BMED運行時，在電場作用下離子進行定向遷移，當雙極膜中的離子都遷向主體溶液時，中間層的水會解離產生H+和OH-對電流進行負載。
然而雙極膜中發生的水解離現象不同于通常的水解離，研究者們對其解離的過程機理開展了大量的理論研究，但限于過程的復雜性，目前還沒有達成統一的結論。根據水在雙極膜中間層解離過程的不同，主要提出3種解釋水解離機制的物理模型，見圖 1。
SWE模型認為，在電場作用下，雙極膜中間層（陰陽離子尖銳結合區）會因離子遷移而出現薄的無離子區域，認為水解離發生于此。H2O的解離跟弱電解質在高壓條件下的解離過程相同，H+和OH-的產生速率為H2O的解離速率，解離常數與電壓成正相關；
在SWE模型的基礎上，為了解膜上荷電基團對水解離的影響，進一步提出化學反應模型（CHR），該模型認為由膜基質中的羧酸基、叔胺基和膜內的金屬離子等影響水解離速率的現象可知，膜上固定基團通過質子化反應進行水解離產生H+和OH-，且解離更易發生在AEM側；
為解釋雙極膜中間層較大的能量消耗，提出中和層模型（NL），結果發現，雙極膜的AEM、CEM界面處存在中和層區域，水解離發生在電荷區和電荷與中和層區域的界面處。
以上提出的水解離物理模型具有一定的假設和適應范圍，存在局限性。SWE模型僅適應電壓為107~108 V/m的體系，且假設了雙極膜中間層是尖銳結合而成的結構；CHR模型考慮了雙極膜的實際結構和膜上荷電基團會使水發生解離，但無法解釋與SWE模型計算出的數值間較大的差距；NL模型只能用于明顯存在中和層的體系。
因此下一步要加深對雙極膜水解離理論的研究，完善水解離理論工作曲線，建立有實際應用價值的物理模型。對水解離機制的探索，有助于改善雙極膜的制備工藝，優化雙極膜性能。
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