第2章電極材料和膜材料

1、21 碳和石墨電極碳和石墨電極 碳和石墨是電化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的碳和石墨是電化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的非金屬電非金屬電極材料極材料。它既可作為。它既可作為陽(yáng)極及陰極材料陽(yáng)極及陰極材料，又可作為，又可作為電電催化劑載體催化劑載體、電極導(dǎo)電組分電極導(dǎo)電組分或或骨架骨架、集流體集流體。 工作介質(zhì)：工作介質(zhì)：水溶液水溶液和和熔融鹽熔融鹽。 碳和石墨在電化學(xué)中的應(yīng)用發(fā)展：碳和石墨在電化學(xué)中的應(yīng)用發(fā)展： 首先用于首先用于Volta電池，電池，1896年年Acheson研制人研制人造石墨的成功，具有重大意義，它首先被用于造石墨的成功，具有重大意義，它首先被用于氯堿工業(yè)。氯堿工業(yè)。碳和石墨在電化學(xué)應(yīng)用中具有的優(yōu)

2、缺點(diǎn)：碳和石墨在電化學(xué)應(yīng)用中具有的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（1）導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能好。）導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能好。（2）具有較好的耐蝕性。）具有較好的耐蝕性。（3）易加工為各種形態(tài)及不同形狀的電極。）易加工為各種形態(tài)及不同形狀的電極。（4）價(jià)廉、易得。）價(jià)廉、易得。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 機(jī)械強(qiáng)度較低、易磨損，可在一定條件下氧機(jī)械強(qiáng)度較低、易磨損，可在一定條件下氧化損耗?；瘬p耗。一、碳和石墨的結(jié)構(gòu)一、碳和石墨的結(jié)構(gòu)u碳的典型形態(tài)：碳的典型形態(tài)： 等軸晶系的金鋼石、六方晶形的石墨、非晶等軸晶系的金鋼石、六方晶形的石墨、非晶體的無(wú)定形碳。體的無(wú)定形碳。u碳和石墨的結(jié)構(gòu)：碳和石墨的結(jié)構(gòu)： 碳和石墨制品壓制、燒結(jié)后，內(nèi)部存在碳

3、和石墨制品壓制、燒結(jié)后，內(nèi)部存在大量微大量微孔孔，工業(yè)上常用，工業(yè)上常用孔隙率孔隙率、假密度假密度、真密度真密度表征這表征這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。石墨的晶格結(jié)構(gòu)：石墨的晶格結(jié)構(gòu)：二、碳和石墨的機(jī)械物理性質(zhì)二、碳和石墨的機(jī)械物理性質(zhì)機(jī)械物理性質(zhì)機(jī)械物理性質(zhì)：電阻率、機(jī)械強(qiáng)度。三、碳和石墨的化學(xué)性質(zhì)和電化學(xué)性質(zhì)三、碳和石墨的化學(xué)性質(zhì)和電化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)：化學(xué)性質(zhì)： 比較穩(wěn)定，在常溫下與各種氣體不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。明顯氧化反應(yīng)：無(wú)定形碳，350。石墨，450。反應(yīng)速度與碳材料的結(jié)構(gòu)、氣體壓力有關(guān)。 除與強(qiáng)氧化性酸(如濃硫酸、濃硝酸、王水)及鹽作用外，在一般的電解液中是穩(wěn)定的。電化學(xué)性質(zhì)：電化學(xué)性質(zhì)：u

4、陽(yáng)極材料陽(yáng)極材料(影響其陽(yáng)極腐蝕的因素影響其陽(yáng)極腐蝕的因素)：溶液的濃度、PH值、碳材料的特點(diǎn)酸性溶液酸性溶液：電化學(xué)氧化造成電極的損耗，不僅使外層碳原子生成CO和CO2，且可造成石墨膨脹、剝離堿性溶液堿性溶液：碳材料的腐蝕較弱。u陰極材料陰極材料：不致發(fā)生電化學(xué)腐蝕，研究焦點(diǎn)：電催化活性。四、碳和石墨在工業(yè)電解中的應(yīng)用四、碳和石墨在工業(yè)電解中的應(yīng)用1、在氯堿工業(yè)和無(wú)機(jī)電合成中的應(yīng)用、在氯堿工業(yè)和無(wú)機(jī)電合成中的應(yīng)用u陽(yáng)極析氯：析氯過(guò)電位低、導(dǎo)電好、易加工、價(jià)陽(yáng)極析氯：析氯過(guò)電位低、導(dǎo)電好、易加工、價(jià)廉。廉。u陽(yáng)極析氧：由于陽(yáng)極析氧產(chǎn)生的石墨氧化及由于陽(yáng)極析氧：由于陽(yáng)極析氧產(chǎn)生的石墨氧化及由于機(jī)

5、械強(qiáng)度差產(chǎn)生的損耗，使極距增大、槽壓升高，機(jī)械強(qiáng)度差產(chǎn)生的損耗，使極距增大、槽壓升高，且堵塞隔膜，因而必須定期（且堵塞隔膜，因而必須定期（68個(gè)月）更換石墨個(gè)月）更換石墨陽(yáng)極和隔膜。陽(yáng)極和隔膜。2、碳和石墨在有機(jī)電合成中的應(yīng)用、碳和石墨在有機(jī)電合成中的應(yīng)用 陽(yáng)極材料陽(yáng)極材料：在以陽(yáng)極氧化制取產(chǎn)品時(shí)，電極的溶解成為嚴(yán)重問(wèn)題，性能穩(wěn)定的玻璃碳電極玻璃碳電極在有機(jī)電合成中得到成功的應(yīng)用，可取代鉑電極。陰極材料陰極材料：由于碳和石墨表面析氫過(guò)電位較高析氫過(guò)電位較高，在以陰極還原反應(yīng)形成產(chǎn)物的電解合成中，是合適的陰極材料，可獲得較高的產(chǎn)率及電流效率。碳和石墨在有機(jī)電合成中的應(yīng)用碳和石墨在有機(jī)電合成中的應(yīng)

6、用3、碳和石墨在水處理中的應(yīng)用、碳和石墨在水處理中的應(yīng)用 利用碳材料高的比表面高的比表面、良好的滲透性良好的滲透性及價(jià)廉價(jià)廉易得易得的優(yōu)點(diǎn)，可在水處理中作為電解沉積電解沉積、離子離子交換交換及電吸附電吸附的電極材料，回收其中的金屬離子、除鹽及凈水。如：采用多孔的碳和石墨電極，以電解方法，可 將Cu2+從濃度很低（10-210-4mol/L)的污水中回收，使其濃度下降為1或更低。4、碳和石墨在熔鹽電解中的應(yīng)用、碳和石墨在熔鹽電解中的應(yīng)用u石墨陽(yáng)極：熔鹽電解制取鎂、鈉、鋰等金屬石墨陽(yáng)極：熔鹽電解制取鎂、鈉、鋰等金屬u碳陽(yáng)極：鋁電解碳陽(yáng)極：鋁電解 預(yù)焙式電解槽：碳陽(yáng)極預(yù)焙式電解槽：碳陽(yáng)極 自熔式電解

