离子交换膜的作用

第３７卷　

２　Ｏ　１　０　第４期　

年４月　湖南大学学报（自然科学版）　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）　Ｖｏ１．３７。Ｎｏ．４　

Ａｐｒ．２　０　１　０　

文章编号：１６７４—２９７４（２０１０）０４—００６７—０５　

无电压作用离子交换膜分离去除水中锰离－７：的研究　

谢德　盟　，　十　

（Ｉ．湖南大学土木工程学院，湖南　，施　周　，陈世洋　，谢　鹏　，宋　勇　

长沙４１００８２；２．湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭４１１２０１）　

摘　要：研究了离子交换膜在无外加电压的条件下分离去除原水中锰离子的技术，探讨　

了锰离子浓度、补偿离子钾离子摩尔浓度、水力搅拌速度、温度和水力停留时间（ＨＲＴ）等对　

去除效果的影响．实验结果表明，当原水中二价锰离子初始摩尔浓度为０．０７２　７　ｍｍｏｌ／Ｌ　

（即４　ｍｇ／Ｌ）左右时，在下述的实验条件下：水温为（２５±１）℃，水力停留时间ＨＲＴ为６　ｈ，　

水力搅拌速度为（６００土２５）ｒ／ｍｉｎ，补偿离子钾离子的摩尔浓度是原水中锰离子摩尔浓度的　

２ｏ倍，锰离子去除率达到８Ｏ　．此外，在实验装置不改变的条件下，进水锰离子摩尔浓度增　

加到０．７２７　ｍｍｏｌ／Ｌ（即４０　ｍｇ／Ｌ）左右时，去除率会降低到６６　；补偿钾离子摩尔浓度与进　

水锰离子摩尔浓度的比值大于２Ｏ后，再增加其比值，对去除率影响不大；降低搅拌速度到　

（３００±２５）ｒ／ｍｉｎ，去除率降低到５１　；降低水温到（１６±１）℃，去除率降低到６０　；水力停　

留时间（ＨＲＴ）大于６　ｈ后，再增加水力停留时间到１２　ｈ，去除率无明显改变．　

关键词：离子交换膜；唐南分离；重金属；锰离子　

中图分类号：Ｘ５０５　文献标识码：Ａ　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｒｅｍｏｖａｌ　ｏｆ　Ｍａｎｇａｎｅｓｅ　ｆｒｏｍ　Ｗａｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ａｎ　Ｉｏｎ－ｅｘｃｈａｎｇｅ　

Ｍｅｍｂｒａｎｅ　ｗｉｔｈｏｕｔ　Ｅｘｔｅｒｎａｌ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　

离子交换设备的工原理

离子交换设备是一种常见的水处理设备，其主要作用是去除水中的离子，使水质得到改善。离子交换设备的工作原理是利用离子交换树脂对水中的离子进行吸附和释放，从而达到去除离子的目的。

离子交换树脂是一种高分子化合物，具有特殊的化学结构和物理性质。它可以吸附水中的离子，如钠离子、钙离子、镁离子等，同时释放出等量的其他离子，如氢离子、氢氧根离子等。这种吸附和释放的过程是可逆的，因此离子交换树脂可以反复使用。

离子交换设备通常由一个或多个离子交换柱组成，每个柱内装有离子交换树脂。水经过离子交换柱时，离子交换树脂会吸附水中的离子，同时释放出等量的其他离子。这样，水中的离子就被去除了。

离子交换设备的工作过程可以分为两个阶段：吸附和再生。在吸附阶段，水通过离子交换柱时，离子交换树脂吸附水中的离子。当离子交换树脂吸附的离子达到一定量时，离子交换柱就需要进行再生。

在再生阶段，离子交换柱内的离子交换树脂需要被清洗和再生。这个过程通常是通过向离子交换柱内注入一种特殊的再生液来实现的。再生液中含有高浓度的盐酸或氢氧化钠等化学物质，可以将离子交换树脂上吸附的离子释放出来，同时将离子交换树脂上的污染物清洗掉。再生液中的离子也会被离子交换树脂吸附，从而实现离子交换柱的再生。

离子交换设备的工作原理简单易懂，但是在实际应用中需要注意一些问题。首先，离子交换树脂的选择要根据水质的不同而定。不同的离子交换树脂对不同的离子有不同的选择性，因此需要根据水质分析结果来选择合适的离子交换树脂。其次，离子交换设备的再生液需要进行处理和回收，以避免对环境造成污染。最后，离子交换设备的维护和保养也非常重要，定期清洗和更换离子交换树脂可以保证设备的正常运行和长期使用。

