淺析離子交換膜在電化學(xué)中的運(yùn)用

廣東 夏時(shí)君

離子交換膜是“具有選擇透過性能的網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)的高分子功能膜或分離膜”，常運(yùn)用于膜電解和電滲析等離子交換膜法技術(shù)中。它具有選擇透過性、分離效率高、能耗低、污染少等特點(diǎn)，在水處理、環(huán)保、化工、冶金等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。高中化學(xué)各版本教材中對(duì)于交換膜雖有介紹，但內(nèi)容分布零碎，對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能挖掘較少。筆者通過選取典型案例，剖析其在電化學(xué)中的重要運(yùn)用。

1.離子交換膜的種類與透過原理

離子交換膜依據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)有不同分類方式，其中按選擇透過性可分為陽離子交換膜(下簡(jiǎn)稱陽膜)、陰離子交換膜(下簡(jiǎn)稱陰膜)、特殊離子交換膜三大類。根據(jù)雙電層理論：陽膜含有酸性活性基團(tuán)，解離出陽離子，使膜呈負(fù)電性，選擇性透過陽離子；陰膜含有堿性活性基團(tuán)，解離出陰離子，使膜呈正電性，選擇性透過陰離子。如圖1和圖2所示。我們常將這種與膜所帶電荷相反的離子透過膜的現(xiàn)象稱為反離子遷移。

圖1 陽膜選擇性透過過程 圖2 陰膜選擇性透過過程

離子交換的透過性常與膜的靜電作用、孔隙作用和擴(kuò)散作用有關(guān)。從離子交換膜的選擇性來看：它使溶液中陽、陰離子在膜上實(shí)現(xiàn)反離子遷移,同種離子受到阻擋。從離子相對(duì)大小來看：水合離子半徑小于孔隙大小才能通過。從電場(chǎng)作用來看：它使溶液中陽、陰離子分別向陰極和陽極定向遷移。

2.離子交換膜在電化學(xué)中的運(yùn)用

(1)構(gòu)成雙液原電池,閉合電路，提高放電壽命與效率

單液原電池由于活性電極材料與電解質(zhì)溶液直接接觸，無法避免放電的同時(shí)也發(fā)生化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)化效率低、放電不穩(wěn)定、使用壽命短等問題。將單液原電池轉(zhuǎn)換為雙液原電池可減弱上述問題。解決此問題可使用鹽橋或離子交換膜形成負(fù)極室和正極室。相對(duì)于鹽橋，離子交換膜表面積較大，有利于增大離子的定向移動(dòng)速率，減小電阻，放電效率提高，使用壽命增長(zhǎng)。

圖3 銀氯原電池的結(jié)構(gòu)示意圖

(2)制備提純物質(zhì)：隔離微粒，提高物質(zhì)的產(chǎn)率與純度

膜電解法是制備物質(zhì)的重要方法，它將電解和膜分離相結(jié)合，將制備、分離和濃縮相結(jié)合。即“在通電條件下發(fā)生電解化學(xué)反應(yīng)時(shí), 生成的產(chǎn)物能及時(shí)地從反應(yīng)體系中通過離子交換膜分離出來, 使反應(yīng)向生成物的方向進(jìn)行, 從而提高反應(yīng)效率?！逼渲凶钪匾哪る娊膺\(yùn)用于氯堿工業(yè)以及廢水處理等。

①氯堿工業(yè)

圖4 氯堿工業(yè)結(jié)構(gòu)示意圖

②鹽制備酸堿

圖5 電解法制備酸堿

(3)多室電滲析：交替運(yùn)用陰膜陽膜，完成物質(zhì)淡化與濃縮

電滲析是將陰膜與陽膜交替排列在電極之間,在直流電場(chǎng)作用下,以電位差為動(dòng)力,離子透過選擇性離子交換膜而遷移,從而使電解質(zhì)離子自溶液中部分分離出來，實(shí)現(xiàn)溶液的濃縮與淡化,復(fù)分解反應(yīng)及電解氧化還原等效能,達(dá)到提純精制的目的。

如海水的淡化如圖6，淡化室：因離子遷移而鹽溶液淡化。Na+和Cl-在電場(chǎng)作用下，分別向右通過陽膜和向左通過陰膜，溶液脫鹽得到淡水的目的，解決了用水問題，達(dá)到工業(yè)廢液的零排放。濃縮室：因富集離子而濃縮物質(zhì)。由于相鄰兩個(gè)室分別遷移了Na+和Cl-，從而富集了NaCl，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離與利用。同樣用陰膜擴(kuò)散滲析可從含酸的工業(yè)廢液中回收酸,用陽膜擴(kuò)散滲析從含堿的工業(yè)廢液中回收堿。

圖6 電解法淡化海水

(4)廢水處理：處理離子電性與物質(zhì)性質(zhì)間矛盾，完成試劑再生循環(huán)

用離子交換膜電解也可回收工業(yè)廢水中的金屬、分離稀有金屬和貴金屬等，回收方法包括：金屬陽離子在陰極放電而沉積、調(diào)節(jié)溶液pH或加沉淀劑轉(zhuǎn)化為難溶物進(jìn)行處理。如從電性來看，F(xiàn)e2+會(huì)向陰極定向遷移；從還原性來說，它傾向于在陽極失電子被氧化，如何解決陽離子電性引發(fā)的定向遷移與離子還原性間的矛盾？這就可以借助離子交換膜發(fā)揮透過選擇性功能。

[案例2]利用化石燃料開采、加工過程產(chǎn)生的H2S廢氣制取氫氣，既廉價(jià)又環(huán)保。其中電化學(xué)法制氫氣過程如圖7。

圖7 H2S電化學(xué)法制H2