7、槽：碳陽(yáng)極糊，在槽外配置好后，自熔式電解槽：碳陽(yáng)極糊，在槽外配置好后，插入電槽，利用電槽的高溫?zé)Y(jié)成型。插入電槽，利用電槽的高溫?zé)Y(jié)成型。 石墨陽(yáng)極和碳電極在電解時(shí)發(fā)生陽(yáng)極氧化，生石墨陽(yáng)極和碳電極在電解時(shí)發(fā)生陽(yáng)極氧化，生成屬于消耗性的活性陽(yáng)極。成屬于消耗性的活性陽(yáng)極。22 金屬氧化物電極金屬氧化物電極 金屬氧化物電極：將具有電催化活性的金屬氧化金屬氧化物電極：將具有電催化活性的金屬氧化物附載于基體表面。物附載于基體表面。 過(guò)渡金屬氧化物具有良好的電催化活性，按其結(jié)過(guò)渡金屬氧化物具有良好的電催化活性，按其結(jié)構(gòu)可分為三類：構(gòu)可分為三類：金紅石型氧化物、尖晶石型氧化物、鈣鈦礦型氧化物金紅石型氧化物、

8、尖晶石型氧化物、鈣鈦礦型氧化物電催化劑基體的基本要求：電催化劑基體的基本要求： 良好的電子導(dǎo)電性；穩(wěn)定耐蝕。良好的電子導(dǎo)電性；穩(wěn)定耐蝕。一、金屬陽(yáng)極（一、金屬陽(yáng)極（DSA)金屬陽(yáng)極的發(fā)展：金屬陽(yáng)極的發(fā)展： 廣義的金屬陽(yáng)極，根據(jù)電催化劑的組成，分為：廣義的金屬陽(yáng)極，根據(jù)電催化劑的組成，分為：鉑系、非鉑系。鉑系、非鉑系。鉑對(duì)析氯反應(yīng)具有良好的電催化活性，但價(jià)格鉑對(duì)析氯反應(yīng)具有良好的電催化活性，但價(jià)格昂貴，僅在昂貴，僅在19世紀(jì)人造石墨出現(xiàn)前有所應(yīng)用。世紀(jì)人造石墨出現(xiàn)前有所應(yīng)用。 1913年，年，Stevens提出在鎢表面鍍鉑的陽(yáng)極，提出在鎢表面鍍鉑的陽(yáng)極，但性能欠佳，未能應(yīng)用。但性能欠佳，未能應(yīng)用

9、。 Beer在在50年代提出了鈦極鍍鉑陽(yáng)極的專利，然年代提出了鈦極鍍鉑陽(yáng)極的專利，然而因鉑損耗大且昂貴，未能推廣應(yīng)用。而因鉑損耗大且昂貴，未能推廣應(yīng)用。60年代中葉，年代中葉，Beer研究出了研究出了“金屬陽(yáng)極金屬陽(yáng)極”，并，并實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)，在氯堿工業(yè)中迅速推廣，幾乎實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)，在氯堿工業(yè)中迅速推廣，幾乎取代了石墨陽(yáng)極，被稱為取代了石墨陽(yáng)極，被稱為“現(xiàn)代電催化中最輝煌現(xiàn)代電催化中最輝煌的成就的成就”。金屬陽(yáng)極（形穩(wěn)陽(yáng)極）：以鈦為基體，以金屬陽(yáng)極（形穩(wěn)陽(yáng)極）：以鈦為基體，以RuO2和和TiO2為電催化劑基本組分的金屬氧化物電極。為電催化劑基本組分的金屬氧化物電極。一、金屬陽(yáng)極（一、金屬陽(yáng)極

10、（DSA)1、DSA的特點(diǎn)（用于氯化物介質(zhì)中析氯電極反應(yīng)）的特點(diǎn)（用于氯化物介質(zhì)中析氯電極反應(yīng)）（1）電催化活性高，使析）電催化活性高，使析Cl2過(guò)電位明顯降低，從而過(guò)電位明顯降低，從而減小了槽壓和能耗。減小了槽壓和能耗。（2）在氯化物介質(zhì)中耐蝕，工作壽命長(zhǎng)，電極尺寸穩(wěn)）在氯化物介質(zhì)中耐蝕，工作壽命長(zhǎng)，電極尺寸穩(wěn)定，電極間距不變，槽壓穩(wěn)定，有利于電解槽長(zhǎng)期定，電極間距不變，槽壓穩(wěn)定，有利于電解槽長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。穩(wěn)定工作。 （3）由于析氯過(guò)電位低，可提高電流密度，即生產(chǎn)）由于析氯過(guò)電位低，可提高電流密度，即生產(chǎn)強(qiáng)度，使電化學(xué)反應(yīng)器的時(shí)空產(chǎn)率大為提高。強(qiáng)度，使電化學(xué)反應(yīng)器的時(shí)空產(chǎn)率大為提高。i=15

11、50A/m2，石墨陽(yáng)極析氯過(guò)電位330mv，DSA2030mv2、DSA陽(yáng)極的組成、結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電性能陽(yáng)極的組成、結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電性能陽(yáng)極組成：基體、涂層。陽(yáng)極組成：基體、涂層。涂層組分：涂層組分：RuO2、TiO2。 RuO2作為析氯反應(yīng)的電催化劑，具有優(yōu)良的作為析氯反應(yīng)的電催化劑，具有優(yōu)良的電催化活性，而電催化活性，而TiO2與與RuO2具有相似的晶體結(jié)構(gòu)，具有相似的晶體結(jié)構(gòu)，形成金紅石型固溶體，并可與鈦基體表面的形成金紅石型固溶體，并可與鈦基體表面的TiO2固溶，既可使活性組分固溶，既可使活性組分Ru以穩(wěn)定形式存在，又可以穩(wěn)定形式存在，又可使涂層與基體具有牢固的結(jié)合力。使涂層與基體具有牢固的結(jié)合力

12、。DSA陽(yáng)極結(jié)構(gòu)：陽(yáng)極結(jié)構(gòu)：（1）氧化物和電解液的宏觀界面。）氧化物和電解液的宏觀界面。（2）氧化物和電解液的微觀界面。由于電解液滲）氧化物和電解液的微觀界面。由于電解液滲入涂層微孔和晶粒間形成的。入涂層微孔和晶粒間形成的。（3）氧化物和基體之間的界面。決定電極的穩(wěn)定）氧化物和基體之間的界面。決定電極的穩(wěn)定性。性。2、DSA陽(yáng)極的組成、結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電性能陽(yáng)極的組成、結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電性能123452、DSA陽(yáng)極的組成、結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電性能陽(yáng)極的組成、結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電性能DSA 陽(yáng)極的導(dǎo)電性能：陽(yáng)極的導(dǎo)電性能： 介于金屬與半導(dǎo)體之間，介于金屬與半導(dǎo)體之間，DSA陽(yáng)極的電導(dǎo)率不陽(yáng)極的電導(dǎo)率不僅與其化學(xué)組成有關(guān)，還與膜的微

