工业废水处理是工业生产制造过程中难以避免的产物，随着社会经济的发展，工业上用水比重不断增加，造成污水产生量十分巨大，所产生的工业废水处理需求十分急切。离子交换膜可以通过选择性透过离子的方式实现污水处理，其目前应用技术十分高效、成熟并且环保，因此被广泛用于化工产业、废水处理以及海水淡化等方面。在之前的文章中，我们介绍了在电池行业所涉及的离子交换膜，主要是电池用质子交换膜和阴离子交换膜，也综述过离子交换膜在电解水中的应用，本文将着眼于离子交换膜在水处理领域的应用。

在水处理领域，如金属离子废水处理，目前所运用的方法和手段很多，传统的去除污水中金属离子的方法包括沉淀法、溶液萃取法等非膜处理法以及如反渗透法、纳滤法以及电渗析等膜法水处理方式。其中，利用离子交换膜的电渗析法在目前研究最多，也最有前景。

       离子交换膜是一种由高分子材料构成的膜，其结构包括高分子骨架和交换基团，其本质上是含有可电离基团的离子交换树脂，对溶液中的离子具有选择透过性。离子交换膜根据其透过的离子种类不同可以分为阳离子交换膜、阴离子交换膜以及两性离子交换膜，其功能的不同主要是由于离子交换膜中所含有的离子交换基团不同所导致。阳离子交换膜上包含大量阴离子基团，由于电荷作用可以实现对阳离子的定向吸引，而对阴离子进行特定排斥，阴离子交换膜则恰恰相反。对于两性离子膜则是阴阳离子活性基团均匀分布在交换膜表面，形成双极性膜。目前，学术界普遍认可的离子交换膜工作机理主要有双电层理论、空穴传递理论以及Donnan平衡理论。

       此外，离子交换膜也可以按照其结构进行分类。按照膜结构可以分为异相膜、均相膜以及半均相膜三类[1]。异相膜，也称为非均相膜，其主要通过离子交换剂和粘结剂混合而成，再经过一定工序处理后，轧制成0.3毫米左右的薄膜，再结合实际情况配以不同数量的增强网布压制，其最大特点是膜内的离子交换基团和粘结剂由于是简单混合，因此往往在化学结构上很难保持一致和连续。因此异相膜往往工艺更为简单，但所成膜的膜电阻更大，选择性也较差。

        均相膜则是通过将单体聚合成高分子膜后直接进行功能化，或在成膜前直接先进行功能化再涂覆成膜。在均相膜的制备工艺中，离子交换基团和成膜材料间往往可以发生化学联结，因此具有更加优异的物理性能和电化学性能，也是目前的主流研究方向。而半均相膜则是功能和结构均介于均相膜和异相膜之间的一种膜，其膜内的离子交换基团也分布均匀，但其与成膜物质间的联结并非均相膜中的化学联结。

        当然，离子交换膜也可以按照材料的种类来分，比如根据构成组分不同可以分为有机离子交换膜和无机离子交换膜。我们在之前文章中提到的全氟磺酸质子交换膜和季铵型阴离子交换膜都是由高分子材料合成的有机离子交换膜。

       离子交换膜应用于水处理的方式主要是电渗析。电渗析简单概括就是在外加电场驱动下水中带电荷离子分离的过程，并且在离子交换膜的作用下，通过不同的电场梯度可以实现溶液中离子的定向迁移而分离，从而达到处理水的目的。在此过程中，由于离子交换膜的不同性质，可以实现某类特定离子定向迁移到某个电极电解液附近，从而形成浓缩室和稀释室两个不同离子浓度的电解液室。

电渗析装置示意图

       以饮用水中除去氟离子为例[2]，氟离子是一种一价阴离子，可以通过阴离子交换膜（AEM）,但不能通过阳离子交换膜（CEM）。在电渗析过程中如下图所示，在阴离子交换膜和阳离子交换膜交替放置的电渗析室中，带有一个负电荷的氟离子在电场的作用下，向阳极定向运动（从右往左），但不能通过阳离子交换膜，因此在电场作用下，形成图中红线所示的含有高浓度氟离子的浓缩室。与此同时，水中同时具有的钠离子向阴极定向移动，进入浓缩室，如此可以使得绿线所示的电解液中离子浓度非常低，形成稀释室，从而达到水处理的目的。

电渗析除去饮用水中氟离子装置原理图

       在水处理中的离子交换膜需要具备一定的性能与要求，才能较好的应用于水处理，这些要求可以概括为三个方面：高机械性能、突出的电化学性能以及出色的离子分离性能[3]。在离子交换膜的机械性能方面主要是对断裂强度方面的要求，断裂强度主要取决于离子交换膜的自身内在结构，尤其是其聚合物聚合程度（交联度）。但交联度也不宜过高，在合适的范围内，其交联度越高会提高其机械性能，但如果超过离子交换膜可以承受的最大限度，则会导致膜本身失去其柔性而变得脆断，从而失去离子交换能力。

       离子交换膜的电化学性能则主要取决于其膜面电阻，膜面电阻可以反应离子交换膜的导电性能和离子穿透能力，当离子穿透离子交换膜速度越快，其所具有的电阻则越小，电化学性能越佳，反之则会越差。

