嵌镶离子交换膜
出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第323页（2885字）
嵌镶膜的概念首先是由泽尔纳(Sollner)1932年通过对生物细胞的研究而提出的。
这种膜是由阴、阳离子交换单元交替排列而成的离子交换膜。由于嵌镶膜的特殊结构，将膜置于电解质溶液中会产生环电流，正是这种环电流的存在使得电解质中阴、阳离子可按各自的通道在膜中传递，而达到脱盐分离目的。嵌镶膜不仅可用于脱盐、海水淡化，而且还可用于生化物质，食品添加剂的分离，自然界中某些动物细胞也具有嵌镶膜的功能，因而开展对嵌镶膜的研究对改进分离膜性能及探讨生命科学都是很有裨益的。
早期的嵌镶膜研究主要在制备方面。第1张人工制备的嵌镶膜是由科日萨姆(P．Kollsman)在1961年采用两张半圆形阳、阴离子交换膜并排拼合而制成的。发知(H．T．Hatch)所报道的蛇笼型树脂及菜茨(F．B．Leitz)制备的浇铸型嵌镶膜都属于这一类。简单物理拼合法制备简单，采用的膜强度高，故所制备的膜强度也高。再则由于这种方法采用离子交换树脂或离子交换膜拼合而成，故不需要再进行化学反应。这类膜的缺点是脱盐率低，一般小于5%。因此这类膜仅作为模型化合物。韦斯滕(J．N．Weistein)曾用阴、阳离子交换树脂嵌镶在硅橡胶片上所制备的嵌镶膜中观察到了负渗透及电解质分离现象。
随着高分子材料科学的发展，嵌镶膜已有不少新的制备途径。
近年来较为使用的方法有辐照，共混及嵌段方法。查佩罗(A．Chapiro)用X光射线辐照的方法将丙烯酸，4－乙烯基吡啶接枝在聚四氟乙烯薄膜上，制得的嵌镶膜的电导率随阴、阳离子交换区域的含量提高而提高，嵌镶膜与均一离子交换膜的脱盐率相比要大100～1000倍。
希斯德(G．H．Hside)采用辐照的方法将4－乙烯基吡啶接枝在SBS嵌段共聚膜上，然后再对其进行磺化、季铵化后制成了嵌镶膜。
研究表明该膜对KCl与尿素的混合溶液中的KCl有一定的分离效果。
以栩(H．Kawatoch)曾用氯甲基聚苯乙烯与聚丙烯腈／苯乙烯嵌段共聚物共混，再引入光交联剂后，经汞灯照射形成交联聚合物。其后用双－二甲胺基乙烷季铵化。氯磺酸磺化后，制成了嵌镶膜。该膜能将NaCl与蔗糖混合溶液中的NaCl分离。
NaCl与蔗糖透过系数分别为2．65×10－8mol／cm2·s及3．77×10－10mol／cm2·s。灶千(M．Kamach)用阴离子聚合方法合成了聚2－乙烯基吡啶一甲基丙烯酸嵌段共聚物，并在此基础上制成了嵌镶膜。
然而在众多的嵌镶膜中，分离性能较高的嵌镶膜是由藤本辉雄1983年所报道的。这种从阴离子聚合方法制成的聚异戊二烯－苯乙烯－异戊二烯－4－乙烯基－2－甲胺基－异戊二烯5嵌段共聚物经化学改性后仍具有精细的层状结构。
阴、阳离子交换区域的平均距离约为50nm，阳离子迁移数为0．5。用该膜作渗析实验，观察到负渗透现象且KCl的渗透系数为1．09×10－8mol／cm2·s。
另一种独特的嵌镶离子交换分离池是在1983年由井川(M．Igaiva)发明的。该分离池中并排地放入阴、阳离子交换膜。
池中电解质的正、负离子可从阳离子交换膜或阴离子交换膜中传递，因而这种装置也具有嵌镶膜的功能，与其它方法制备的嵌镶膜不同点在于环电流的产生不是在同一张膜上，而是在阴、阳离子交换膜排列组成的装置中产生的。
嵌镶膜近代研究重点主要有3个方面。
(1)合成不同种类的嵌镶膜，特别是通过改变交换基团的性能以提高膜的分离性能。如矶野(Y．Isono)等制备了含羧基与2－甲甲基胺基的嵌镶膜，这种离子交换膜对一价与二价离子有很好的分离效果。通过调节膜外部溶液性质如H+浓度大小也可提高膜的分离效果。特别是对一些两性电解质及有机酸、胺等化合物其效果更为显着。
藤本辉雄的研究表明对乙酸来说，H+浓度小于3．16×10－6时的渗透率要比3．16×10－6时的渗透率约大12倍(乙酸在H+浓度大于3．16×10－6时电离度有显着的增加)。对两性电解如赖氨酸，在其等电点处不能透过嵌镶膜，而当溶液中的H+浓度大于或小于等电点时可以透过嵌镶膜。
梁良等人的研究表明通过改变膜外电解质溶液的H+浓度可获得最大的电解质渗透率；(2)探讨该膜的分离机理。嵌镶膜因具有生物细胞中的某些功能，可以预料对该膜的分离特征系统研究将有助于揭示某些生命现象。已建立的较系统，完善的分离模型是克德姆(O．Kedem)的非平衡热力学模型。
滕本辉雄据此研究了嵌镶膜的质量传递行为。获得了不同分离介质中的传递系数(Wm)，反射系数(σm)及电渗透系数(β)。实验数据可圆满地解释克德姆提出的非平衡热力学唯象方程。
山内(A．Yamauchi)则系统研究了嵌镶膜的电化学性质，建立了膜电导、膜电位与传递量的关系。加瓦什(C．Gavash)则以能斯持一普朗克(Nerst Plank)方程和TMS理论为依据，获得了电解质在嵌镶膜中的扩散方程。
由理论方程计算所得的电解质渗透量与实测值极为接近；(3)嵌镶膜的实际应用也成为该领域的研究热点。实验表明对相同初始浓度的盐水，提高压渗析的压力，则浓缩率、体积流量提高，此结论证实了莱茨70年代早期的实验结果。同时随初始盐水浓度提高，相同压力下的压渗析实验表明浓缩率此时提高，水通量则不变。这一结果说明要获得较高的浓缩率则需要在高压，初始盐浓度较低的条件下操作。
进一步的研究还表明NaCl与蔗糖混合溶液的压渗析分离不受NaCl浓度变化的影响，而与本身分子量有关，分子量愈高，透过率愈小。压渗析具有比电渗析脱盐率高，节能等特点，可广泛用于制造纯水及浓缩盐水等场合。
。【参考文献】：
1 Kedem 0,et al. Trans Faraday Soc, 1963,59:1941
2 WelnsteinJN, et al. Science. 1970.169 :296
3 Yamauchi A,et al. Bull Chem Soc,1982,55:3297
4 Fujimoto T.et al. Ind Eng Chem Res,1988,27:983
5 Isono Y,et al. J Mem Sci,1989,43:205
6 GavachCet al. Desalination,1990,78: 343
7 梁良，等．化学简报，1991，4∶6
(华东理工大学梁良撰)