13、觀結(jié)構(gòu)、厚度、僅與其化學(xué)組成有關(guān)，還與膜的微觀結(jié)構(gòu)、厚度、致密程度等多種因素有關(guān)。致密程度等多種因素有關(guān)。2、DSA陽(yáng)極的組成、結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電性能陽(yáng)極的組成、結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電性能RUO2導(dǎo)電率很高（導(dǎo)電率很高（104scm-1）TiO2幾乎絕緣（幾乎絕緣（10-13scm-1）3、DSA電極的制備電極的制備u熱分解氧化法：熱分解氧化法： 將含有電催化劑及其它組分的涂液涂覆在鈦基將含有電催化劑及其它組分的涂液涂覆在鈦基體表面，經(jīng)高溫?zé)岱纸庋趸?，得體表面，經(jīng)高溫?zé)岱纸庋趸?，得TiO2和和RuO2涂層涂層u工序：工序： 鈦基體的預(yù)處理、配制涂液、涂覆、熱分解氧鈦基體的預(yù)處理、配制涂液、涂覆、熱分解氧化等?；?/p>

14、。獲得清潔而獲得清潔而粗糙的表面粗糙的表面交錯(cuò)進(jìn)行交錯(cuò)進(jìn)行DSADSA電極制備工藝中的技術(shù)關(guān)鍵：電極制備工藝中的技術(shù)關(guān)鍵：（1）涂層的成份：主要催化活化組分的選擇及用量）涂層的成份：主要催化活化組分的選擇及用量如：對(duì)于析氯反應(yīng)為主反應(yīng)的氯堿工業(yè)、氯酸鹽，如：對(duì)于析氯反應(yīng)為主反應(yīng)的氯堿工業(yè)、氯酸鹽，次氯酸鈉電解合成，主要電催化劑為次氯酸鈉電解合成，主要電催化劑為RuO2，一般，一般Ru的用量應(yīng)達(dá)到的用量應(yīng)達(dá)到812g/m2。DSA電極的失活，與電極的失活，與Ru的溶解有關(guān)，提高的溶解有關(guān)，提高Ru的含量的含量有利于延長(zhǎng)電極的壽命；有利于延長(zhǎng)電極的壽命；Ru含量過(guò)高，不僅使電極成本上升，且使涂層過(guò)

15、厚，含量過(guò)高，不僅使電極成本上升，且使涂層過(guò)厚，與鈦基體結(jié)合力變差。與鈦基體結(jié)合力變差。RuRu含量愈大，催化含量愈大，催化活性愈高，過(guò)電位活性愈高，過(guò)電位愈低。愈低。涂層中涂層中Ru含量對(duì)析氯過(guò)電位的影響含量對(duì)析氯過(guò)電位的影響（2）氧化溫度）氧化溫度氧化溫度影響涂層結(jié)構(gòu)、成分和性能，目前一般采用氧化溫度影響涂層結(jié)構(gòu)、成分和性能，目前一般采用430450，可得到金紅石型的，可得到金紅石型的RuO2和和TiO2固溶體，其固溶體，其壽命長(zhǎng)、活性高。壽命長(zhǎng)、活性高。溫度過(guò)低，氧化不完全，結(jié)合力差；溫度過(guò)低，氧化不完全，結(jié)合力差；溫度提高，涂層中氧含量增加，電阻率降低，與基底結(jié)溫度提高，涂層中氧含量增

16、加，電阻率降低，與基底結(jié)合力改善了；合力改善了；溫度過(guò)高，電極比表面降低，甚至固溶體分解，涂層與溫度過(guò)高，電極比表面降低，甚至固溶體分解，涂層與基體結(jié)合力變差，電極壽命縮短?；w結(jié)合力變差，電極壽命縮短。DSA電極制備工藝中的技術(shù)關(guān)鍵：電極制備工藝中的技術(shù)關(guān)鍵：4、DSA電極的失活電極的失活DSADSA電極失活過(guò)程中陽(yáng)極電位的變化電極失活過(guò)程中陽(yáng)極電位的變化DSA電極失活機(jī)理電極失活機(jī)理1、鈍化理論、鈍化理論 陽(yáng)極析出的陽(yáng)極析出的O2可部分?jǐn)U散到涂層與鈦基體可部分?jǐn)U散到涂層與鈦基體之間，形成之間，形成TiO2鈍化膜，使電極電位突升，鈍化膜，使電極電位突升，電極失活。電極失活。2、漸變理論、漸變

17、理論 DSA電極的失活為漸變過(guò)程，電極的失活為漸變過(guò)程，RuO2 TiO2組成及結(jié)構(gòu)不斷變化，而組成及結(jié)構(gòu)不斷變化，而Ru的溶解則是的溶解則是導(dǎo)致電極失效的主要原因。導(dǎo)致電極失效的主要原因。5、DSA電極的應(yīng)用電極的應(yīng)用 DSA電極由于對(duì)析氯反應(yīng)具有突出的催化活性電極由于對(duì)析氯反應(yīng)具有突出的催化活性及在氯化物介質(zhì)中高度穩(wěn)定、耐蝕，因此主要用及在氯化物介質(zhì)中高度穩(wěn)定、耐蝕，因此主要用于涉及析氯電極過(guò)程的工業(yè)生產(chǎn)。于涉及析氯電極過(guò)程的工業(yè)生產(chǎn)。5、DSA電極的應(yīng)用電極的應(yīng)用（1）氯堿工業(yè)。）氯堿工業(yè)。（2）無(wú)機(jī)電合成中生產(chǎn)氯酸鹽、高氯酸鹽及次氯）無(wú)機(jī)電合成中生產(chǎn)氯酸鹽、高氯酸鹽及次氯酸鹽等。酸鹽等

18、。（3）有機(jī)電合成，即使用氯化物電解液的場(chǎng)合。）有機(jī)電合成，即使用氯化物電解液的場(chǎng)合。（4）水處理，包括電滲析、海水淡化。）水處理，包括電滲析、海水淡化。（5）濕法冶金。）濕法冶金。（6）電鍍。）電鍍。二、其它的金屬氧化物電極二、其它的金屬氧化物電極1、二氧化鉛電極、二氧化鉛電極 具有四方金紅石型結(jié)構(gòu)的具有四方金紅石型結(jié)構(gòu)的- -PbO2為工業(yè)電解為工業(yè)電解的陽(yáng)極材料。的陽(yáng)極材料。u優(yōu)點(diǎn)：化學(xué)穩(wěn)定性較好，析氧過(guò)電位高，導(dǎo)電優(yōu)點(diǎn)：化學(xué)穩(wěn)定性較好，析氧過(guò)電位高，導(dǎo)電能力高于石墨，成本低廉。能力高于石墨，成本低廉。u缺點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度差，性脆。缺點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度差，性脆。 常用于鹵酸鹽溶液中，作為無(wú)機(jī)電合成

19、、有機(jī)常用于鹵酸鹽溶液中，作為無(wú)機(jī)電合成、有機(jī)電合成、水處理及陰極保護(hù)的陽(yáng)極材料電合成、水處理及陰極保護(hù)的陽(yáng)極材料2、二氧化錳電極、二氧化錳電極 在鈦基體表面以熱分解法或電沉積法制備的在鈦基體表面以熱分解法或電沉積法制備的二氧化錳電極，在酸性氯化鈉溶液中具有較高的二氧化錳電極，在酸性氯化鈉溶液中具有較高的穩(wěn)定性，析氯過(guò)電位低于穩(wěn)定性，析氯過(guò)電位低于PbO2陽(yáng)極，價(jià)廉。陽(yáng)極，價(jià)廉。 為了改善電極性能（增加涂層結(jié)合力，降低為了改善電極性能（增加涂層結(jié)合力，降低接觸電阻），還開(kāi)發(fā)了接觸電阻），還開(kāi)發(fā)了Sn、Sb中間層的二氧化錳中間層的二氧化錳電極。電極。二、其它的金屬氧化物電極二、其它的金屬氧化物電

