问题标题:
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
问题描述:

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NaCl0.1%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NaOH35%~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0.1ppm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。

高迎燕回答:
  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NaCl15%),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。
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