离子交换膜类型判断及应用详解

离子交换膜类型判断及应用详解

离子交换膜是电化学装置中的重要组成部分，其类型和作用直接影响着电化学反应的效果。本文将为您详细介绍离子交换膜的分类、特点及其在电化学装置中的应用，帮助您更好地理解和掌握这一知识点。

离子交换膜的基本知识

1. 离子交换膜的特点

离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。它是由高分子特殊材料制成，主要利用其离子选择透过性，也称为离子选择透过性膜。

以阳离子交换膜为例，膜上有很多微孔，孔道上有许多带电荷的基团。阳离子可以自由通过，而阴离子移动到孔道处，受到孔道带负电荷基团的排斥而不能进入孔道，因而不能透过交换膜。

双极隔膜是一种新型离子交换膜，其膜主体可分为阴离子交换层、阳离子交换层和中间界面层。水解离催化剂被夹在中间的离子交换聚合物中，水电离产物H＋和OH－可在电场力的作用下快速迁移到两侧溶液中，为膜两侧的半反应提供各自理想的pH条件。

2. 离子交换膜的类别

依据选择性透过离子的种类，常见离子交换膜可分为四类：

• 阳离子交换膜（阳膜）：只允许阳离子通过，即允许H＋和其他阳离子通过，阴离子不能通过。
• 阴离子交换膜（阴膜）：只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。
• 质子交换膜：质子交换膜是阳离子交换膜的特例，仅允许质子(H＋)通过，其他离子不能通过。
• 双极膜：由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜特点是在直流电的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H＋和OH－并分别通过阴膜和阳膜，作为H＋和OH－的离子源。

3. 离子交换膜的作用

离子交换膜能将两级区隔离，阻止两级区产生物质的接触，防止发生化学反应，能选择性地通过离子，起到平衡电荷形成闭合回路的作用。在高考真题中，往往借助离子交换膜进行物质制备、分离、除杂等。

离子交换膜类型的判断

1. 单膜类型判断

以2023年湖北卷为例，我国科学家设计的电解池实现了海水直接制备氢气技术的绿色化。该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变，电解生成氢气的速率为x mol/h。通过分析电极反应式和离子迁移方向，可以判断离子交换膜的类型。

2. 双膜类型判断

以2022年全国甲卷为例，一种水性电解液Zn－MnO2离子选择双隔膜电池中，隔膜1为阳离子交换膜，隔膜2为阴离子交换膜。当电路中转移1mol 电子时，模拟海水理论上除盐58.5g。通过分析电池放电时的离子迁移方向和电荷平衡，可以判断隔膜的类型。

3. 多膜类型判断

多膜存在情况多用于电解池，多膜多室电解池是利用离子交换膜的选择透过性，即允许带某种电荷的离子通过而限制带相反电荷的离子通过，将电解池分为三室、多室等，以达到浓缩、净化、提纯及电化学合成的目的。例如，利用“四室电渗析法”制备H3PO2(次磷酸)的工作原理如图所示。

通过分析各室的离子迁移方向和产物，可以判断各膜的类型。

带隔膜电化学装置的分析思路及膜类型判断

解答步骤：

1. 分清隔膜类型。即交换膜属于阳膜、阴膜、质子膜中的哪一种，判断允许哪种离子通过隔膜。
2. 写出电极反应式。判断交换膜两侧离子变化，推断电荷变化，根据电荷平衡判断离子迁移方向。
3. 分析隔膜作用。

离子交换膜在生产、生活中的应用

1. 物质的分离与提纯

三室膜电渗析分离硫酸锂并回收酸碱的装置示意图如图，通过分析离子交换膜的作用和离子迁移方向，可以判断各膜的类型。

电渗析法淡化海水装置示意图如图，电解槽中阴离子交换膜和阳离子交换膜相间排列，将电解槽分隔成多个独立的间隔室，海水充满在各个间隔室中。通电后，一个间隔室的海水被淡化，而其相邻间隔室的海水被浓缩，从而实现了淡水和浓缩海水的分离。

2. 物质制备

在产品制备中，隔膜作用主要是提高产品纯度，避免产物之间发生反应，或避免产物因发生反应而造成危险。

以Fe、Ni为电极制取Na2FeO4的原理如图所示。通过分析电极反应和离子迁移方向，可以判断隔膜的类型。

3. 污水处理

已知高能锂离子电池的总反应式为2Li＋FeS===Fe＋Li2S，LiPF6·SO(CH3)2为电解质，用该电池作电源电解含镍酸性废水并得到单质Ni的实验装置如图所示。通过分析离子迁移方向和产物，可以判断隔膜的类型。

总结

离子交换膜在电化学装置中扮演着重要的角色，其类型和作用直接影响着电化学反应的效果。通过分析电极反应、离子迁移方向和电荷平衡，可以准确判断离子交换膜的类型。希望本文能帮助您更好地理解和掌握这一知识点。