20、極23 其它的不溶性陽(yáng)極材料其它的不溶性陽(yáng)極材料一、鉛及其合金一、鉛及其合金 當(dāng)鉛及其合金浸入硫酸等介質(zhì)后，表面迅速生當(dāng)鉛及其合金浸入硫酸等介質(zhì)后，表面迅速生成一層成一層PbO2薄膜，具有良好的耐蝕性。薄膜，具有良好的耐蝕性。 鉛及其合金廣泛用于硫酸及硫酸鹽介質(zhì)、中性鉛及其合金廣泛用于硫酸及硫酸鹽介質(zhì)、中性介質(zhì)和鉻酸鹽介質(zhì)中作為不溶性陽(yáng)極。介質(zhì)和鉻酸鹽介質(zhì)中作為不溶性陽(yáng)極。 在鉛中加入合金元素，可提高其耐蝕性、導(dǎo)電在鉛中加入合金元素，可提高其耐蝕性、導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度。性、機(jī)械強(qiáng)度。用途：電解冶金、電合成、水處理、金屬防腐。用途：電解冶金、電合成、水處理、金屬防腐。二、鐵、鎳及鐵基合金二、鐵、鎳

21、及鐵基合金( (包括碳鋼、鐵合金不銹鋼包括碳鋼、鐵合金不銹鋼) ) 主要適用于堿性水溶液及熔融堿性介質(zhì)。主要適用于堿性水溶液及熔融堿性介質(zhì)。鐵、鐵、鎳及鐵基合金在堿性介質(zhì)鎳及鐵基合金在堿性介質(zhì)中穩(wěn)定耐蝕，價(jià)格低中穩(wěn)定耐蝕，價(jià)格低廉。廉。三、鉑三、鉑鉑電極材料的特點(diǎn)鉑電極材料的特點(diǎn)：（1）極穩(wěn)定、耐蝕，可用于各種介質(zhì)。）極穩(wěn)定、耐蝕，可用于各種介質(zhì)。（2）對(duì)于析氧反應(yīng)，過(guò)電位甚高。）對(duì)于析氧反應(yīng)，過(guò)電位甚高。（3）對(duì)于析氫反應(yīng)，過(guò)電位甚低。）對(duì)于析氫反應(yīng)，過(guò)電位甚低。用途用途： 對(duì)于某些需要在很正的電位下進(jìn)行的氧化對(duì)于某些需要在很正的電位下進(jìn)行的氧化反應(yīng)，為避免氧析出，保持較高的電流效率，選反應(yīng)

22、，為避免氧析出，保持較高的電流效率，選用鉑電極。用鉑電極。如：高氯酸鹽的電合成等生產(chǎn)。如：高氯酸鹽的電合成等生產(chǎn)。工作介質(zhì)工作介質(zhì)可使用的陽(yáng)極可使用的陽(yáng)極不能使用的陽(yáng)極不能使用的陽(yáng)極備備 注注硫酸硫酸鹽鹽 鉻鉻酸鹽酸鹽濃氯化濃氯化物物鹽酸鹽酸稀氯稀氯化物化物堿性堿性溶液溶液各種鹵各種鹵化物化物苛性堿苛性堿在不同工作介質(zhì)可供選擇的不溶性陽(yáng)極材料在不同工作介質(zhì)可供選擇的不溶性陽(yáng)極材料24 陰極材料陰極材料一、陰極材料與析氫過(guò)電位一、陰極材料與析氫過(guò)電位 選擇陰極材料首先應(yīng)了解陰極反應(yīng)，力求提高陰極材料對(duì)該反應(yīng)的電催化活性及選擇性。析氫反應(yīng)析氫反應(yīng)：析氫過(guò)電位低的材料。其它反應(yīng)其它反應(yīng)：析氫過(guò)電位高

23、的電極材料。二、低碳鋼陰極二、低碳鋼陰極堿性介質(zhì)中使用最普遍的陰極材料。堿性介質(zhì)中使用最普遍的陰極材料。優(yōu)點(diǎn)：析氫過(guò)電位較低、價(jià)廉、加工性能好，較優(yōu)點(diǎn)：析氫過(guò)電位較低、價(jià)廉、加工性能好，較穩(wěn)定耐蝕。穩(wěn)定耐蝕。用途：氯堿工業(yè)、水電解、氯酸鹽和高錳酸鉀等用途：氯堿工業(yè)、水電解、氯酸鹽和高錳酸鉀等的電合成及其它一些堿性介質(zhì)的工業(yè)電解。的電合成及其它一些堿性介質(zhì)的工業(yè)電解。三、活性氫陰極三、活性氫陰極氯堿工業(yè)中陰陽(yáng)極過(guò)電位：氯堿工業(yè)中陰陽(yáng)極過(guò)電位： 低碳鋼陰極：析氫過(guò)電位300mv。 DSA電極：析氯過(guò)電位30mv。 降低陰極過(guò)電位成為氯堿工業(yè)的重要任務(wù)?；钚詺潢帢O活性氫陰極：對(duì)析氫反應(yīng)的催化活性比低

24、碳鋼陰極（鐵陰極）更高的一類新型陰極材料。增大電極的比表面，以減少電極的真實(shí)電流密度，增大電極的比表面，以減少電極的真實(shí)電流密度，降低析氫過(guò)電位。降低析氫過(guò)電位。如：雷尼鎳電極（如：雷尼鎳電極（Ni-AlNi-Al或或Ni-Zn)Ni-Zn)：以電鍍法或噴涂：以電鍍法或噴涂法噴涂在鐵陰極表面后，以濃法噴涂在鐵陰極表面后，以濃KOHKOH溶液將其中的溶液將其中的AlAl或或ZnZn溶解，得到比表面很高的多孔溶解，得到比表面很高的多孔NiNi材料。材料。提高電極的電催化活性，研制具有更大交換電流提高電極的電催化活性，研制具有更大交換電流密度的陰極材料。密度的陰極材料。如：為了發(fā)揮鉑系元素對(duì)析氫反應(yīng)

25、的優(yōu)良電催化活如：為了發(fā)揮鉑系元素對(duì)析氫反應(yīng)的優(yōu)良電催化活性，研制了多種含貴金屬的陰極材料。性，研制了多種含貴金屬的陰極材料。降低析氫過(guò)電位的措施：降低析氫過(guò)電位的措施：四、氧陰極四、氧陰極 氫陰極和氧陰極電解槽槽壓分析（估算值）氫陰極和氧陰極電解槽槽壓分析（估算值）四、氧陰極四、氧陰極氫陰極：氫陰極：氧陰極：氧陰極：四、氧陰極四、氧陰極u結(jié)構(gòu)：三相多孔電極（氣體擴(kuò)散電極），電極結(jié)構(gòu)：三相多孔電極（氣體擴(kuò)散電極），電極反應(yīng)發(fā)生在三相界面上。多孔電極不僅可擴(kuò)大電反應(yīng)發(fā)生在三相界面上。多孔電極不僅可擴(kuò)大電極表面積，且在一定區(qū)間內(nèi)可提供很薄的擴(kuò)散層，極表面積，且在一定區(qū)間內(nèi)可提供很薄的擴(kuò)散層，從而獲

