Question

生產(chǎn)高純度氫氧化鈉的離子交換膜電解槽，采用陽(yáng)離子交換膜把陽(yáng)極室和陰極室隔開(kāi)，陽(yáng)離子交換膜“只”允許陽(yáng)離子通過(guò)，原料食鹽水加入陽(yáng)極區(qū)，未反應(yīng)完的食鹽水從陽(yáng)極區(qū)取出經(jīng)精制后送回陽(yáng)極室，從外部加水到陽(yáng)極室調(diào)節(jié)生成的燒堿濃度并取出，和隔膜法相比，離子交換膜電解槽有以下特點(diǎn)：

（1）得到高純度的固體燒堿，含雜質(zhì)NaCl 0.1% 以下，NaClO₃極微量，隔膜法產(chǎn)品含上述雜質(zhì)分別為：0.1%～1.2%和0.1%～0.3%。

（2）得產(chǎn)品濃度：燒堿液（含NaOH 35%～48%；隔膜法產(chǎn)品含NaOH約10%），大大降低用于蒸發(fā)濃縮的能量消耗。

（3）要求高濃度的原料食鹽水中所含鈣、鎂等金屬離子的總量控制在0.1 ppm以下。

請(qǐng)根據(jù)食鹽水電解的兩極反應(yīng)和副反應(yīng)，離子遷移和放電及上述兩種膜（交換膜和隔膜）的性能，簡(jiǎn)單說(shuō)明離子交換膜電解槽具有上述特點(diǎn)的原因。

Answer 1

解析：本題以電解食鹽水制取燒堿為題材（中學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)隔膜法電解食鹽水制燒堿的原理），介紹了離子交換膜的性能，簡(jiǎn)述離子交換膜電解槽的特點(diǎn)，要求根據(jù)兩極反應(yīng)、副反應(yīng)、離子遷移，膜的性能對(duì)具有這些特點(diǎn)的原因進(jìn)行解釋，這為我們分析問(wèn)題提出了思路。

（1）對(duì)產(chǎn)品純度的分析。離子膜法和隔膜法比較，其相同點(diǎn)有：

①原料食鹽水都從陽(yáng)極區(qū)加入。

②兩極反應(yīng)相同。

陽(yáng)極：2Cl^－－2e^－====Cl₂↑陰極：2H⁺+2e^－====H₂↑

③NaOH都由陰極區(qū)生成（這是因?yàn)镠⁺在陰極上獲得電子，放出H₂，破壞陰極附近水的電離平衡，促進(jìn)水不斷電離出H⁺和OH^－，結(jié)果溶液中OH^－數(shù)目不斷增多）。離子膜法和隔膜法的不同點(diǎn)是：膜的性能不同。隔膜雖能阻止氣體分子通過(guò)，但不能阻止離子穿過(guò)，因此，陽(yáng)極原料食鹽水中的Cl^－可穿過(guò)膜進(jìn)入陰極區(qū)，故產(chǎn)品中NaCl含量高，陰極區(qū)生成的OH^－也可穿過(guò)隔膜進(jìn)入陽(yáng)極區(qū)，與陽(yáng)極生產(chǎn)的Cl₂發(fā)生下列反應(yīng)：

3Cl₂+6NaOH（熱）====5NaCl+NaClO₃+3H₂O

（2）對(duì)產(chǎn)品濃度的分析。電解時(shí)，陽(yáng)極上發(fā)生的副反應(yīng)主要是：4OH^－－4e^－====O₂↑+2H₂O，OH^－離子失電子傾向隨OH^－離子濃度的增大而增大，由于OH^－能透過(guò)隔膜從陰極區(qū)順利到達(dá)陽(yáng)極區(qū)，為了減少副反應(yīng)，因此隔膜法產(chǎn)品中NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1%左右；因?yàn)镺H^－很難穿過(guò)離子膜，因此用離子膜法生產(chǎn)燒堿不必控制OH^－的離子濃度，可以得到高濃度的NaOH產(chǎn)品。

（3）對(duì)控制原料食鹽水中Ca²⁺、Mg²⁺總量分析。兩種膜都能允許陽(yáng)離子穿過(guò)，由于離子膜法陰極區(qū)NaOH的濃度較高，更容易與微量的Mg²⁺、Ca²⁺發(fā)生離子反應(yīng)而生成沉淀物，造成膜的堵塞，因此離子膜法對(duì)原料食鹽水中Ca²⁺、Mg²⁺總含量要求控制得更小。

答案：（1）①NaCl雜質(zhì)：陰極區(qū)原料食鹽水中的Cl^－較難通過(guò)離子交換膜，因此燒堿產(chǎn)品中NaCl雜質(zhì)少，隔膜法中未反應(yīng)的Cl^－可順利通過(guò)膜到達(dá)陽(yáng)極室，所以燒堿產(chǎn)品中含NaCl較多。②NaClO₃雜質(zhì)：隔膜法陽(yáng)極室中生成的Cl₂與陰極室透過(guò)膜到達(dá)陽(yáng)極室的OH^－發(fā)生下列反應(yīng)：3Cl₂+6OH^－====ClO+5Cl^－+3H₂O，而離子膜法中OH^－很難透過(guò)膜。

（2）在離子膜法中，從陽(yáng)極室取出的燒堿液濃度隨電解進(jìn)行而增大，并加水調(diào)節(jié)濃度；隔膜法中陰極液是NaOH和NaCl混合液，過(guò)度電解會(huì)使副反應(yīng)加劇，因此電解到含NaOH約10%（此時(shí)含NaCl 15%），取出蒸發(fā)濃縮。

（3）不僅Na⁺能通過(guò)陽(yáng)離子交換膜，Ca²⁺、Mg²⁺等金屬離子也能通過(guò)，當(dāng)Ca²⁺、Mg²⁺通過(guò)膜到達(dá)陰極室時(shí)，與OH^－形成難溶化合物，造成堵塞，影響膜性能的發(fā)揮。