离子交换膜隔膜电解法实验

1. 离子交换膜法生产烧碱的原理是什么其与隔膜法的主要区别有哪些

离子交换膜法电解食盐水而制成烧碱（即氢氧化钠），其主要原理是因为使用的阳离子交换膜，该膜有特殊的选择透过性，只允许阳离子通过而阻止阴离子和气体通过，即只允许H+、Na+通过，而Cl-、OH-和两极产物H2和Cl2无法通过，因而起到了防止阳极产物Cl2和阴极产物H2相混合而可能导致爆炸的危险，还起到了避免Cl2和阴极另一产物NaOH反应而生成NaClO影响烧碱纯度的作用。
隔膜法生产烧碱需要石棉，这个容易引发石棉病，另外废石棉的处理也是问题。

2. 离子膜电解操作流程

又称膜电槽电解法，是利用阳离子交换膜将单元电解槽分隔为阳极室和阴极室，使电解产品分开的方法。离子膜电解法是在离子交换树脂（见离子交换剂）的基础上发展起来的一项新技术。利用离子交换膜对阴阳离子具有选择透过的特性，容许带一种电荷的离子通过而限制相反电荷的离子通过，以达到浓缩、脱盐、净化、提纯以及电化合成的目的。这项技术已经用于氯碱的生产,海水和苦咸水的淡化，工业用水和超纯水的制备,酶、维生素与氨基酸等药品的精制，电镀废液的回收，放射性废水的处理等方面，其中应用最广泛、成效最显著的是氯碱工业。在氯碱工业中，利用阳离子交换膜电解槽电解食盐或氯化钾水溶液来制造氯气、氢气和高纯度的烧碱（氢氧化钠）或氢氧化钾。1975年日本旭化成工业公司制成全氟羧酸型离子交换膜，首先实现离子膜电解法制烧碱，同年日本实现工业化生产。
工艺流程 经过两次精制的浓食盐水溶液连续进入阳极室（图1[离子膜电解法生产流程]）,钠离子在电场作用下透过阳离子交换膜向阴极室移动，进入阴极液的钠离子连同阴极上电解水而产生的氢氧离子生成氢氧化钠，同时在阴极上放出氢气。食盐水溶液中的氯离子受到膜的限制，基本上不能进入阴极室而在阳极上被氧化成为氯气。部分氯化钠电解后，剩余的淡盐水流出电解槽经脱除溶解氯，固体盐重饱和以及精制后，返回阳极室，构成与水银法类似的盐水环路。离开阴极室的氢氧化钠溶液一部分作为产品，一部分加入纯水后返回阴极室。碱液的循环有助于精确控制加入的水量，又能带走电解槽内部产生的热量。
离子膜电解槽 根据供电方式的不同，分为复极式和单极式两种。复极式电解槽的各单元电解槽串联相接，电解槽的总电压为各个单元电解槽的电压之和；电路中各台电解槽并联。单极式电解槽的各单元电解槽并联相接，电解槽的总电流为各个单元电解槽的电流之和；电路中各台电解槽串联。有的离子膜电解槽为板式压滤机型结构（图2[压滤机型离子交换膜电解槽结构]）:在长方形的金属框内有爆炸复合的钛－钢薄板隔开阳极室和阴极室，拉网状的带有活性涂层的金属阳极和阴极分别焊接在隔板两侧的肋片上，离子膜夹在阴阳两极之间构成一个单元电解槽。大约 100个左右的单元电解槽由液压装置组成一台电解器。另外，还有类似板式换热器的结构，由冲压的轻型钛板阳极、离子膜和冲压的镍板阴极夹在一起，构成单元电解槽。若干个单元电解槽夹在两块端板之间组成一台电解槽。
离子交换膜 侧链上带有磺酸基和（或）羧酸基等阴离子官能团的全氟聚合物制成的薄膜。对离子膜的要求：①阳离子选择透过性好；②电解质扩散率低；③较高的化学稳定性和热稳定性；④机械强度高，不易变形；⑤电阻小。现代阳离子交换膜大多为聚氟烃织物增强的全氟磺酸－全氟羧酸复合膜。面向阳极的一侧为电阻较小的磺酸基；面向阴极的一侧为含水量低的羧酸基，能抑制氢氧离子向阳极室移动而提高电流效率，有的还处理成为粗糙的表面，或附有微孔状无机物薄膜，以增加全氟羧酸膜的亲水性，减少氢气泡在膜表面上的滞留。这种膜适用于两极间距极小的所谓“零”极距或“膜”间隙的离子交换膜电解槽。
特点 ①总能耗最低（与隔膜电解法和水银电解法相比），在4000A/m电流密度下，每吨烧碱的直流电耗为7.56～7.92GJ(2100～2200kWh)；②烧碱纯度高,50％的氢氧化钠碱液，含氯化钠50～60ppm;③无水银或石棉污染环境的问题；④操作、控制都比较容易；⑤适应负荷变化的能力较大；⑥要求用高质量的盐水；⑦离子膜的价格比较昂贵。
现状和展望 80年代初，先进的离子膜可在 4000A/m的电流密度下运转,电流效率为95％～96％;可以直接生产浓度为35％的氢氧化钠，离子膜的使用寿命约为2年。由于离子膜法具有较多的优点,今后新建的氯碱生产装置一般将采用离子膜法。现有的水银法或隔膜法氯碱厂也会有一部分在技术改造时转换为离子膜法。

