佳工作條件，硝酸的回收率可達(dá)到85%以上，回收液濃度為6.04 mol/L，離子交換膜對(duì)銅和鎳的截留率分別可達(dá)到90.19%和92.71%，且自制的三級(jí)擴(kuò)散滲析裝置與已有的單級(jí)擴(kuò)散滲析裝置相比，通過(guò)前者擴(kuò)散滲析所得回收酸的濃度較高，單位時(shí)間內(nèi)料液處理更多。

堿廢液主要來(lái)源于造紙、印刷和印染等行業(yè)，我國(guó)主要的堿法制漿，會(huì)產(chǎn)生大量的造紙黑液，其中造紙黑液中含有30%以上的NaSO4、NaCO3、NaSiO3等無(wú)機(jī)物和70%左右的木質(zhì)素、聚戊糖、纖維素等有機(jī)物[24]。我國(guó)對(duì)造紙黑液的處理技術(shù)比較落后，缺乏高效、經(jīng)濟(jì)的處理方法。由于擴(kuò)散滲析對(duì)堿的回收量可達(dá)到80%左右，逐漸被應(yīng)用于處理造紙黑液。

楊驥等[25]分別采用疏水氟膜、親水氟膜和離子交換膜利用擴(kuò)散滲析技術(shù)回收造紙黑液中的氫氧化鈉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在使用離子交換膜時(shí)，黑液的初始pH值對(duì)擴(kuò)散滲析回收氫氧化鈉的影響比較大；使用疏水氟膜時(shí)，擴(kuò)散時(shí)間隨處理量的增加而增加，但回收速率下降，且疏水氟膜的抗污染能力比較強(qiáng)、易于清洗，疏水氟膜在使用一段時(shí)間后滲析效果會(huì)更好；使用親水氟膜回收堿使時(shí)，回收的速度最快，經(jīng)擴(kuò)散滲析處理120 min時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)單位膜面單位體積黑液下陰極室總堿量達(dá)到3.05×10－7mol/(mL·cm2)。

除了造紙印染等行業(yè)，冶金行業(yè)也會(huì)產(chǎn)生大量含堿廢水。日本ASTOM公司開(kāi)發(fā)成功了一種陽(yáng)膜，用于擴(kuò)散析中對(duì)堿進(jìn)行回收，已成功采用擴(kuò)散滲析器TSD-2-20對(duì)白鎢砂冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的廢堿進(jìn)行回收[26]。

擴(kuò)散滲析由于處理量小、回收酸和堿的量受平衡濃度的限制、處理后的廢液量沒(méi)有明顯減少、有時(shí)廢液仍達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)等原因，仍不能如反滲透、納濾等技術(shù)得到普遍使用。根據(jù)擴(kuò)散滲析自身特點(diǎn)，若使其得到大范圍的應(yīng)用，必須對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，比如制備高效的擴(kuò)散滲析裝置，提高它的廢水處理量和處理效率；制備分離性能量好、耐酸堿和高通量的離子交換膜，減少膜的使用量，提高膜的使用壽命；提高對(duì)廢液中酸堿的回收效率，使處理后的廢水達(dá)到可排放的標(biāo)準(zhǔn)，降低對(duì)環(huán)境的污染。

3 Donnan滲析

3.1 Donnan滲析的原理

Donnan滲析與電滲析的不同在于，它不需直流電場(chǎng)就可使與膜內(nèi)固定離子導(dǎo)電性相反的離子向膜的兩側(cè)擴(kuò)散。Donnan滲析是基于在離子交換膜的選擇透過(guò)性基礎(chǔ)上，利用膜兩側(cè)溶液濃度濃度差為推動(dòng)力，使兩種反離子進(jìn)行相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)離子分離的方法[27]。比如，將電解質(zhì)MA和MB分別注入出料室和進(jìn)料室，使出料室中的陰離子A-（又稱為補(bǔ)償離子）濃度高于進(jìn)料室中的陰離子B-（擬分離去除的離子）濃度，兩室之間以陰離子交換膜隔開(kāi)，陰離子在膜兩側(cè)產(chǎn)生電勢(shì)差，促使陰離子A-由出料室通過(guò)陰離子交換膜擴(kuò)散到進(jìn)料室中，而兩室中的金屬陽(yáng)離子由于Donnan排斥無(wú)法通過(guò)陰離子交換膜，為了實(shí)現(xiàn)溶液的電中性，進(jìn)料室中的B-離子通過(guò)陰離子交換膜進(jìn)入出料室中，達(dá)到離子B-的選擇性分離。