26、得很高的電流密度。從而獲得很高的電流密度。u制備高效的氣體擴(kuò)散電極的必要條件：電極中制備高效的氣體擴(kuò)散電極的必要條件：電極中有大量氣體容易到達(dá)而又與整體溶液較好地接通有大量氣體容易到達(dá)而又與整體溶液較好地接通的薄液膜。的薄液膜。 四、氧陰極四、氧陰極氧陰極（三相多孔電極）：氧陰極（三相多孔電極）：u須有足夠的須有足夠的“氣孔氣孔”使反應(yīng)氣體容易傳遞到電使反應(yīng)氣體容易傳遞到電極內(nèi)部各處，又有大量覆蓋在催化劑表面的薄液極內(nèi)部各處，又有大量覆蓋在催化劑表面的薄液膜，這些薄液膜還必須通過(guò)液孔與電極外側(cè)的溶膜，這些薄液膜還必須通過(guò)液孔與電極外側(cè)的溶液連通，以利于反應(yīng)粒子（產(chǎn)物）的遷移液連通，以利于反應(yīng)粒

27、子（產(chǎn)物）的遷移 。u 固相電阻不宜過(guò)高，否則易產(chǎn)生大的歐姆壓降固相電阻不宜過(guò)高，否則易產(chǎn)生大的歐姆壓降 四、氧陰極四、氧陰極氧陰極電解槽示意圖氧陰極電解槽示意圖四、氧陰極四、氧陰極氯堿工業(yè)中的氧陰極：催化層、防水層、導(dǎo)電網(wǎng)氯堿工業(yè)中的氧陰極：催化層、防水層、導(dǎo)電網(wǎng)u催化層：含有少量鉑、鈀、銀、金等貴金屬粉的催化層：含有少量鉑、鈀、銀、金等貴金屬粉的活性炭或含有少量鎳、鈷、銅等的活性炭粉與乙炔活性炭或含有少量鎳、鈷、銅等的活性炭粉與乙炔黑、無(wú)水芒硝、無(wú)水乙醇和聚四氟乙烯乳液碾壓而黑、無(wú)水芒硝、無(wú)水乙醇和聚四氟乙烯乳液碾壓而成的一定厚度的薄膜，電解過(guò)程中氧的還原反應(yīng)成的一定厚度的薄膜，電解過(guò)程中

28、氧的還原反應(yīng)(生成氫氧離子以代替析氫反應(yīng)生成氫氧離子以代替析氫反應(yīng))在此進(jìn)行在此進(jìn)行 。 四、氧陰極四、氧陰極氯堿工業(yè)中的氧陰極：催化層、防水層、導(dǎo)電網(wǎng)氯堿工業(yè)中的氧陰極：催化層、防水層、導(dǎo)電網(wǎng)u防水層：由無(wú)水芒硝、無(wú)水乙醇和聚四氟乙烯防水層：由無(wú)水芒硝、無(wú)水乙醇和聚四氟乙烯乳液碾壓而成，主要是防止電解液外滲。乳液碾壓而成，主要是防止電解液外滲。 u 導(dǎo)電網(wǎng)：銀網(wǎng)或鎳網(wǎng)，主要起導(dǎo)電和增強(qiáng)電極導(dǎo)電網(wǎng)：銀網(wǎng)或鎳網(wǎng)，主要起導(dǎo)電和增強(qiáng)電極的作用的作用 。 25 多孔性隔膜多孔性隔膜 隔膜作用：分隔陽(yáng)極和陰極區(qū)間，避免兩極產(chǎn)物隔膜作用：分隔陽(yáng)極和陰極區(qū)間，避免兩極產(chǎn)物的混合，防止在電極表面或溶液中發(fā)生副

29、反應(yīng)和次的混合，防止在電極表面或溶液中發(fā)生副反應(yīng)和次級(jí)反應(yīng)，影響產(chǎn)物純度和電流效率，甚至發(fā)生危及級(jí)反應(yīng)，影響產(chǎn)物純度和電流效率，甚至發(fā)生危及安全的事故。安全的事故。 新的隔膜材料的開(kāi)發(fā)，可使電化學(xué)反應(yīng)器性能新的隔膜材料的開(kāi)發(fā)，可使電化學(xué)反應(yīng)器性能改善，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)提高，甚至產(chǎn)生一種新的生產(chǎn)改善，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)提高，甚至產(chǎn)生一種新的生產(chǎn)方法或新的電化學(xué)反應(yīng)器。方法或新的電化學(xué)反應(yīng)器。如：全氟離子交換膜的開(kāi)發(fā)，使宇航用燃燒電池得如：全氟離子交換膜的開(kāi)發(fā)，使宇航用燃燒電池得以在以在NASA空間計(jì)劃中成功應(yīng)用。空間計(jì)劃中成功應(yīng)用。對(duì)隔膜材料的基本要求：對(duì)隔膜材料的基本要求：u可分隔兩極產(chǎn)物，但能允許離子

30、可分隔兩極產(chǎn)物，但能允許離子(或特定離子或特定離子)通通過(guò)，即使電荷傳遞的過(guò)程經(jīng)過(guò)隔膜順利進(jìn)行，具過(guò)，即使電荷傳遞的過(guò)程經(jīng)過(guò)隔膜順利進(jìn)行，具有良好的導(dǎo)電性能和透過(guò)率。有良好的導(dǎo)電性能和透過(guò)率。u具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)及機(jī)械性能，可經(jīng)受隔膜具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)及機(jī)械性能，可經(jīng)受隔膜兩側(cè)介質(zhì)的化學(xué)腐蝕作用及機(jī)械作用，保持穩(wěn)定兩側(cè)介質(zhì)的化學(xué)腐蝕作用及機(jī)械作用，保持穩(wěn)定的尺寸，使用壽命長(zhǎng)。的尺寸，使用壽命長(zhǎng)。u容易安裝、維護(hù)、更換。容易安裝、維護(hù)、更換。一、石棉隔膜一、石棉隔膜二、合成微孔隔膜二、合成微孔隔膜25 多孔性隔膜多孔性隔膜一、石棉隔膜一、石棉隔膜1、石棉、石棉u定義：纖維狀鎂、鐵、鈣的硅酸鹽礦物

31、的總稱定義：纖維狀鎂、鐵、鈣的硅酸鹽礦物的總稱u分類：蛇紋巖系（溫石棉）、角閃石系（青石分類：蛇紋巖系（溫石棉）、角閃石系（青石棉、鐵石棉等）棉、鐵石棉等）溫石棉：世界石棉產(chǎn)量的溫石棉：世界石棉產(chǎn)量的90，化學(xué)組成，化學(xué)組成3MgO2SiO22H2O，由一束束針狀空心的原纖維由一束束針狀空心的原纖維組成，在堿溶液中穩(wěn)定耐蝕，但微溶于酸。組成，在堿溶液中穩(wěn)定耐蝕，但微溶于酸。一、石棉隔膜一、石棉隔膜石棉及其它幾種纖維的直徑及比表面積石棉及其它幾種纖維的直徑及比表面積一、石棉隔膜一、石棉隔膜溫石棉的物理化學(xué)性質(zhì)溫石棉的物理化學(xué)性質(zhì)2 2、氯堿工業(yè)用石棉隔膜、氯堿工業(yè)用石棉隔膜u早期：石棉布、石棉紙

