化学自习室移动版

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)。

―、从无膜电解到立式隔膜的氱碱工业

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（ ）。

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。

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。

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。

2.膜法电解硫酸钠溶液，生产硫酸和氢氧化钠.

用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）。

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SO₄^2－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。

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。