電滲析（Electrodialysis，ED）可能是最巧妙的膜分離過(guò)程。它不僅巧妙地使用兩種功能完全相反的膜，還通過(guò)無(wú)形的電場(chǎng)巧妙地操控水中帶電離子的遷移。作為一種水處理和分離技術(shù)，它廣泛應用于苦咸水淡化、海水濃縮、廢水回用和工藝分離等領(lǐng)域。電滲析技術(shù)130年的發(fā)展歷史，既經(jīng)歷了突破與輝煌，也充滿(mǎn)著(zhù)彷徨與期待。

電滲析淡化廠(chǎng)（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò )）

　　第一部分 早期探索

　　顧名思義，電滲析以滲析（Dialysis）過(guò)程為基礎。滲析過(guò)程離不開(kāi)滲析膜。滲析膜的特性是，小分子溶質(zhì)或電解質(zhì)離子可以透過(guò)，而大分子或膠體物質(zhì)不能透過(guò)。如果將含有小分子電解質(zhì)的膠體溶液通過(guò)滲析膜置于純水中，小分子電解質(zhì)就會(huì )由于濃差擴散透過(guò)滲析膜進(jìn)入到純水中，膠體溶液因此得到純化。這就是滲析過(guò)程。

　　說(shuō)到滲析，似乎不能不提滲透（Osmosis）。二者都是依賴(lài)于膜和濃差擴散發(fā)生的分離過(guò)程，主要區別在于膜的選擇透過(guò)性質(zhì)不一樣。與滲析膜不同，滲透膜只有水分子可以透過(guò)，小分子溶質(zhì)或電解質(zhì)離子是不能透過(guò)的。滲析現象每天都在我們身體內發(fā)生，它是人體腎臟發(fā)揮功能的主要原理之一。腎臟功能受損的病人會(huì )出現尿毒癥，需要接受血液透析治療。血液透析主要運用的就是滲析膜和滲析過(guò)程。

　　1748年，法國物理學(xué)家諾萊（Jean-Antoine Nollet）采用豬膀胱作為半透膜，發(fā)現低濃度酒精溶液中的水透過(guò)膜進(jìn)入到了高濃度酒精溶液中，第一次通過(guò)實(shí)驗觀(guān)察到了滲透現象。1854年，英國格拉斯哥大學(xué)（Glasgow University）化學(xué)家格雷厄姆（Thomas Graham）采用羊皮紙作為滲析膜，第一次通過(guò)實(shí)驗描述了氯化鈉等物質(zhì)的滲析現象。

　　最早的電滲析概念起源于德國。1890年，德國人邁格羅（E. Maigrot）和薩貝茨（J. Sabates）采用碳材料電極，首次將電場(chǎng)引入滲析過(guò)程，利用高錳酸鹽浸漬紙作為滲析膜，用于加速純化糖漿。1902年，德國人肖日邁爾（G. Schollmeyer）在描述類(lèi)似過(guò)程的一件專(zhuān)利中首次使用了電滲析（Electrodialysis）一詞。

　　1911年，英國化學(xué)家道南（Frederick G. Donnan）通過(guò)實(shí)驗研究了由于不同電解質(zhì)的透過(guò)性差異引起的半透膜兩側不均勻的電荷分布現象，即所謂的道南平衡（Donnan equilibrium）。1914年，貝蒂（A. Bethe）和托洛帕夫（T. Toropoff）首次發(fā)現火棉膠、高錳酸鹽浸漬紙、明膠膜等滲析膜的孔壁上帶有一定的固定負電荷。

　　1929年，泡利（W. Pauli）和雅爾科（E. Yalko）首次描述了三室電滲析裝置，置于中間室的料液中的陰離子和陽(yáng)離子在電場(chǎng)作用下分別進(jìn)入正極室和負極室。1935年，特奧雷爾（T. Teorell）建立了荷電膜理論，認識到陽(yáng)離子選擇性透過(guò)膜含有帶負電荷的固定離子，陰離子選擇性透過(guò)膜含有帶正電荷的固定離子。1939年，馬內戈爾德（E. Manegold）和卡勞奇（C. Kalauch）首次在三室電滲析裝置中同時(shí)使用陰離子選擇性透過(guò)膜和陽(yáng)離子選擇性透過(guò)膜。