总之，离子交换设备是一种常见的水处理设备，其工作原理是利用离子交换树脂对水中的离子进行吸附和释放，从而达到去除离子的目的。在实际应用中需要注意离子交换树脂的选择、再生液的处理和回收以及设备的维护和保养。

1 电解池中离子交换膜的三种类型和作用

1．离子交换膜的类型和作用

2. “隔膜”电解池的解题步骤

第一步：分清隔膜类型。即交换膜属于阳膜、阴膜或质子膜中的哪一种，判断允许哪种离子通过隔膜。

第二步：写出电极反应式，判断交换膜两侧离子变化，推断电荷变化，根据电荷平衡判断离子迁移方向。

第三步：分析隔膜作用。在产品制备中，隔膜作用主要是提高产品纯度，避免产物之间发生反应，或避免产物因发生反应而造成危险。

3．多室电解池中膜的应用（本文中重点介绍电解池膜的应用，原电池请类比练习）

多室电解池是利用离子交换膜的选择透过性，即允许带某种电荷的离子通过而限制带相反电荷的离子通过，将电解池分为两室、三室、多室等，以达到浓缩、净化、提纯及电化学合成的目的。

（1）两室电解池

①制备原理：工业上利用如图两室电解装置制备烧碱

阳极室中电极反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极室中的电极反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阴极区H＋放电，破坏了水的电离平衡，使OH－浓度增大，阳极区Cl－放电，使溶液中的c(Cl－)减小，为保持电荷守恒，阳极室中的Na＋通过阳离子交换膜与阴极室中生成的OH－结合，得到浓的NaOH溶液。利用这种方法制备物质，纯度较高，基本没有杂质。

②阳离子交换膜的作用

防止了两极产生的H2和Cl2混合爆炸。避免了Cl2和阴极产生的NaOH反应生成NaClO而影响烧碱的质量。

（2）三室电解池

利用三室电解装置制备NH4NO3，其工作原理如图所示。

2

阴极的NO被还原为NH＋4：NO＋5e－＋6H＋===NH＋4＋H2O，NH＋4通过阳离子交换膜进入中间室；阳极的NO被氧化为NO－3：NO－3e－＋2H2O===NO－3＋4H＋，NO－3通过阴离子交换膜进入中间室。根据电路中转移电子数相等可得电解总反应：8NO＋7H2O=====电解3NH4NO3＋2HNO3，为使电解产物全部转化为NH4NO3，补充适量NH3可以使电解产生的HNO3转化为NH4NO3。

离子交换膜原理

离子交换膜是一种特殊的薄膜，被广泛应用于水处理和化学工艺中。它的主要作用是通过交换离子的方式，将溶液中的不需要的离子去除，同时将需要的离子捕获并集中。

离子交换膜的原理基于离子在溶液中具有电荷的性质。膜的材料通常是由聚合物构成的，其中含有吸附离子的功能基团。这些功能基团可以与水中的离子发生反应，并使离子与膜的表面或内部发生物理或化学结合。通过这种结合，膜可以选择性地去除或捕获特定的离子。

当溶液通过离子交换膜时，离子会与膜上的功能基团发生交换。膜上的功能基团会将带有相反电荷的离子吸附并保持在膜的表面或内部。与此同时，膜会释放出与被吸附离子相同电荷的离子，以维持电中性。这个过程会持续进行，直到溶液中的所有被交换离子都被固定在膜的表面或内部。

通过离子交换膜，我们可以实现离子的选择性分离和富集。例如，在水处理中，膜可以去除溶液中的污染物离子，如重金属离子、阴离子和阳离子。在化学工艺中，膜可以用于分离反应体系中的特定离子，从而提高反应的选择性和纯度。

需要注意的是，离子交换膜的选择应基于其对目标离子的选择性。不同的膜材料和功能基团会对不同离子表现出不同的亲和性。因此，在设计离子交换膜系统时，需要综合考虑溶液组成、离子浓度和处理需求。

总而言之，离子交换膜通过吸附和释放离子的机制实现离子的选择性分离和富集。它在水处理和化学工艺中具有重要的应用价值，可以帮助我们净化水源和提高化学反应的效率和选择性。