D0I:10.13374/i.issm1001053x.2002.06.019 第24卷第6期 北京科技大学学报 Vol.24 No.6 2002年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2002 离子交换膜的选择透过性机理 孟洪彭昌盛卢寿慈 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要分析了传统的双电层理论或Donnan膜平衡理论在解释离子交换膜的选择透过性机 理上存在的局限性，提出了“空穴传导一双电层”假说，认为离子交换膜在溶液中由于反离子的 迁移在膜内留下“离子空穴”，同时在膜的两侧形成“双电层”结构，“空穴”和“双电层”共同作 用的结果使溶液中与反离子同号的离子能够通过离子交换膜，而与反离子异号的离子无法进 人离子交换膜，从而使其具有选择透过性.在此基础上，用“空穴传导一双电层”假说对离子交 换膜在无电场和有电场作用的选择透过性进行了合理的分析. 关键词离子交换膜；选择透过性；空穴；双电层 分类号TQ425.23*6 1传统的选择透过性理论及不足 的负电场，使膜外溶液中带正电荷的离子容易 被吸入孔隙中透过阳膜，而排斥带负电荷的离 离子交换膜是电渗析设备的核心，其基本 子使之不能进入、透过阳膜；阴膜的情况正好相 性能是电渗析脱盐机理的理论依据，并直接影 反；从而使离子交换膜具有选择透过性， 响到设备的运行.离子交换膜的最基本性能是 1.2 Donnan膜平衡理论 对不同性质的离子具有选择透过性.关于离子 Donnan膜平衡理论认为，当离子交换膜浸 交换膜的选择透过性，通常用双电层理论或 人电解质溶液时，电解质溶液中的离子与膜内 Donnan膜平衡理论来加以解释-. 离子发生交换作用，最后达到平衡，构成平衡体 1.1双电层理论 系.以磺酸钠型阳膜浸人氯化钠溶液为例，平衡 以阳膜为例，双电层理论认为膜中的活性 时，各离子浓度之间的关系为： 基团在电离之后带有电荷，在固定基团附近与 CNe CCr=CN CCH (1) 电解质溶液中带相反电荷（可交换）的离子形成 式中，C和Ccr分别为膜内Na和CI离子浓度， 双电层，如图1所示.此时固定基团构成足够强 C和Ca分别为溶液中Na和CI离子浓度.由 于溶液及膜内均应保持电中性，故 Ckur=Ca (2) CHr=Car+CRSo (3) 由式(3)知C>C. 将式(2)，(3)代入式(1)得： (Ccr+CRSO:)Ccr=Ca (4) Cx Cu-CRSO:)=Cha (5) 由式(4)和式(5)可见： Car<Cc (6) 图1离子交换膜选择透过性的双电层理论模型 CheCNe () Fig.1 Double layer model for the permselectivity of ion ex- 式(6)和式(7)表明，平衡时阳膜内阳离子浓 change membranes 度大于溶液中阳离子浓度，阳膜内阴离子浓度 小于溶液中阴离子浓度.这就说明溶液中与膜 收稿日期2001-1105 孟洪女，29岁，博士研究生 内固定离子符号相反的反离子容易进入膜内，第 2 4 卷 第 6 期 2 0 0 2 年 1 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n i v e r s ity o f s e ic n e e a n d Te e h n o l o gy B e ij i n g V d l . 2 4 N O . ` D e c . 