Question

生产高纯度氢氧化钠的离子交换膜电解槽，采用阳离子交换膜把阳极室和阴极室隔开，阳离子交换膜“只”允许阳离子通过，原料食盐水加入阳极区，未反应完的食盐水从阳极区取出经精制后送回阳极室，从外部加水到阳极室调节生成的烧碱浓度并取出，和隔膜法相比，离子交换膜电解槽有以下特点：

（1）得到高纯度的固体烧碱，含杂质NaCl 0.1% 以下，NaClO₃极微量，隔膜法产品含上述杂质分别为：0.1%～1.2%和0.1%～0.3%。

（2）得产品浓度：烧碱液（含NaOH 35%～48%；隔膜法产品含NaOH约10%），大大降低用于蒸发浓缩的能量消耗。

（3）要求高浓度的原料食盐水中所含钙、镁等金属离子的总量控制在0.1 ppm以下。

请根据食盐水电解的两极反应和副反应，离子迁移和放电及上述两种膜（交换膜和隔膜）的性能，简单说明离子交换膜电解槽具有上述特点的原因。

Answer 1

解析：本题以电解食盐水制取烧碱为题材（中学学习过隔膜法电解食盐水制烧碱的原理），介绍了离子交换膜的性能，简述离子交换膜电解槽的特点，要求根据两极反应、副反应、离子迁移，膜的性能对具有这些特点的原因进行解释，这为我们分析问题提出了思路。

（1）对产品纯度的分析。离子膜法和隔膜法比较，其相同点有：

①原料食盐水都从阳极区加入。

②两极反应相同。

阳极：2Cl^－－2e^－====Cl₂↑阴极：2H⁺+2e^－====H₂↑

③NaOH都由阴极区生成（这是因为H⁺在阴极上获得电子，放出H₂，破坏阴极附近水的电离平衡，促进水不断电离出H⁺和OH^－，结果溶液中OH^－数目不断增多）。离子膜法和隔膜法的不同点是：膜的性能不同。隔膜虽能阻止气体分子通过，但不能阻止离子穿过，因此，阳极原料食盐水中的Cl^－可穿过膜进入阴极区，故产品中NaCl含量高，阴极区生成的OH^－也可穿过隔膜进入阳极区，与阳极生产的Cl₂发生下列反应：

3Cl₂+6NaOH（热）====5NaCl+NaClO₃+3H₂O

（2）对产品浓度的分析。电解时，阳极上发生的副反应主要是：4OH^－－4e^－====O₂↑+2H₂O，OH^－离子失电子倾向随OH^－离子浓度的增大而增大，由于OH^－能透过隔膜从阴极区顺利到达阳极区，为了减少副反应，因此隔膜法产品中NaOH的质量分数控制在1%左右；因为OH^－很难穿过离子膜，因此用离子膜法生产烧碱不必控制OH^－的离子浓度，可以得到高浓度的NaOH产品。

（3）对控制原料食盐水中Ca²⁺、Mg²⁺总量分析。两种膜都能允许阳离子穿过，由于离子膜法阴极区NaOH的浓度较高，更容易与微量的Mg²⁺、Ca²⁺发生离子反应而生成沉淀物，造成膜的堵塞，因此离子膜法对原料食盐水中Ca²⁺、Mg²⁺总含量要求控制得更小。

答案：（1）①NaCl杂质：阴极区原料食盐水中的Cl^－较难通过离子交换膜，因此烧碱产品中NaCl杂质少，隔膜法中未反应的Cl^－可顺利通过膜到达阳极室，所以烧碱产品中含NaCl较多。②NaClO₃杂质：隔膜法阳极室中生成的Cl₂与阴极室透过膜到达阳极室的OH^－发生下列反应：3Cl₂+6OH^－====ClO+5Cl^－+3H₂O，而离子膜法中OH^－很难透过膜。

（2）在离子膜法中，从阳极室取出的烧碱液浓度随电解进行而增大，并加水调节浓度；隔膜法中阴极液是NaOH和NaCl混合液，过度电解会使副反应加剧，因此电解到含NaOH约10%（此时含NaCl 15%），取出蒸发浓缩。

（3）不仅Na⁺能通过阳离子交换膜，Ca²⁺、Mg²⁺等金属离子也能通过，当Ca²⁺、Mg²⁺通过膜到达阴极室时，与OH^－形成难溶化合物，造成堵塞，影响膜性能的发挥。