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新课程中的离子交换膜

离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里 的离子具有选择透过能力的高分子膜。因一般在 应用时主要是利用它的离子选择透过性,所以也 称为离子选择透过性膜。按膜中活性基团种类可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜、特殊离子交换 膜等,阳离子交换膜只允许阳离子通过,阴离子交 换膜只允许阴离子通过。

离子交换膜的内部具有极其复杂的化学结构,例如,磺酸型阳离子 交换膜的化学 结构可以表示 为:R - SO3H (Na),其中,R表示高分子结构。由于磺酸基具有亲水性能,因此膜在溶液中能够溶胀,而使 膜体结构变松,形成许多微细弯曲的通道。这样, Na就可以与溶液中的Na进行交换并透过膜, 而膜中的SO3的位置固定,具有排斥Cl和OH的功能,使它们不能通过离子膜,从而获得高纯度的NaOH溶液(如图1所示)。

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―、从无膜电解到立式隔膜的氱碱工业

新课程中的离子交换膜

如果用普通的电解槽来电解饱和食盐水(如 图2所示),会出现两个主要问题,一是阳极产生 的氯气有可能与阴极成生的碱反应,二是两极产 生的氢气和氯气混合,见光或遇明火有可能发生爆炸。由此引出一道高考题:

某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器,用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液,通 电时,为使Cl2被完全吸收,制得有较强杀菌能力的消毒液,设计了如图3的装置,则对电 源电极名称和消毒液的主要成 分判断正确的是( )。

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A.  a为正极,b为负极;NaClO和NaCl

B. a为负极,b为正极;NaClO和NaCl

C. a为阳极,b为阴极;HClO和NaCl

D. a为阴极,b为阳极;HClO和NaCl

本题关键之处是“使Cl2被完全吸收”,氯气应在下端产生,碱 在上端产生,这样Cl2的吸收效果 最好。答案为B。

那么,工业上是如何解决以 上两个问题的呢?在阴阳两极空 间用多孔隔板(隔膜)隔开,以阻 止两极溶液的互相混合,但并不妨碍离子的运动和电流的通过。用于电解饱和食盐水溶液时,多以石墨为阳极,铁为阴极,石棉绒制成隔膜。图4 是立式隔膜式电解槽的剖面图,隔膜式电解槽的投资较低,操作简单,但碱液浓度不高,且由于要 与氯化钠分离,纯度也不高。

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二、离子交换膜法——氯碱工业的发展方向

离子交换膜电解槽主要由阳极、阴极、离子交 换膜、电解槽框和导电铜棒等组成,每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。

新课程中的离子交换膜


图5表示的是一 个单元槽的示意图。电解槽的阳极用金属钛网制 成,为了延长电极使用寿命和提高电解效率,钛阳 极网上涂有钛、钌等氧化物涂层;阴极由碳钢网制 成,上面涂有镍涂层;阳离子交换膜把电解槽隔成 阴极室和阳极室。阳离子交换膜有一种非凡的性 质,即它只允许阳离子通过,而阻止阴离子和气体通过,也就是说只允许Na通过,而Cl,OH和 气体则不能通过。这样既能防止阴极产生的H2 和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸,又能避免 Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影响烧碱的质量。

在电解饱和食盐水的装置图中,U形管电解 槽、石棉隔膜电解槽、阳离子膜电解槽就是电解饱 和食盐水技术发展过程中的3个具有划时代意义 的阶段,反映了从实验室研究走向工业化生产的 历史进程。在20世纪80年代后新建的氯碱厂基本上采用了阳离子交换膜电解槽,原先采用水银 电解法或石棉隔膜电解法的氯碱厂有一部分在技 术改造时也转换为阳离子交换膜法。

新课程教科书苏教版化学中出现了 6个关于 电解饱和食盐水的图示,2个实验装置图分别出 现在化学1和化学与技术,1个石棉隔膜电解槽 示意图出现在化学与技术,3个阳离子交换膜电 解槽示意图,分别出现在化学2、化学反应原理和 化学与技术。上述6个图示在同一套教材的不同 模块中出现。根据技术发展的轨迹,可以有效地 帮助学生科学有序地认识“氯碱工业”的发展历 史,体会科学、技术和社会之间的关系。

三、离子交换膜的新应用

1.海水淡化

我国拥有较长的海岸线,在淡水资源日益紧 张的今天,浩瀚的海洋是巨大的水资源宝库。如 图6所示,在电场中利用膜技术淡化海水,该方法 称为电渗析法。

如何判断图中膜a、膜b的类型呢?可根据 通电时Na、Cl总体的迁移方向,结合浓缩或淡化的含义进行判断,如图1所示,对浓缩室而言, Na、Cl都只进不出,故膜a应允许Na通过,是 阳离子交换膜,膜b应允许Cl通过,是阴离子交 换膜。

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2.膜法电解硫酸钠溶液,生产硫酸和氢氧化钠.

惰性电极电解硫酸钠溶液,从电极反应式可看出:电解过程中阳极OH放电,产生H,阴 极H放电,产生OH,实质上就是电解水。既然 电解过程中有H和OH生成,如果用离子交换 膜将两极隔离出来,就能生产硫酸和氢氧化钠 (如图8所示)。

新课程中的离子交换膜

那么,图8中的离子交换膜类型是否一样呢? 从电极反应式和产物可进行判断——阳极区应允许SO42通过,是阴离子交换膜,阴极区应允许Na通过,是阳离子交换膜。该装置既能产出满 足脱硫工艺要求的氢氧化钠,又可获得较高浓度 的硫酸,且节能降耗效果明显。

3.离子交换膜法电解提纯

如2006北京理综就考到:铝和氢氧化钾都是 重要的工业产品。工业品氢氧化钾的溶液中含有 某些含氧酸盐杂质,可用离子交换膜法电解提纯。 电解槽内装有阳离子交换膜(只允许阳离子通过),其工作原理如图9所示。

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①该电解槽的阳极反应式是_____ ;

②通电开始后,阴极附近溶液pH会增大,其 主要原因是           (填序号);

A. 阳极区的OH移向阴极所致

B. 阴极产生的金属钾与水反应生成了大量OH

C.阴极由H2O电离出的H放电生成H2   ,水电离平衡移动使OH浓度增大

③除去杂质后的氢氧化钾溶液从溶液出口 __(填写“A”或“B”)导出。

(答案:①4OH-4e-==2H2O + O2  ②  C    ③  B )

实际上,离子交换膜的应用还有许多,如应用在有机电化学工业,制备L-半胱氨酸、葡萄糖 酸、乙醛酸等有机酸,利用膜的独特性能氧化或还原制备无机或有机试剂,废水、废酸等的净化处理和回收,产品的提纯与精制,如柠檬酸、酒类等。 限于知识的局限性,新教材中不可能深入介绍,但 通过对离子交换膜简单应用的教学,可促进学生 深人理解电解原理,体会科技击步与社会发展的辩证关系。

(责任编辑:化学自习室)
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