32、早期：石棉布、石棉紙u現(xiàn)代：立式隔膜電解槽直接使用石棉纖維，即以真現(xiàn)代：立式隔膜電解槽直接使用石棉纖維，即以真空吸附法制造成吸附隔膜。工序如下：空吸附法制造成吸附隔膜。工序如下：（1）打漿：）打漿： 將石棉纖維分散于鹽水中，攪拌，使?jié){將石棉纖維分散于鹽水中，攪拌，使?jié){液均勻含有液均勻含有2質(zhì)量比的石棉。質(zhì)量比的石棉。（2）真空吸附：通過(guò)真空吸附使石棉沉積在陰極鐵絲）真空吸附：通過(guò)真空吸附使石棉沉積在陰極鐵絲網(wǎng)上。網(wǎng)上。（3）加熱干燥。）加熱干燥。2 2、氯堿工業(yè)用石棉隔膜、氯堿工業(yè)用石棉隔膜 石棉纖維本身不導(dǎo)電，但浸入電解液后，由于石棉石棉纖維本身不導(dǎo)電，但浸入電解液后，由于石棉隔膜孔隙中充滿

33、電解液，即可導(dǎo)電。隔膜孔隙中充滿電解液，即可導(dǎo)電。3、改性隔膜、改性隔膜u一般石棉隔膜存在的問(wèn)題：溶脹、脫落一般石棉隔膜存在的問(wèn)題：溶脹、脫落u改性隔膜：在石棉纖維中加入少量耐蝕耐磨的改性隔膜：在石棉纖維中加入少量耐蝕耐磨的熱塑性聚合物熱塑性聚合物（如聚四氟乙烯、聚全氟乙烯等），（如聚四氟乙烯、聚全氟乙烯等），同時(shí)在石棉漿液中加入一些非離子型表面活性劑，同時(shí)在石棉漿液中加入一些非離子型表面活性劑，摻和均勻吸附在陰極網(wǎng)上，再經(jīng)干燥和熱處理熔摻和均勻吸附在陰極網(wǎng)上，再經(jīng)干燥和熱處理熔化，冷卻后聚合物可將石棉纖維粘結(jié)成堅(jiān)韌、形化，冷卻后聚合物可將石棉纖維粘結(jié)成堅(jiān)韌、形狀固定、并有彈性的隔膜。狀固定、

34、并有彈性的隔膜。改性隔膜的優(yōu)點(diǎn)：改性隔膜的優(yōu)點(diǎn)：厚度比普通石棉隔膜減小厚度比普通石棉隔膜減小20202525，隔膜壓降，隔膜壓降減少減少100100150mv150mv；尺寸穩(wěn)定，可縮短極距，降低槽壓和能耗；尺寸穩(wěn)定，可縮短極距，降低槽壓和能耗；機(jī)械強(qiáng)度提高，不易脫落及損壞，使用壽命大機(jī)械強(qiáng)度提高，不易脫落及損壞，使用壽命大大延長(zhǎng)；大延長(zhǎng)；孔率和滲透率穩(wěn)定?？茁屎蜐B透率穩(wěn)定。3、改性隔膜、改性隔膜二、合成微孔隔膜二、合成微孔隔膜 以合成材料制成的多孔性隔膜，廣泛應(yīng)用于以合成材料制成的多孔性隔膜，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)電解、化學(xué)電源的電化學(xué)反應(yīng)器中。各種工業(yè)電解、化學(xué)電源的電化學(xué)反應(yīng)器中。1、聚四氟

35、乙烯塑料隔膜、聚四氟乙烯塑料隔膜 如：如：Hooker公司研制的以改性的聚四氟乙烯公司研制的以改性的聚四氟乙烯為基體的合成微孔隔膜，孔隙率和電導(dǎo)率可控制，為基體的合成微孔隔膜，孔隙率和電導(dǎo)率可控制，表面均勻平滑，可使陽(yáng)極更接近隔膜，用于氯堿表面均勻平滑，可使陽(yáng)極更接近隔膜，用于氯堿電解槽，能使極距減小，槽電壓降低。電解槽，能使極距減小，槽電壓降低。2、聚氯乙烯軟質(zhì)塑料隔膜、聚氯乙烯軟質(zhì)塑料隔膜 適用于酸性介質(zhì)，具有孔徑小、孔隙率高、適用于酸性介質(zhì)，具有孔徑小、孔隙率高、電導(dǎo)率較高，耐熱性好的優(yōu)點(diǎn)。電導(dǎo)率較高，耐熱性好的優(yōu)點(diǎn)。3、聚烯烴樹(shù)脂微孔隔膜、聚烯烴樹(shù)脂微孔隔膜 主要是采用聚乙烯和聚丙烯樹(shù)

36、脂為原料制成主要是采用聚乙烯和聚丙烯樹(shù)脂為原料制成的隔膜。的隔膜。二、合成微孔隔膜二、合成微孔隔膜26 離子交換膜離子交換膜 離子交換膜：具有離子選擇透過(guò)性能的高分離子交換膜：具有離子選擇透過(guò)性能的高分子功能膜（或分離膜）。子功能膜（或分離膜）。一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)二、離子交換膜的分類二、離子交換膜的分類三、離子交換膜的性能三、離子交換膜的性能四、氯堿工業(yè)用離子交換膜四、氯堿工業(yè)用離子交換膜26 離子交換膜離子交換膜一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)如：磺酸基離子交換膜如：磺酸基離子交換膜R-SO3H，其組成為：，其組成為：u高分子母體：膜狀高聚物，大都由長(zhǎng)鏈狀高分子

37、高分子母體：膜狀高聚物，大都由長(zhǎng)鏈狀高分子部分與交聯(lián)部分形成體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。部分與交聯(lián)部分形成體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。u活性基團(tuán)：由等電荷的陽(yáng)離子和陰離子組成?；钚曰鶊F(tuán)：由等電荷的陽(yáng)離子和陰離子組成。u固定離子：與基膜聯(lián)接、不能離解的離子。固定離子：與基膜聯(lián)接、不能離解的離子。u相對(duì)離子相對(duì)離子(反離子反離子)：與固定離子平衡的離子。：與固定離子平衡的離子。 當(dāng)膜置于電解質(zhì)溶液中，當(dāng)膜置于電解質(zhì)溶液中，會(huì)發(fā)生電離作用，其會(huì)發(fā)生電離作用，其中活性離子進(jìn)入電解質(zhì)溶液中，而固定離子則保留中活性離子進(jìn)入電解質(zhì)溶液中，而固定離子則保留在基膜上，形成能吸引正離子或負(fù)離子的電荷點(diǎn)位在基膜上，形成能吸引正離子或負(fù)離子的電

38、荷點(diǎn)位一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)26 離子交換膜離子交換膜一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)26 離子交換膜離子交換膜例如：例如： 交聯(lián)聚苯乙烯磺酸（陽(yáng)膜）在水中可電離為交聯(lián)聚苯乙烯磺酸（陽(yáng)膜）在水中可電離為RSO3和和H，H遷移入水中，而遷移入水中，而RSO3則停留在則停留在膜上作為固定離子，它固定在通道表面不動(dòng)，建立膜上作為固定離子，它固定在通道表面不動(dòng)，建立起一個(gè)負(fù)電場(chǎng)，從而在外加直流電場(chǎng)的協(xié)同作用下起一個(gè)負(fù)電場(chǎng)，從而在外加直流電場(chǎng)的協(xié)同作用下，把溶液中運(yùn)動(dòng)的正離子吸引過(guò)來(lái)而讓其透過(guò)，溶，把溶液中運(yùn)動(dòng)的正離子吸引過(guò)來(lái)而讓其透過(guò)，溶液中的負(fù)離子因受到排斥而不能透過(guò)。液中

