浅析离子交换膜在电化学中的运用

广东 夏时君

离子交换膜是“具有选择透过性能的网状立体结构的高分子功能膜或分离膜”，常运用于膜电解和电渗析等离子交换膜法技术中。它具有选择透过性、分离效率高、能耗低、污染少等特点，在水处理、环保、化工、冶金等领域都有广泛应用。高中化学各版本教材中对于交换膜虽有介绍，但内容分布零碎，对结构特点及功能挖掘较少。笔者通过选取典型案例，剖析其在电化学中的重要运用。

1.离子交换膜的种类与透过原理

离子交换膜依据不同标准有不同分类方式，其中按选择透过性可分为阳离子交换膜(下简称阳膜)、阴离子交换膜(下简称阴膜)、特殊离子交换膜三大类。根据双电层理论：阳膜含有酸性活性基团，解离出阳离子，使膜呈负电性，选择性透过阳离子；阴膜含有碱性活性基团，解离出阴离子，使膜呈正电性，选择性透过阴离子。如图1和图2所示。我们常将这种与膜所带电荷相反的离子透过膜的现象称为反离子迁移。

图1 阳膜选择性透过过程 图2 阴膜选择性透过过程

离子交换的透过性常与膜的静电作用、孔隙作用和扩散作用有关。从离子交换膜的选择性来看：它使溶液中阳、阴离子在膜上实现反离子迁移,同种离子受到阻挡。从离子相对大小来看：水合离子半径小于孔隙大小才能通过。从电场作用来看：它使溶液中阳、阴离子分别向阴极和阳极定向迁移。

2.离子交换膜在电化学中的运用

(1)构成双液原电池,闭合电路，提高放电寿命与效率

单液原电池由于活性电极材料与电解质溶液直接接触，无法避免放电的同时也发生化学腐蚀，导致能量转化效率低、放电不稳定、使用寿命短等问题。将单液原电池转换为双液原电池可减弱上述问题。解决此问题可使用盐桥或离子交换膜形成负极室和正极室。相对于盐桥，离子交换膜表面积较大，有利于增大离子的定向移动速率，减小电阻，放电效率提高，使用寿命增长。

图3 银氯原电池的结构示意图

(2)制备提纯物质：隔离微粒，提高物质的产率与纯度

膜电解法是制备物质的重要方法，它将电解和膜分离相结合，将制备、分离和浓缩相结合。即“在通电条件下发生电解化学反应时, 生成的产物能及时地从反应体系中通过离子交换膜分离出来, 使反应向生成物的方向进行, 从而提高反应效率。”其中最重要的膜电解运用于氯碱工业以及废水处理等。

①氯碱工业

图4 氯碱工业结构示意图

②盐制备酸碱

图5 电解法制备酸碱

(3)多室电渗析：交替运用阴膜阳膜，完成物质淡化与浓缩

电渗析是将阴膜与阳膜交替排列在电极之间,在直流电场作用下,以电位差为动力,离子透过选择性离子交换膜而迁移,从而使电解质离子自溶液中部分分离出来，实现溶液的浓缩与淡化,复分解反应及电解氧化还原等效能,达到提纯精制的目的。

如海水的淡化如图6，淡化室：因离子迁移而盐溶液淡化。Na+和Cl-在电场作用下，分别向右通过阳膜和向左通过阴膜，溶液脱盐得到淡水的目的，解决了用水问题，达到工业废液的零排放。浓缩室：因富集离子而浓缩物质。由于相邻两个室分别迁移了Na+和Cl-，从而富集了NaCl，实现物质分离与利用。同样用阴膜扩散渗析可从含酸的工业废液中回收酸,用阳膜扩散渗析从含碱的工业废液中回收碱。

图6 电解法淡化海水

(4)废水处理：处理离子电性与物质性质间矛盾，完成试剂再生循环

用离子交换膜电解也可回收工业废水中的金属、分离稀有金属和贵金属等，回收方法包括：金属阳离子在阴极放电而沉积、调节溶液pH或加沉淀剂转化为难溶物进行处理。如从电性来看，Fe2+会向阴极定向迁移；从还原性来说，它倾向于在阳极失电子被氧化，如何解决阳离子电性引发的定向迁移与离子还原性间的矛盾？这就可以借助离子交换膜发挥透过选择性功能。

[案例2]利用化石燃料开采、加工过程产生的H2S废气制取氢气，既廉价又环保。其中电化学法制氢气过程如图7。

图7 H2S电化学法制H2