2 0 2 离子交换膜的选择透过性机理 孟 洪 彭 昌盛 卢寿慈 北京科技大学 土木与环境工程学院 , 北京 1 0 0 0 83 摘 要 分析 了传统 的双 电层 理论或 D o n an 膜平 衡理论在解 释离 子交换 膜 的选择 透过性 机 理上 存在 的局 限性 , 提出了 “ 空穴 传导 一 双 电层 ” 假说 , 认为离 子交换膜在 溶液 中 由于 反离子 的 迁移在膜 内留下 “ 离子空 穴 ” , 同时 在膜 的两侧 形成 “ 双 电层 ” 结构 , “ 空穴 ” 和 “ 双 电层 ” 共同作 用 的结果 使溶 液 中与反离 子 同号 的离 子能 够通 过离子 交换膜 , 而与 反离子 异号 的离 子无法 进 人 离子交换膜 , 从而使其具有选 择 透过性 . 在 此基础 上 , 用 “ 空穴传导 一 双 电层 ” 假说对离子 交 换 膜在无 电场 和有 电场作 用 的选 择透 过性 进行 了合理的分析 . 关 键词 离 子交换 膜 ; 选 择 透过性; 空 穴 ; 双 电层 分 类号 T Q 4 2 5 . 2 3 + 6 1 传统的选择透过性理论及不足 离子交换膜是 电渗 析设 备的 核心 , 其基本 性能是 电渗析脱 盐机 理的理论依据 , 并直接影 响到设备 的运行 . 离子交换膜 的 最基本性能是 对不 同性质 的离 子具 有选择透过性 . 关于 离子 交换 膜 的选择 透过 性 , 通 常用 双 电层 理论 或 D o n an 膜 平衡理论来加 以解 释 l[ 一 .s] L l 双电层理论 以 阳膜 为例 , 双 电层理论认 为膜 中的活性 基 团 在 电离之后带有 电荷 , 在 固定基 团 附近与 电解 质溶液 中带相反 电荷 (可交换 )的离子形成 双电层 , 如 图 1所示 . 此时 固定基 团构成足够强 礴吸 十 一 十 要+ 卜 { l 图 1 离子 交换 膜选择 透过性 的双 电层 理论模 型 F i g · 1 D o u b l e l a y e r m o d e l fo r t h e P e r m s e le c ivt iyt o f i o n e x - c h a n g e m e m b r a n e s 收稿 日期 2 0 01 一 H习5 孟 洪 女 , 29 岁 , 博士研究生 的负电场 , 使膜外溶 液 中带正 电荷 的离子 容易 被 吸人孔 隙 中透过 阳膜 , 而排斥带负 电荷 的离 子使之不能进人 、 透过阳 膜 ; 阴膜 的情况正好相 反 ; 从而使离 子交换膜具有选择透过性 . 1 . 2 n o n n a n 膜平衡理论 D o n an 膜平衡理论认 为 , 当离子交换膜浸 人 电解质 溶液时 , 电解 质溶液 中的离子与膜 内 离子发生交换作用 , 最后达到平衡 , 构成平衡体 系 . 以磺酸钠 型 阳膜浸人氯化钠溶液为例 , 平衡 时 , 各离子浓度之 间的关 系为 : G +a cC l 一 瓜 ` cC l ( l) 式 中 , 虱 。 和 砚 l 分 别为膜 内 N +a 和 lC 一 离子浓度 , 蛛 ` 和 cC l 分别为溶 液中 N +a 和 lC 一 离子浓度 . 由 于溶液及膜 内均应保 持 电中性 , 故 蛛 、 = 此 ( 2 ) G 、 = cC +l G so 、 (3 ) 由式 (3) 知虱 +a > 己 1 . 将式 ( 2 ) , ( 3 )代人式 ( 1)得 : 低 1 一 + 疏 。办瓦 l 二 叹 l ( 4 ) 么 +a 低 、 一瓦so 办= 嵘 a (5 ) 由式 (4) 和 式( 5 )可见 : cC l 一 < cC l 一 (6 ) 蛛 诬 > 瓜 、 (7 ) 式 (6 )和式 ( 7 )表 明 , 平衡 时阳膜 内阳 离子浓 度 大于溶液 中阳离子浓度 , 阳膜 内阴离 子浓度 小于 溶液 中阴离子浓度 . 这就说 明溶 液中与膜 内 固定离子符 号相反 的反 离子容易进人 膜 内 , DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 06. 019