3.2 Donnan滲析的應(yīng)用

在水處理中Donnan滲析主要用于除去水溶性的雜質(zhì)離子、檢測(cè)和回收水中的微量重金屬等。Donnan滲析具有節(jié)能、無(wú)須再生和可連續(xù)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，但它的過(guò)程緩慢，目前大多還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

Durmaz等[28]采用Donnan滲析技術(shù)，通過(guò)陰離子交換膜的選擇透過(guò)性除去水中的氟離子，研究了氟離子的濃度、溶液的酸堿度和離子交換膜自身的性質(zhì)等對(duì)氟離子透過(guò)膜的量和除去率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氟離子濃度越高和pH值越大，氟離子通過(guò)膜的量越多。Wang等[29]利用Donnan滲析，采用陽(yáng)離子交換膜回收石灰軟化污泥中的金屬陽(yáng)離子，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，可回收污泥中99%的H+、20%的Ca2+和50%的Mg2+。李學(xué)瑞等[30]利用Donnan滲析，通過(guò)陽(yáng)離子交換膜除去自來(lái)水中的鎘離子，并考察了膜的預(yù)處理、自來(lái)水的溫度、儲(chǔ)水室中的攪拌速度、受體液的種類和給體液的初始pH對(duì)鎘離子分離效果的影響，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定了最佳條件，當(dāng)所用離子膜在0.1 mol/L的NaCl溶液浸泡24 h、水溫為25 ℃、攪拌速度為500 r/min和pH值在7左右時(shí)Cr分離效果最好。

謝德華等[31]以Donnan滲析原理為基礎(chǔ)，使用均相陽(yáng)離子交換膜去除水中的Cu2+、Mn2+、Zn2+重金屬離子，探究了濃縮室中陽(yáng)離子的種類、水中重金屬離子的初始濃度和攪拌的速度等因素對(duì)水中的Cu2+、Mn2+、Zn2+等離子的去除效果所產(chǎn)生的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水中的金屬離子濃度為0.078 7 mmol/L時(shí)，Cu2+、Mn2+、Zn2+的去除率分別為85%、79%和75%；通過(guò)單因素考察得出，采用K+作為補(bǔ)償離子時(shí)重金離子的去除率比Na+作為補(bǔ)償離子時(shí)高；當(dāng)Cu2+、Mn2+濃度升高至0.79 mmol/L時(shí)去除率均下降；攪拌速度低于300 r/min時(shí)Cu2+、Mn2+的去除率也分別降低至60%和52%。還研究了Donnan滲析對(duì)Cu2+、Mn2+、Zn2+的去除能力，當(dāng)這三種離子共存或其中任意兩種離子共存時(shí)，溶液中的各離子都能被同時(shí)去除，不存在先后次序，但去除率低于單獨(dú)存在時(shí)的去除率，并且去除能力越弱的離子受影響越大，三種重金屬離子的去除能力為Cu2+>Mn2+>Zn2+。

4 總結(jié)

隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)和膜技術(shù)的快速發(fā)展，離子交換膜在水處理技術(shù)中的應(yīng)用越來(lái)越引起人們的重視。離子交換膜技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、能耗低、污染少等優(yōu)點(diǎn)，必將在給水和廢水處理相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

［1］曾青蘭, 李曉宏. 離子交換膜技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 科技資訊, 2010(4):1-1.

［2］Salahi A, Mohammadi T, Behbahani R M, et al. Asymmetric polyethersulfone ultrafiltration membranes for oily wastewater treatment: Synthesis, characterization, ANFIS modeling, and performance[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2015, 3(1):170-178.

［3］Chen D, Wang S, Min X, et al. Synthesis and properties of novel sulfonated poly(arylene ether sulfone) ionomers for vanadium redox flow battery[J]. Energy Conversion & Management, 2010, 51(12):2816-2824.

［4］高教成. 離子交換膜及其在水處理中的應(yīng)用[J]. 科技資訊, 2014(31):44-44.

［5］Mohammadi T, Razmi A, Sadrzadeh M. Effect of operating parameters on Pb2+, separation from wastewater using electrodialysis [J]. Desalination, 2004, 167(1):379-385.

［6］黃萬(wàn)撫, 羅凱, 李新冬. 電滲析技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)資源綜合利用, 2003(11):15-19.

［7］馬貴陽(yáng)，劉曉國(guó)，鄭平．埋地管道周圍土壤水熱耦合溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(1)：55-58．

［8］ Avnimelech. Bio-filters: The need for a new comprehensive approach[J]. Aquacultural Engineering, 2006, 34(3):172-178.

［9］陳艷, 張亞萍, 岳明珠. 電滲析技術(shù)在氨基酸生產(chǎn)中的應(yīng)用水處理技術(shù)[J]. 2011,37（11）:10-14.