39、的負(fù)離子因受到排斥而不能透過(guò)。 離子交換膜的微觀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，隨膜的母體離子交換膜的微觀結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，隨膜的母體及加工工藝變化。及加工工藝變化。文獻(xiàn)：微觀結(jié)構(gòu)、交聯(lián)結(jié)構(gòu)、接枝結(jié)構(gòu)、纏繞結(jié)構(gòu)文獻(xiàn)：微觀結(jié)構(gòu)、交聯(lián)結(jié)構(gòu)、接枝結(jié)構(gòu)、纏繞結(jié)構(gòu) 在描述離子膜結(jié)構(gòu)及其與傳質(zhì)關(guān)系的各種理論在描述離子膜結(jié)構(gòu)及其與傳質(zhì)關(guān)系的各種理論中中“離子簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型離子簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型”較為人接受。較為人接受。一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)26 離子交換膜離子交換膜一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)26 離子交換膜離子交換膜離子簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為，可將離子簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為，可將全氟離子膜的結(jié)構(gòu)分為三個(gè)區(qū)：全

40、氟離子膜的結(jié)構(gòu)分為三個(gè)區(qū)：A區(qū)：憎水的碳氟主鏈區(qū)；區(qū)：憎水的碳氟主鏈區(qū)；C區(qū)：由水分子、固定離子、區(qū)：由水分子、固定離子、相對(duì)離子和部分碳氟高聚物側(cè)鏈相對(duì)離子和部分碳氟高聚物側(cè)鏈構(gòu)成的構(gòu)成的“離子簇區(qū)離子簇區(qū)”；B區(qū)：此兩相間的過(guò)渡區(qū)。區(qū)：此兩相間的過(guò)渡區(qū)。離子簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖離子簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)一、離子交換膜的結(jié)構(gòu)26 離子交換膜離子交換膜離子簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型離子簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型離子膜具有選擇透過(guò)性的原理：離子膜具有選擇透過(guò)性的原理：全氟離子膜內(nèi)各離子簇間形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是膜內(nèi)離子和水分全氟離子膜內(nèi)各離子簇間形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是膜內(nèi)離子和水分子遷移過(guò)程的唯一通道。由于離子簇的周壁帶

41、有負(fù)電荷的固子遷移過(guò)程的唯一通道。由于離子簇的周壁帶有負(fù)電荷的固定離子，而各離子簇之間的通道既短又窄，因而對(duì)于帶負(fù)電定離子，而各離子簇之間的通道既短又窄，因而對(duì)于帶負(fù)電的且水化半徑較大的的且水化半徑較大的OHOH的遷移阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于的遷移阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 NaNa+ +。4.0nm二、離子交換膜的分類二、離子交換膜的分類1、按膜體結(jié)構(gòu)分類、按膜體結(jié)構(gòu)分類（1）非均相離子交換膜非均相離子交換膜： 由離子交換樹(shù)脂粉末與由離子交換樹(shù)脂粉末與起粘合作用的高分子材料加工而成。具有不連續(xù)的起粘合作用的高分子材料加工而成。具有不連續(xù)的結(jié)構(gòu)，電化學(xué)性能差，但機(jī)械性能與化學(xué)性能尚可，結(jié)構(gòu)，電化學(xué)性能差，但機(jī)械性能與化

42、學(xué)性能尚可，且易生產(chǎn)。且易生產(chǎn)。（2）均相離子交換膜均相離子交換膜： 離子交換樹(shù)脂與成膜高分離子交換樹(shù)脂與成膜高分子母體成為一相，離子交換基團(tuán)分布均勻且連續(xù)，子母體成為一相，離子交換基團(tuán)分布均勻且連續(xù)，并有良好的電化學(xué)性能。并有良好的電化學(xué)性能。2、按交換基團(tuán)分類、按交換基團(tuán)分類（1）陽(yáng)離子交換膜陽(yáng)離子交換膜 ： 帶有酸性離子交換基團(tuán)的帶有酸性離子交換基團(tuán)的離子交換膜。按其離解度大小，可分為：離子交換膜。按其離解度大小，可分為：強(qiáng)酸性膜強(qiáng)酸性膜，如磺酸膜，如磺酸膜(R-SO3H)，離解度高，常，離解度高，常在咸水分離中使用。在咸水分離中使用。弱酸性膜弱酸性膜，如羧酸膜，如羧酸膜(R-COOH)

43、，離解度小，易，離解度小，易受受pH影響，適于堿性介質(zhì)中使用影響，適于堿性介質(zhì)中使用(如氯堿工業(yè)如氯堿工業(yè))。二、離子交換膜的分類二、離子交換膜的分類（2）陰離子交換膜陰離子交換膜：帶有堿性離子交換基團(tuán)的離子：帶有堿性離子交換基團(tuán)的離子交換膜。按其離解度大小，可分為：交換膜。按其離解度大小，可分為：強(qiáng)堿性膜強(qiáng)堿性膜，如季胺型膜，離解度高，適用范圍廣，如季胺型膜，離解度高，適用范圍廣弱堿性膜弱堿性膜，如仲胺型膜，離解度低，易受，如仲胺型膜，離解度低，易受pH影響，影響，適用于酸性介質(zhì)。適用于酸性介質(zhì)。二、離子交換膜的分類二、離子交換膜的分類2、按交換基團(tuán)分類、按交換基團(tuán)分類3、按用途分類：、按用

44、途分類：（1）電解用膜。）電解用膜。（2）電滲析用膜。）電滲析用膜。（3）擴(kuò)散滲透膜。）擴(kuò)散滲透膜。二、離子交換膜的分類二、離子交換膜的分類三、離子交換膜的性能三、離子交換膜的性能1、化學(xué)性能、化學(xué)性能2、機(jī)械物理性能、機(jī)械物理性能3、電化學(xué)性能、電化學(xué)性能三、離子交換膜的性能三、離子交換膜的性能1、化學(xué)性能、化學(xué)性能離子交換膜的離子交換膜的pK值值：表示離子交換基團(tuán)的離解度：表示離子交換基團(tuán)的離解度 若以若以SH表示離子交換基團(tuán)，則其離解平衡平衡常表示離子交換基團(tuán)，則其離解平衡平衡常數(shù)數(shù)K為：為： pK值較小時(shí)，表示交換基團(tuán)較易離解，膜的導(dǎo)值較小時(shí)，表示交換基團(tuán)較易離解，膜的導(dǎo)電性能也較高。

