离子交换膜分离技术是随着对膜现象的研究而逐渐发展起来的。起初，它没有得到工业应用，直到1952年，美国成功研制出世界上第一台使用离子交换膜的电渗析装置。此后，离子交换膜技术在世界范围内迅速发展。由于其节能、低耗、高效、少污染、工艺简单等优点，受到了全世界的关注。因此，许多以其为分离介质的分离方法在冶金溶液分离过程中具有重要的应用价值。
一、离子交换膜分离技术
在离子交换膜分离技术中，离子交换膜、膜装置和电极材料的发展是实现离子交换膜分离技术产业化的关键因素。
(1)离子交换膜的发展
作为一个单元过程，离子交换膜分离技术的效率主要取决于离子交换膜的性能。其主要性能包括良好的选择性渗透率、高交换容量、低溶胀度、高机械强度和良好的化学稳定性。膜的耐温性、耐酸碱性也是工业领域研究的主要目标。
目前国外对离子交换膜的研究很多，一方面是为了提高膜的性能，另一方面是为了开发特殊用途的离子交换膜。美国杜邦公司开发的Nafion系列膜，日本旭化成公司开发的Aciplex-F系列膜，日本旭化成公司开发的Flemion系列膜，都具有耐碱性强，功耗低的特点。双极膜也是人们研究的重点。双极膜是在外加电场的作用下，能直接将水解离成H+和OH-的膜。它由阳膜、阴膜和中间界面的亲水层组成。一些公司已经成功制造出性能优异的双极膜，其水离解电压从1。l比1。并且水离解效率在95%至99%的范围内。
国内可用的离子膜品种单一，电化学性能差的非均相膜，国外已基本淘汰，国内仍占90%以上。开发出的性能良好的均质膜由于性能不稳定，无法大规模生产。目前国内所需的绝大多数均质膜和电解质膜仍依赖进口。具有特殊性能的膜，如特殊选择性渗透膜、双极膜等，大多处于实验室阶段，研究工作相对薄弱。由于我国制膜技术不能满足工业需要，严重阻碍了离子交换膜技术的应用，必须加强研究、引进、消化和转化相结合，采用新技术开发新品种，提高膜性能。
(二)离子交换膜装置
离子交换膜分离技术的应用效果主要取决于离子交换膜的性能。然而，改进膜装置的设计以满足各种工业系统的要求，实现节能降耗，也是实现离子交换膜分离技术产业化的重要条件。
目前氯碱行业常用的离子膜电解槽有单极和复极两种，极大地方便了用户根据自己有限的条件选择电解槽。北京化工机械厂经过不断的试验研究，开发出BMCA-2.5单极离子膜电解槽，该电解槽结构合理，性能优良，运行稳定，DC电耗低，使用寿命长。对已投产装置的72小时考核表明，其性能指标达到了世界同类装置的先进水平。近年来，国产离子膜电解槽的设计和制造水平不断提高，其技术指标达到了国外同类产品的先进水平。而且其长期稳定的运行表现赢得了用户的信任和好评。再加上其价格优势，国内用户纷纷采用国产离子膜电解槽。
离子膜法是烧碱生产的发展方向，高电密度大型复极自然循环电解槽技术是离子膜法长期发展和研究的结果。一体式膜电极(SPE)电解槽也具有很强的吸引力。它是固体聚合物电解质电解槽，固体电解质是水合阳离子膜。电极与膜紧密连接，消除了普通膜电解槽的溶液压降和气泡效应。目前国内外许多科研机构都在积极开发研究。
(3)电极材料
在离子交换膜电解中，电极电位在设备总电压中占有重要的比例，直接影响能耗，从而影响离子交换膜电解的应用效果。因此，根据不同的应用系统开发合适的电极材料成为人们研究的重点。
为了降低功耗，往往在电极上涂覆一层能降低过电位的高性能电极涂层，开发出活性电极。我国研制的钛涂层钉铱电极已在氯碱生产中得到应用。当水电解发生在阳极时，降低析氧过电位是人们关心的问题。王鹏等人对碱性水电解阳极材料进行了研究，认为材料的选择应以含Ni、CO、Ru的混合金属氧化物为基础，特别是NiCO2O4和Lal-XSrXCoO3，经实验证明是最有前途的碱性水电解阳极材料。当析氢反应在阴极发生时，降低氢的过电位也很重要。诸如镍的活性涂层可以涂覆在阴极上。如国外已开发出Ni-Sn、Ni-RuO2、Ni-Co二元或多元合金镀层的活性阴极，国内已开发出Ni-Zn、Ni-Al、Ni-Mo、Ni-Co-W等活性阴极，对析氢具有优异的电催化性能。