　　1940年，邁爾（K. H. Meyer）和施特勞斯（W. Strauss）首次提出，通過(guò)在電滲析裝置中設置陰膜和陽(yáng)膜交替排布的重復單元，在直流電場(chǎng)作用下就會(huì )產(chǎn)生交替的濃室和淡室。這一設想奠定了現代電滲析膜堆的基本結構，具有里程碑意義。

Meyer-Strauss膜堆（圖片來(lái)自文獻）

　　要將邁爾和施特勞斯的天才設想轉變成現實(shí)，需要一個(gè)前提條件，那就是所用的陰膜和陽(yáng)膜具有足夠優(yōu)異的離子選擇性。但當時(shí)最好的滲析膜，電導率只有0.15mS/cm，離子交換容量只有0.03mmol/g，遠遠不能滿(mǎn)足要求。然而，這一設想就像一盞明燈，為后來(lái)的研究者指出了明確的技術(shù)方向。

　　第二部分 技術(shù)突破

　　1949年，離子選擇性透過(guò)膜的制備技術(shù)取得了重大突破。這年7月，美國科學(xué)家猶大（Walter Juda）和他的同事麥克雷（Wayne A. McRae）首次制備出了現代意義上的離子交換膜，并申請了第一件專(zhuān)利（US2636851）。他們首先閃現了采用高電荷密度的離子交換樹(shù)脂材料制備電滲析膜的智慧之光。

　　離子交換樹(shù)脂在當時(shí)也是個(gè)新鮮事物。盡管人們很早就觀(guān)察到一些天然無(wú)機材料具有離子交換能力，但直到1935年，英國化學(xué)家亞當斯（Basil A. Adams）和福爾摩斯（Eric L. Holmes）才首次發(fā)明了有機離子交換材料，即酚醛型離子交換樹(shù)脂。1947年前后，日后成為主流離子交換材料的苯乙烯系離子交換樹(shù)脂也被發(fā)明。

　　接下來(lái)的問(wèn)題是，如何制備具有離子交換樹(shù)脂材料的電滲析膜呢？具有材料基礎的研究人員不難想到兩條大的路線(xiàn)：一是從商品離子交換樹(shù)脂出發(fā)，加入粘接劑并以一定方式壓制成薄膜；二是從單體出發(fā)，通過(guò)聚合反應和功能化直接制成薄膜。前者得到的是異相膜，后者得到的是均相膜。

　　猶大和麥克雷對上述兩種路線(xiàn)都進(jìn)行了嘗試。他們不但采用羅門(mén)哈斯（Rohm and Hass）和陶氏化學(xué)（Dow Chemical）的商品離子交換樹(shù)脂分別制成三種異相離子交換膜，還通過(guò)聚合反應制成了兩種均相膜，分別為酚醛型陽(yáng)離子交換膜和三聚氰胺型陰離子交換膜。

　　猶大和麥克雷制備的離子交換膜，在0.1M氯化鉀溶液中測得的電導率均超過(guò)了25mS/cm，干基離子交換容量均超過(guò)了0.8mmol/g。這表明，他們將電滲析膜的性能直接提升了兩個(gè)數量級！

　　1949年7月，也就是在他們申請專(zhuān)利的當月，猶大就在戈登會(huì )議（Gordon Conference）上公開(kāi)了這一技術(shù)突破，并很快引起廣泛注意和跟隨研究。1952年2月，紐約時(shí)報還用封面故事的形式，報道了猶大和麥克雷發(fā)明的離子交換膜。

　　作為發(fā)明現代離子交換膜的關(guān)鍵人物，猶大的經(jīng)歷值得多說(shuō)幾句。1916年，猶大出生于德國柏林的一個(gè)猶太人家庭。1933年，也就是希特勒成為德國元首的那一年，17歲的他以難民身份逃往瑞士。

沃爾特·猶大

　　1939年，猶大在法國取得物理化學(xué)博士學(xué)位。同年，他在戀人的幫助下獲得一個(gè)美國學(xué)生簽證，并進(jìn)入哈佛大學(xué)讀書(shū)。1944年，他從哈佛大學(xué)畢業(yè)并留校開(kāi)展研究工作。1946年前后，猶大開(kāi)始涉足離子交換過(guò)程研究。

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編輯：王媛媛