45、電性能也較高。三、離子交換膜的性能（化學(xué)性能）三、離子交換膜的性能（化學(xué)性能）lglglgSHKHSlgpKK 令 ，lgSHpKS pH +u離子膜工作時(shí)，膜外溶液的離子膜工作時(shí)，膜外溶液的pH值必須大于膜的值必須大于膜的pK值，離子膜中的離子交換基團(tuán)才能離解值，離子膜中的離子交換基團(tuán)才能離解。u離子膜的離子膜的pKpK值不同，對(duì)工作介質(zhì)值不同，對(duì)工作介質(zhì)pH范圍的要求也范圍的要求也不同。如：不同。如：強(qiáng)酸性的磺酸離子膜強(qiáng)酸性的磺酸離子膜：離子交換基團(tuán)離解度較大，：離子交換基團(tuán)離解度較大，pK值較小，較易滿足值較小，較易滿足pHpK的條件，即膜外溶液的的條件，即膜外溶液的pH值可在較大范圍內(nèi)

46、變化。值可在較大范圍內(nèi)變化。三、離子交換膜的性能（化學(xué)性能）三、離子交換膜的性能（化學(xué)性能）弱酸性的羧酸膜弱酸性的羧酸膜：離子交換基團(tuán)離解度較小，：離子交換基團(tuán)離解度較小，pK值值較大，膜外溶液允許的較大，膜外溶液允許的pH值范圍較窄，值范圍較窄，pH7時(shí)離時(shí)離子交換基團(tuán)才離解。因此，羧酸膜只適于在堿性溶子交換基團(tuán)才離解。因此，羧酸膜只適于在堿性溶液中使用。如：氯堿工業(yè)中使用復(fù)合膜時(shí)，羧酸膜液中使用。如：氯堿工業(yè)中使用復(fù)合膜時(shí)，羧酸膜應(yīng)面向含堿溶液的陰極室。應(yīng)面向含堿溶液的陰極室。三、離子交換膜的性能（化學(xué)性能）三、離子交換膜的性能（化學(xué)性能）小結(jié)小結(jié)：離子膜的：離子膜的pKpK值是決定其工作

47、條件及電導(dǎo)率的值是決定其工作條件及電導(dǎo)率的重要因素之一，膜的重要因素之一，膜的pKpK值取決于膜的組成、結(jié)構(gòu)。值取決于膜的組成、結(jié)構(gòu)。（2）離子交換膜的交換容量和當(dāng)量質(zhì)量）離子交換膜的交換容量和當(dāng)量質(zhì)量交換容量（交換容量（A）：1g干膜所含交換基團(tuán)的毫克當(dāng)量數(shù)固定離子濃度固定離子濃度（cR)：膜內(nèi)單位質(zhì)量水中所具有的交換容量。若以W表示含水率，則：當(dāng)量質(zhì)量（當(dāng)量質(zhì)量（EW)：具有1mg當(dāng)量交換基團(tuán)的干膜的質(zhì)量，為交換容量的倒數(shù)。三、離子交換膜的性能（化學(xué)性能）三、離子交換膜的性能（化學(xué)性能）u 離子膜的交換容量取決于其組成、結(jié)構(gòu)、基膜離子膜的交換容量取決于其組成、結(jié)構(gòu)、基膜的交聯(lián)度、制造工藝。

48、的交聯(lián)度、制造工藝。u當(dāng)交換容量增大時(shí)，膜中交換基團(tuán)密度增大，當(dāng)交換容量增大時(shí)，膜中交換基團(tuán)密度增大，膜的導(dǎo)電性提高；同時(shí)由于膜的含水率提高，使膜的導(dǎo)電性提高；同時(shí)由于膜的含水率提高，使膜中通道膨脹，膜中通道膨脹，OH離子較易通過(guò)，反滲增強(qiáng)，離子較易通過(guò)，反滲增強(qiáng)，使膜的選擇透過(guò)性降低，機(jī)械強(qiáng)度變差。使膜的選擇透過(guò)性降低，機(jī)械強(qiáng)度變差。三、離子交換膜的性能（化學(xué)性能）三、離子交換膜的性能（化學(xué)性能）（3）膜的化學(xué)穩(wěn)定性）膜的化學(xué)穩(wěn)定性 離子交換膜在給定條件下的化學(xué)穩(wěn)定性是保證離子交換膜在給定條件下的化學(xué)穩(wěn)定性是保證使用的首要條件。如：使用的首要條件。如： 在氯堿工業(yè)中，由于氯的強(qiáng)烈腐蝕性，碳?xì)?/p>

49、鏈在氯堿工業(yè)中，由于氯的強(qiáng)烈腐蝕性，碳?xì)滏溇酆衔镏瞥傻碾x子膜不耐蝕就無(wú)法使用，而以碳聚合物制成的離子膜不耐蝕就無(wú)法使用，而以碳氟聚合物為骨架的全氟離子交換膜則穩(wěn)定耐蝕，氟聚合物為骨架的全氟離子交換膜則穩(wěn)定耐蝕，得到成功的應(yīng)用。得到成功的應(yīng)用。三、離子交換膜的性能（化學(xué)性能）三、離子交換膜的性能（化學(xué)性能）2、機(jī)械物理性能、機(jī)械物理性能（1）膜的含水率和溶脹度）膜的含水率和溶脹度u含水率：每克干膜的含水量。含水率：每克干膜的含水量。u膜的含水率取決于膜的結(jié)構(gòu)及使用條件。膜的含水率取決于膜的結(jié)構(gòu)及使用條件。結(jié)構(gòu)：如對(duì)全氟離子交換膜，膜的結(jié)晶度降低，交結(jié)構(gòu)：如對(duì)全氟離子交換膜，膜的結(jié)晶度降低，交換容

50、量增大，含水率提高。換容量增大，含水率提高。使用條件：膜外溶液愈濃，膜的含水率就愈低。使用條件：膜外溶液愈濃，膜的含水率就愈低。三、離子交換膜的性能（機(jī)械、物理性能）三、離子交換膜的性能（機(jī)械、物理性能）2、機(jī)械物理性能、機(jī)械物理性能（1）膜的含水率和溶脹度）膜的含水率和溶脹度溶脹度：離子膜在給定溶液浸泡后，離子膜的面溶脹度：離子膜在給定溶液浸泡后，離子膜的面積或體積變化的百分率。積或體積變化的百分率。膜的結(jié)構(gòu)及使用條件同樣影響膜的溶脹度。膜的結(jié)構(gòu)及使用條件同樣影響膜的溶脹度。三、離子交換膜的性能（機(jī)械、物理性能）三、離子交換膜的性能（機(jī)械、物理性能） 離子膜應(yīng)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，才能在安裝、離子膜應(yīng)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，才能在安裝、使用時(shí)經(jīng)受各種應(yīng)力及液流、氣泡的沖擊。使用時(shí)經(jīng)受各種應(yīng)力及液流、氣泡的沖擊。u表征膜機(jī)械強(qiáng)度的指標(biāo)：爆破強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等表征膜機(jī)械強(qiáng)度的指標(biāo)：爆破強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等u膜的機(jī)械強(qiáng)度與膜的結(jié)構(gòu)及化學(xué)性能有關(guān)。膜的機(jī)械強(qiáng)度與膜的結(jié)構(gòu)及化學(xué)性能有關(guān)。 交換容量增大時(shí)，機(jī)械強(qiáng)度下降；提高交聯(lián)度或交換容量增大時(shí)，機(jī)械強(qiáng)度下降；提高交聯(lián)度或結(jié)晶度可改善機(jī)械強(qiáng)度，卻使膜失去柔性，變得更結(jié)晶度可改善機(jī)械強(qiáng)度，卻使膜失去柔性，變得更脆。采取增強(qiáng)網(wǎng)布的方法，可