二、在冶金中的应用
(1)重金属
美国Tran等研究了用自动电极电渗析工艺(EDR)回收镍盐，使其不会像传统工艺那样因氢氧化物沉淀而流失，取得了良好的经济效益和社会效益。高纯锡是电子元件不可或缺的金属。用阴极膜作电解槽隔膜，并与碳酸银除铅提纯工艺相结合，是制备高纯锡的新途径。美国矿务局将双膜电解槽与适当的溶液净化工艺相结合，从高温合金废料中回收高纯度的钴和镍，也将低品质的钴净化到a级，谢德华等研究了无外压离子交换膜分离去除原水中锰离子的技术。基于唐南渗析原理，将离子交换膜用于水样中重金属离子的检测，拓展了离子交换膜的应用领域。
(2)轻金属
中国是氧化铝和赤泥的生产大国。2009年，中国氧化铝产量达到2379万吨，赤泥产量近3000万吨，占全球产量的1/3以上。如何处理看起来“毫无用处”的赤泥，一直是铝工业面临的世界性难题。防止赤泥污染的根本途径是实现赤泥的综合利用。烧结赤泥可用于生产硅酸盐水泥，但赤泥中的高碱含量限制了赤泥的利用率。目前，正在努力增加赤泥在水泥中的用量，以提高其利用率。研究方向之一是在一定条件下加入石灰对赤泥进行脱碱处理，然后利用电渗析技术从得到的稀碱液中回收碱和其他有用成分。中国在这一领域取得了一些进展。
张启秀等采用碳脱铝-电渗析工艺处理含铝废碱水，从中回收铝、碱和水资源。其经济和环境效益是显著的。晶种分解是氧化铝生产中耗时最长且产量低的过程。如何强化和改善种分过程是氧化铝生产中最重要的研究课题之一。国内专家学者提出了许多改进途径，包括应用电渗析提高分解深度的研究。
(三)贵金属
通过膜电解可以制备高纯金。田中贵金属工业公司采用以下方法。碘化后，金被引入膜电解槽的阳极室。阳极室与反应室相连，阳极液可以在它们之间循环。通过过滤或后续超滤去除杂质，将99.99%的金精制至99.999%，回收率95%。
(4)稀有金属
在钨工业中，仲钨酸铵(APT)和偏钨酸钠(AMT)可采用离子交换膜技术制备。用膜电解法制备提取用偏钨酸钠料液，克服了传统方法中大量Na2SO4污染环境的缺点，还节省了酸碱用量。在稀土工业中，铈和铕可以通过膜电解过程中的氧化或还原反应分离。张启秀等研究了硫酸体系电解氧化铈的过程。利用隔膜的作用，在阳极室得到氧化铈，同时在阴极得到铜粉，大大降低了电耗成本。
三、应用特点及存在的问题
离子交换膜分离技术作为一种新的分离技术，具有以下特点:(1)可以提高生产效率，大大简化冶金过程；(2)不仅可以回收有用物质，而且不会产生二次污染；(3)可以更有效地利用能源；(4)离子膜电解技术作为一种单元操作，操作灵活，易于实现自动控制。
离子交换膜分离技术是当代高新技术之一，在有色冶金中表现活跃，但其在冶金工业中的发展还存在一些不足。有色冶金中的溶液体系主要是酸碱体系，也有一些是氧化体系或还原体系。大多数情况下，系统的温度较高，因此对离子交换膜的性能提出了更高的要求，要求使用的膜比氯碱膜更耐温、耐腐蚀。但目前许多膜对温度、PH值和化学环境仍很敏感，不能满足冶金工业的要求。离子交换膜技术应用受到限制的部分原因是现有的离子交换膜品种缺乏冶金工业所需的特殊选择性；由于冶金行业的电解液体系多为多相体系，离子交换膜容易被细小颗粒或有机物堵塞，对电解液的纯度提出了更高的要求。这样就需要增加电解液的精制工序，提高操作要求以除去电解液中的各种杂质，达到离子交换膜规定的要求，相应增加了设备和操作费用，导致成本增加。冶金生产通常是大规模的，但离子交换膜技术中存在物料流动和选择性的矛盾。
四。结束语
随着环保压力的增加和膜材料及膜设备行业的发展，离子交换膜技术在冶金中的应用越来越受到人们的重视，它对优化冶金工艺和处理冶金工业废酸废水具有重要意义。
与国外相比，我国在这方面差距很大。为了促进离子膜分离技术在冶金工业中的应用，我国应给予足够的重视。我们必须打破行业界限，联合膜材料研究、膜设备研究和膜技术开发等力量。，并增加经费和科研投入。随着研究的深入，离子交换膜分离技术将越来越广泛地应用于冶金领域。