3. 43. 用氯化钾制备氢氧化钾的常用方法是离子交换膜电解法。氢氧化钾在_________极产生，要解释

阴极;OH-

4. 离子膜电解法的离子膜电解法

莱特.莱德又称膜电槽电解法，是利用阳离子交换膜将单元电解槽分隔为阳极室和内阴极室，使电解容产品分开的方法。离子膜电解法是在离子交换树脂(见离子交换剂)的基础上发展起来的一项新技术。利用离子交换膜对阴阳离子具有选择透过的特性，容许带一种电荷的离子通过而限制相反电荷的离子通过，以达到浓缩、脱盐、净化、提纯以及电化合成的目的。

经过两次精制的浓食盐水溶液连续进入阳极室(图1),钠离子在电场作用下透过阳离子交换膜向阴极室移动，进入阴极液的钠离子连同阴极上电解水而产生的氢氧离子生成氢氧化钠，同时在阴极上放出氢气。食盐水溶液中的氯离子受到膜的限制，基本上不能进入阴极室而在阳极上被氧化成为氯气。部分氯化钠电解后，剩余的淡盐水流出电解槽经脱除溶解氯，固体盐重饱和以及精制后，返回阳极室，构成与水银法类似的盐水环路。离开阴极室的氢氧化钠溶液一部分作为产品，一部分加入纯水后返回阴极室。碱液的循环有助于精确控制加入的水量，又能带走电解槽内部产生的热量。

5. 离子交换膜法电解饱和食盐水原理中，那些微粒能穿过隔膜

看是什么离子交换膜，如果是阳离子交换膜，就是钠离子，氢离子可以通过;如果是阴离子交换膜，那么氯离子，氢氧根可以通过；如果是质子交换膜，那么只有氢离子可以通过。

6. 氯碱工艺：石棉膜槽法、汞槽法、离子膜电解槽法，三者的工艺原理、操作过程，比较相互的优缺点

1、离子交换膜法制烧碱的原理
离子交换膜电解槽的构成
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。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，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；离子交换膜把电解槽分成阴极室和阳极室。
电极均为网状，可增大反应接触面积，阳极表面的特殊处理是考虑阳极产物Cl2的强腐蚀性。
离子交换膜法制烧碱名称的由来，主要是因为使用的阳离子交换膜，该膜有特殊的选择透过性，只允许阳离子通过而阻止阴离子和气体通过，即只允许H＋、Na+通过，而Cl－、OH－和两极产物H2和Cl2无法通过，因而起到了防止阳极产物Cl2和阴极产物H2相混合而可能导致爆炸的危险，还起到了避免Cl2和阴极另一产物NaOH反应而生成NaClO影响烧碱纯度的作用。
2．离子交换膜法电解制碱的主要生产流程
如图，精制的饱和食盐水进入阳极室；纯水（加入一定量的NaOH溶液）加入阴极室，通电后H2O在阴极表面放电生成H2，Na+则穿过离子膜由阳极室进入阴极室，此时阴极室导入的阴极液中含有NaOH；Cl－则在阳极表面放电生成Cl2。电解后的淡盐水则从阳极室导出，经添加食盐增加浓度后可循环利用。
阴极室注入纯水而非NaCl溶液的原因是阴极室发生反应为2H++2e－=H2↑；而Na+则可透过离子膜到达阴极室生成NaOH溶液，但在电解开始时，为增强溶液导电性，同时又不引入新杂质，阴极室水中往往加入一定量NaOH溶液。
氯碱工业的主要原料：饱和食盐水，但由于粗盐水中含有泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO等杂质，远不能达到电解要求，因此必须经过提纯精制。

