双极膜中间界面层研究进展

文章编号:1007-8924(2002)06-0042-06双极膜中间界面层研究进展傅荣强1徐铜文1,23杨伟华1(1.中国科技大学应用化学系,合肥230026;2.中国科技大学资源与环境研究基地,合肥230026)摘要:以双极膜为基础的水解离技术有广泛的应用,同时双极膜还可以用作膜反应器以及生物膜模型.在这些应用中,双极膜的中间界面层起到了根本性的作用,因此研究双极膜的中间界面层具有重要的意义.总结了中间界面层的各种属性,从这些属性可以看出它的特殊性,并讨论了中间界面层的物质构成,为双极膜的改性提供了参考.关键词:双极膜;中间界面层;过渡层;水解离中图分类号:TQ028.8文献标识码:A双极膜是由阴离子交换层和阳离子交换层复合而成.双极膜可通过电渗析用于酸和碱的生产[1],以及作为膜催化/生物反应器[2],并且双极膜的双极模型可以在一定程度上解释生物膜的整流效应(currentrectification)[3]和正/负电荷的分布效应[4].其中双极膜的电渗析是最主要的应用.双极膜由于其阴、阳膜层的相互作用,在两膜层的结合处形成过渡区,该处可移动离子浓度减小,存在未被补偿的固定电荷[3],称作为“空间电荷区(spacechargeregion)”或“耗尽层(depletionlayer)”,这种双极膜称为紧密结合型双极膜(abruptjunctionmodel),见图1(a).通常,为了改善双极膜的性能,在两膜层间加入一介质层,该介质层具有催化水解离、吸水贮水和粘结两膜层的作用[5～8],这种双极膜称为中间层型双极膜(neutrallayermodel),见图1(b).图1双极膜的两种模型及其中间界面层通常将双极膜的阴、阳两膜层的内侧及其邻近区域称为双极膜的中间界面层.双极膜的中间界面层就是双极膜水解离的区域,对双极膜的性能有很重要的影响.本文将对双极膜的中间界面层的理论研究状况及物质构成进行归纳和总结.1双极膜的水解离双极膜电渗析是基于在电场作用下双极膜能将水解离成氢离子和氢氧根离子的特性,即双极膜的水解离特性.双极膜的水解离发生在双极膜的中间界面层,不少作者对双极膜的水解离机理进行了探讨[9～13].如果按照通常的水解离,假定双极膜中间界面层的厚度为3nm,则双极膜水解离所能提供的最大电流密度为1.5×10-9A/cm2[14],而实际工作中的双极膜的电流密度可达到0.2A/cm2.这意味着必定有促进水解离的效应存在.对促进水解离效应的一个可能的解释是第二Wien作用效应(thesecondWieneffect).Wien发现,处于高电场强度下的弱电解质有更高的解离度,Onsager[9]对这种效应进行了详细的讨论.中间界面层的场强高达108～109V/m,该高电场下的水解离收稿日期:2001-08-30;修改稿收到日期:2001-11-08基金项目:国家自然科学基金(29976040,20106015);安徽省自然科学基金(99045431)和安徽省教委重点基金(2000jl255zd)资助课题作者简介:傅荣强(1976-),男,福建省上杭县人,硕士生.3通讯联系人第22卷第6期膜科学与技术Vo1.22No.62002年12月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGYDec.2002相比于自由溶液中的水解离有如下关系:kd(E)/kd=(2/π)1/2(8b)-3/4exp[(8b)1/2](1)式中,b=0.096E/εrT2,E为中间界面层的场强V/m,εr为中间界面层的相对介电常数,T为绝对温度.对促进水解离效应的另一个可能的解释是Si2mons[10]提出的质子传输催化水解离机理.根据该理论,中间界面层的水解离是以弱碱基团或弱酸基团与水的可逆的质子化反应的方式发生[11～13],也就是说,对于阴膜层含有弱碱基团的双极膜,中间界面层的水解离按下列反应式进行B+H2Ok1k-1BH++OH-BH++H2Ok2k-2B+H3O+其中第二步为速率控制步骤.中间界面层的电场使水分子取向到容易发生质子转移,而界面层低浓度的反离子进一步加快了反应速率.2中间界面层的属性双极膜中间界面层的属性包括界面层内的离子浓度、电势和场强,界面层的厚度,界面层的电导和电容,还有介电常数等.对这些属性的计算和量度能够揭示双极膜中间界面层的特殊性.由于中间界面层无法从双极膜中分离出来研究,其一些属性无法直接量度,适宜从理论的角度加以考虑.基于中间层型双极膜加入的介质层的物种、厚度的不确定性,这里主要考虑紧密结合型双极膜.这种双极膜由于阴、阳膜层的相互作用和很薄的中间界面层,在中间界面层的边界处可移动离子的浓度迅速减小,可以认为中间界面层的电荷密度就是膜内固定电荷的密度[3].2.1界面层属性的理论分析对双极膜中间界面层属性的理论分