［10］范愛(ài)勇. 氨基酸發(fā)酵液電滲析脫鹽的研究[D]. 中國(guó)海洋大學(xué), 2012.

［11］Shen J Y, Duan J R, Yu L X, et al. Desalination of glutamine fermentation broth by electrodialysis[J]. Process Biochemistry, 2006, 41(3):716-720.

［12］ 袁中偉, 余立新. 帶回流的多級(jí)連續(xù)電滲析分離氨基酸[J]. 膜科學(xué)與技術(shù), 2010, 30(5):84-88.

［13］ 葉微微, 章樟紅, 朱江,等. 電滲析法處理蘋果酸廢水溶液的研究[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2006, 15(3):216-219.

［14］李碧柳. 電滲析法處理苯胺廢水[D]. 北京化工大學(xué), 2011.

［15］ S.K. Nataraj, S. Sridhar, I.N. Shaikha,et al. Membrane-based microfiltration/electrodialysis hybrid process for the treatment of paper industry wastewater [J]. Separation & Purification Technology, 2007, 57(1):185-192.

［16］陳妍娜, 馬曉鷗, 費(fèi)繼宏,等. 電滲析處理電鍍鎳回收液的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 廣東化工, 2016, 43(10):9-10.

［17］ Strathmann. Electrodialysis, a mature technology with a multitude of new applications[J]. Desalination, 2010, 264(3):268-288.

［18］ Stancheva K A. Applications of dialysis[J]. Oxidation Communications, 2008, 31(4):758-775..

［19］ Palaty Z, ?áková A, Prchal P.Continuous dialysis of carboxylic acids. Permeability of Neosepta-AMH membrane[J]. Desalination, 2007, 216(216):345-355.

［20］ Zhang X, Wang X, Wang Y, et al. Production of Yellow Iron Oxide Pigments by Integration of the Air Oxidation Process with Bipolar Membrane Electrodialysis[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2014, 53(4):1580–1587.

［21］Wijmans J G, Baker R W. The solution-diffusion model: a review[J]. Journal of Membrane Science, 1995, 107(1-2):1-21.

［22］Chang W, Li X, Deng Z, et al. Recovery of H2 SO4, from an acid leach solution by diffusion dialysis[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009, 176(1):226-230.

［23］孫亞輝, 肖連生. 擴(kuò)散滲析回收含銅退鍍液中的硝酸[J]. 膜科學(xué)與技術(shù), 2015, 35(3):70-75.

［24］朱瑞, 劉現(xiàn)民, 晏飛. 造紙黑液制水煤漿添加劑的性能研究[J]. 河南化工, 2007, 24(3):19-21.

［25］楊驥, 劉開(kāi)成, 賈金平,等. 草漿黑液中堿的擴(kuò)散滲析回收與處理[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2006, 29(12):70-72.

［26］張啟修, 張傳福. 離子交換膜分離技術(shù)在冶金中的應(yīng)用[J]. 膜科學(xué)與技術(shù), 2001, 21(2):37-43..

［27］田中良修. 離子交換膜基本原理及應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.

［28］Durmaz F, Kara H, Cengeloglu Y, et al. Fluoride removal by donnan dialysis with anion exchange membranes[J]. Desalination, 2005, 177(1):51-57.

［29］Wang Q, Lenhart J J, Walker H W. Recovery of metal cations from lime softening sludge using Donnan dialysis[J]. Journal of Membrane Science, 2010, 360(1–2):469-475.

［30］施周, 李學(xué)瑞, 陳世洋,等. 基于Donnan滲析的陰離子交換膜分離飲用水中Cr(Ⅵ)研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2013,13(3):78-82.

［31］謝德華. 基于Donnan滲析原理陽(yáng)離子交換膜去除水中Cu2+、Mn2+ 、Zn2+的研究[D]. 湖南大學(xué), 2012.

Application Technology of Ion Exchange Membrane

,

(College of Chemical Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Shandong Qingdao 266042, China)

Ion exchange membrane has gradually been used in chemical engineering related field, especially in waste water treatment due to its unique merits, such as good separation effect, less energy consumption and so on. According to various separation mechanisms of ion exchange membrane, the membrane separation technology can be divided into electrodialysis, diffusion dialysis and Donnan dialysis. In this paper, the principles of these three separation methods were introduced, some examples were also given to illustrate that ion exchange membrane possesses have great potential in the process of water treatment.

Ion exchange membrane (IEM); Electrodialysis ; Diffusion dialysis; Donnan dialysis

O658.6

A

1671-0460（2017）12-2598-05

2017-04-02

耿道靜（1990-），女，山東聊城人，青島科技大學(xué)碩士研究生，主要從事離子交換膜制備及應(yīng)用研究。

李紅海，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。