雙極與兩性離子交換膜之簡介與近年文獻探討

 

刊登日期:2020/9/2
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蔣皓哲/中央大學化學系
一、離子交換膜之簡介與工作原理
隨著科技的進步,人們不斷地在提升我們的生活條件,不論是更快的交通工具或更好的電器用品,各個層面都與科技的發展息息相關。但是在人類高速發展的同時,卻也對地球造成了不小的傷害。我們對於石油需求量的提高,快速減少了石油的庫存量,導致油價不斷上升。工業生產時所排放的廢氣,對於空氣污染破壞,又或者是工廠所排出的廢水,不但汙染了河川的生物,也對人類的生活造成負面的影響。而隨著環保意識的抬頭,人們開始逐漸注意這方面的事情,也成為科學家們一個重點研究的議題。
 
離子交換膜便是其中一個重點的發展項目。離子交換膜的技術涉及相當多的領域,應用範圍也非常廣。例如:之前已能應用在大型交通工具中,透過較高效率的能量轉換來取代傳統化石能源的燃料電池、液流電池(圖一);海水淡化的技術對於缺乏降雨量的國家來說,是很重要的飲用水和農業用水的來源(圖二);還有家家戶戶都相當常見的裝置,確保家庭飲用水乾淨的淨水器等等,離子交換的技術已經廣泛地應用在我們的日常生活中。
 
圖一、燃料電池巴士
圖一、燃料電池巴士
 
圖二、海水淡化廠
圖二、海水淡化廠
 
離子交換膜的工作原理很簡單,茲舉陽離子交換膜和陰離子交換膜為案例。在陽離子交換膜中,中間的離子交換膜帶有負電荷基團,使得溶液中的陽離子在電場的驅使下,因為異性相吸的關係可以穿越,但是陰離子會因為和離子交換膜上的負電荷基團相斥而無法穿越。同樣的原理,在相反的陰離子交換膜中,陰離子因為異性相吸的關係可以穿越,但是陽離子會因為和離子交換膜上的正電荷基團相斥而無法穿越(圖三)。
 
圖三、陽離子交換膜和陰離子交換膜的工作原理
圖三、陽離子交換膜和陰離子交換膜的工作原理
 
雙極/兩性離子交換膜則是近年來興起的研究方向,相較於傳統的陰、陽離子交換膜,雙極/兩性離子交換膜的優勢在於:高分子中同時具有正、負電荷的離子交換基團,可以根據工作所需的狀況傳遞不同的離子,具有更廣泛的應用範圍。
 
一個好的離子交換膜需要具備如下幾種條件---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

 


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