7. 隔膜法电解的发展方向

隔膜电解技术关键在于隔膜材料, 隔膜材料的高选择性, 耐酸碱性和抗氧化性成为影响隔膜使用寿命的一个重要因素。目前隔膜电解技术中所采用的隔膜材料大致有以下几种:石棉、涤纶布、尼龙筛网膜、素烧陶瓷板、高分子阴阳离子交换膜等。除高分子阴阳离子交换膜外, 别的膜无选择性, 而且膜电阻很高, 不能实现阴阳极区电解液的有效隔离, 从而使电解产物相混, 杂质离子在电极上放电, 影响了电解效率。而高分子阴阳离子交换膜可以完全避免它们的不足之处, 但是目前隔膜电解所处的体系大都属于强酸或强碱, 有的还呈现强氧化性, 而一般的阴阳离子交换膜正好耐酸碱和抗氧化性能很差, 因此研制能耐酸碱和抗氧化能力强的高性能离子交换膜, 改进膜的制备工艺, 降低膜的成本就成为今后一个主要研究方向。同时, 无机膜所特有的耐酸碱性和抗氧化能力强的特点, 因此考虑采用这种新型的隔膜材料来用于隔膜电解这项技术中, 那么隔膜电解技术将会得到更为广泛的应用。虽然隔膜电解技术得到了较为广泛的应用, 但是其应用范围还比较有限, 就目前而言, 已实现工业化的有:工业制碱、镍的电解精炼、矿浆电解、净化再生电镀废液、合成某些有机化合物等。因此利用隔膜电解技术制取某些重要的化工原料, 扩大矿浆电解的处理对象, 以及扩大处理废水的种类和制造环保型电池等都将成为这门技术的发展方向。

8. 离子交换膜法电解工艺有哪些特点

离子交换膜具有选择透过性。它只让Na + 带着少量水分子透过，其它回离子难以透过。电解答时从电解槽的下部往阳极室注入经过严格精制的
NaCl溶液，往阴极室注入水。在阳极室中Cl - 放电，生成 C1 2 ，从电解槽顶部放出，同时 Na + 带着少量水分子透过阳离子交换膜流向阴极室。在阴极室中
H + 放电，生成 H 2 ，也从电解槽顶部放出。但是剩余的 OH - 由于受阳离子交换膜的阻隔，不能移向阳极室，这样就在阴极室里逐渐富集，形成了
NaOH溶液。随着电解的进行，不断往阳极室里注入精制食盐水，以补充NaCl的消耗;不断往阴极室里注入水，以补充水的消耗和调节产品NaOH的浓度。所得的碱液从阴极室上部导出。因为阳离子交换膜能阻止Cl
- 通过，所以阴极室生成的
NaOH溶液中含NaCl杂质很少。用这种方法制得的产品比用隔膜法电解生产的产品浓度大，纯度高，而且能耗也低，所以它是目前最先进的生产氯碱的工艺。

9. 隔膜法电解的原理

由于隔复膜电解技术制在氯碱工业中得到了广泛的应用, 故以最新的制碱工艺———离子交换膜电解法为例来说明其原理。用一阳离子交换膜分隔电解槽中阴阳极室, 构成两室电解槽, 向阳极室引入饱和NaCl 溶液, 阴极室引入蒸馏水, 在外加直流电场作用下, 阳极产生氯气, 阴极上产生氢气。由于阳离子交换膜的固定基团(R-SO-3-)带负电荷, 它和溶液中的Na+离子异性电荷相吸, 结果只允许Na +离子通过, 而对Cl-离子排斥, 于是Na+离子迁入阴极室, 它和OH- 相结合, 生成NaOH。电极主要反应为:
在阳极室:NaCl==Na ++Cl - (1)2Cl==Cl2 +2e (2)在阴极室上:H2O==H ++OH - (3)2H+ +2e ==H2 (4)Na++OH-==NaOH (5)以上是利用离子交换膜电解食盐水生产碱的原理。
电极反应一般为阴极室的阴极上发生的还原反应, 阳极室中的阳极上发生诸如释放Cl2 的氧化反应。