双极性膜内水迁移速度与最大电流密度间的关系

文章编号:1007-8924(2000)06-0020-03双极性膜内水迁移速度与最大电流密度间的关系余立新宋传真蒋维钧(清华大学化工系,北京100084)摘要:介绍了水向双极性膜中迁移的速度与膜的最大电流密度之间的关系.理论分析和初步实验说明水的迁移可以用溶解扩散机理来描述,为提高膜的最大电流密度必须提高膜对水的迁移能力.关键词:双极性膜;最大电流密度;电渗析;溶解扩散模型中图分类号:TQ02818文献标识码:A双极性膜是由阴、阳离子交换层叠合在一起形成的一种特殊的离子交换膜,当其阴、阳离子交换层分别与电场之阳极和阴极相对时,能够起到“离解”水的作用,在膜两侧可分别得到氢离子和氢氧根离子.利用双极性膜与其他阴、阳离子交换膜组合成的双极性膜电渗析系统,能够在不引入新组分的情况下将水溶液中的盐转化成相应的酸和碱.此过程称为双极性膜电渗析,是一种新型的膜过程,可为某些物质资源的再生和回收、降低物质和能源消耗、减少废物排放、消除环境污染以及某些酸和碱的分离和制备等提供新的途径.在理想双极性膜的稳态操作时,迁移出膜的氢离子和氢氧根离子的量均等于迁移进膜的水的量,因此当水的迁移通量达到极大时,可能产生的电流密度也为最大(定义为最大电流密度).本文尝试着对双极性膜内水迁移过程与最大电流密度的关系进行了研究,希望该结果能够对膜材料选择和膜过程强化提供一定的理论指导意义.1理论部分双极性膜中水及离子的迁移比较复杂,大致可以分为三个步骤:首先水溶解到膜表面,扩散到阴、阳膜层交界处,然后离解,离解成的氢离子和氢氧根离子再在电场作用下转移出膜(图1).因此膜内物质传递的机理研究也应该分为三个部分:(1)双极性膜与单独的离子交换膜不一样,在它图1双极性膜内的传递现象-—阴离子交换层;+—阳离子交换层工作时,必不可少的第一步是水分子进入到阴、阳离子交换层的界面处,然后才被离解.水分的补充一旦跟不上离解,界面处便会呈干态,使电阻增大,电流减小.因此,水分子进入膜内的机理是需要深入研究的第一个部分[1].(2)阴、阳离子交换层界面处水的离解和传递机理.如何使水离解后生成的氢离子和氢氧根离子迅速地转移至阴、阳离子交换层是这一步要解决的问题[2].(3)阴、阳离子在膜中迁移的机理.氢离子和氢氧根离子要透过膜进入到溶液侧以生成产品,此时离子的迁移方向与水的迁移方向是相反的,有可能相互发生制约.此过程也值得研究.收稿日期:2000-02-21;修改稿收到日期:2000-04-17作者简介:余立新(1967～),男,副教授,博士.第20卷第6期膜科学与技术Vo1.20No.62000年12月MEMBRANESCIENCEANDTECHNOLOGYDec.2000本文的目的主要是研究水迁移至膜内的过程,其理论基础是溶解扩散模型.2水分迁入膜内的扩散过程研究211扩散系数求算公式当把厚度为2L的膜浸泡于水中时,若假定水在膜中的扩散系数D为常数,则膜内各处水的浓度C随时间t的变化可以用下式表示[3]:CCe=1-4π∑∞n=0(-1)n(2n+1)e-D(2n+1)2π2t/4L2cos(2n+1)π2LX(1)式中,D为扩散系数(m2/s),C为膜内某处(X)的水浓度(mol/m3),Ce为膜表面水浓度(mol/m3),t为时间(s),X为距离膜面的垂直距离(m),2L为膜厚度(m).经过一系列的积分运算,可以得出SSe=1-∑∞n=08(2n+1)2π2e-D(2n+1)2π2t/4L2(2)若只取第一项,则有SSe=1-8π2e-Dπ2t/4L2(3)变形为ln(1-SSe)=-Dπ2t4L2+ln8π2(4)式中,S为膜在某一时刻t时的每千克干基含水量(kg),Se为膜的平衡干基(kg)含水量(kg).于是,以ln(1-S/Se)对t作图,根据斜率便可以求出扩散系数D.212溶胀实验结果及数据处理采用称量法测定S-t曲线时用几块大小相似质量已知的干膜,在去离子水中浸泡一定的时间,用微量天平称其质量,从而求出其干基水含量S作为一个数据点;最后将膜浸泡足够长的时间测出平衡含水量,得出一条完整的S-t曲线.从S-t曲线求算扩散系数D时,为简化起见,作了如下假设:(1)假定阴、阳膜层厚度相同;(2)假定阴、阳膜层平衡含水量相同;(3)假定水在阴、阳膜层中扩散系数相同;(4)对有衬布的膜忽略衬布的影响;(5)假定吸水后膜厚度不变.利用测出的S-t数据,作出ln(1-S/Se)-t图,如图2所示,由斜率得到扩散系数D,数据列于表1中.(a)15℃(b)25℃(c)35℃图2不同温度的平均扩散系数求算图表1双极性膜的有关参数膜代号(1)膜总厚度/μm温度/℃平衡水含量/kg(2)平均扩散系数×1011/(m2·s-1)最大电流密度/(mA·cm-2)A220150.2882.1