        而离子交换膜的离子分离能力则取决于离子交换膜内的离子交换基团对相反电荷离子的选择透过性能以及对相同电荷离子的排斥性能。这种选择透过性能很大程度上取决于离子交换膜所含的活性基团数量和离子交换膜的含水率。一般来说，活性基团数量越多，其选择透过性越强。离子交换膜的含水率越高，则游离水分子数量增多，会一定程度上造成同种电荷离子通过离子交换膜，从而造成其选择透过性降低。

       离子交换膜在水处理领域的具体应用有很多，下面也列举一些采用离子交换膜进行电渗析实现水处理的例子以及未来发展方向。电渗析可以进行苦咸水淡化处理，苦咸水作为西北内陆地区的常见水源，直接饮用不利于身体健康，长期用于农业灌溉会造成农作物减产甚至枯萎[4]。因此，利用离子交换膜进行苦咸水淡化对于缓解内陆地区的淡水短缺、保障用水安全至关重要。但是膜污染是制约苦咸水淡化发展的一个重要因素，膜污染会显著提高膜面电阻，甚至会降低膜的脱盐性能和使用寿命，目前主要通过膜表面改性或优化制膜工艺来提升膜抗污染性能。相对于阳离子交换膜来说，阴离子交换膜表面结垢和污染问题尤为严重。这主要是因为苦咸水中大多数天然有机污染物都带有负电荷，很容易通过静电吸引被吸附在固定基团为正电荷的阴离子交换膜表面，因此可以通过提高膜表面负电荷密度和亲水性、降低膜表面粗糙度等方法显著提高抗污染性能。为了提高阴离子交换膜的抗污染性能，通常对阴离子交换膜表面进行负性聚合电解质改性，通过同性静电排斥阻止膜污染。常用的改性材料包括：多巴胺、聚4-苯乙烯磺酸钠、金属有机框架（MOFs）、两性离子、氧化石墨烯、二硫化钼等。但这种通过负性聚合电解质改性的方法无疑会增加膜面电阻，导致脱盐性能下降，脱盐能耗升高。同时，由于负性聚合物对正固定基团的静电中和反应，也会导致离子交换容量有所降低。因此，应对改性过程中抗污染性能提升与脱盐性能下降之间的平衡是未来利用离子交换膜进行苦咸水淡化领域的重要发展方向。

       此外，还有前面提到的利用离子交换膜进行氟离子去除也是非常重要的应用。由于氟离子是饮用水中的一个重要的污染物，基于人体健康和世界各国允许的最大氟离子质量浓度（1.0~1.5 mg/L），需要采取适宜的措施去除饮用水中超标的氟化物，氟离子的去除技术始终是饮用水处理技术的难题之一。电渗析技术在发展的历程中逐渐趋于成熟，不仅可以用于处理高盐废水，在处理低浓度饮用水方面也得到了很好的研究，例如处理含氟地下水。但电渗析处理含氟地下水时仍然存在难以实现低浓度氟离子的选择性去除的问题。研究发现，使用电渗析处理含氟地下水时，氟化物的去除效率取决于电渗析装置的操作条件、原水性质和离子交换膜性质等因素。因此，可以通过对电渗析以上影响因素的参数优化和膜优化实现更高的除氟效率，并提升在共去除过程中氟的竞争性迁移速率，以提高电渗析选择性除氟效果。当然，离子交换膜水处理也广泛用于高盐废水、氮氨废水处理、重金属废水、放射性废水、有机废水等，在这些领域发挥着越来越重要的作用。

目前而言，开发高性能的离子交换膜是电渗析技术进步的关键，也是利用电渗析进行水处理的关键。对电性相同，价态不同的离子有选择性的离子交换膜，可以有效提高电渗析分离效率。近年来我国新兴的膜材料在一定程度上促进电渗析技术的发展。高选择性的同时，耐污性能好的离子交换膜，将会是电渗析技术开发和研究的重点。利用离子交换膜进行电渗析在废水资源化利用和资源回收方面的应用也将在未来会受到更多的关注。

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参考资料： 

[1]关文学,王三反,李艳红.概述离子交换膜的发展及前景应用[J].应用化工,2019,48(04):888-892.

DOI:10.16581/j.cnki.issn1671-3206.20190125.002.（兰州交通大学环境与市政工程学院；寒旱地区水资源综合利用教育部工程研究中心）

[2]罗胜,朱铭,田秉晖,Theekshana MALALAGAMA.电渗析水处理除氟的研究进展及主要影响因素[J/OL].工业水处理:1-21[2022-06-26].DOI:10.19965/j.cnki.iwt.2021-1159.（中国科学院生态环境研究中心，环境水质学国家重点实验室；天津城建大学环境与市政工程学院，天津市水质科学与技术重点实验室）

[3]刘玉萍. 丙纶均相离子交换膜的制备及其在电渗析中的应用[D].苏州大学,2020.DOI:10.27351/d.cnki.gszhu.2020.001837.（苏州大学）

[4]董林,陈青柏,王建友,李鹏飞,王进.电渗析苦咸水淡化技术研究进展[J].化工进展,2022,41(04):2102-2114.

DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2021-0811.（南开大学环境科学与工程学院天津市跨介质复合污染环境治理技术重点实验室）