Nafion的吸取水和離子交換特性

Nafion的吸取水和離子交換特性

離子交換的機能

化學鍵性質的主要類型:共價鍵和離子鍵。共價鍵形成的是非極性(不涉及電荷交換)且出現在有機分子中。它們和這次討論不相關。


當兩個或兩個以上的原子與不同電子親和形成一個鍵時離子鍵就形成了。“需要電子”的原子會從其他原子處接受電子,在過程中變成負電荷。“伴有附加電子”的原子會把電子贈予另一個原子,在過程中變為正電荷。一旦這個過程發生時,兩個原子由于正負電荷而彼此吸引。


水被稱為“通用溶劑”,因為它會溶解大部分的離子鍵。因此,原子或原子團會在溶液中被釋放。


非常純凈的水只有水分子,是中性的電子,有非常小部分的水分子被分解成兩個部分,一個正電荷的氫離子(H +)和一個負電荷的羥基離子(OH-)。這些離子在春水中的濃度為每升0.0000001 gm。這個純水的PH值是log10-7或簡單的說是7。因為在水中的電子部分含量實在是太低(0.0000001gm每升)幾乎沒有帶點粒子參與電荷轉換。由于這個原因,純水實際上是非常好的絕緣體。水的純度可以通過測量它的電阻來確定,水凈化系統一般的目標是log10-8作為良好純度的代表。


因為水是通用溶劑,當它接觸到含離子鍵的化學化合物時,水就能溶解離子鍵。自來水中含有各種高濃度的可溶解離子,因為當離子鍵被斷開時,在原來的化合物中仍保留著一定數量的電子。常規的元素,比如鈉,鉀,鈣,鎂,鐵都經常在出現在自來水,具有相對高的濃度。所有這些元素在溶液中形成正離子,因為他們有“附加電子”,那就是它們的離子鍵捐贈的。


所謂的離子交換樹脂通常用于凈化去除水中離子,代之以另一離子水。在家庭中的這種替代離子是經常使用的鈉水軟化劑。酸鈉鹽用于再生這些離子交換軟水機在家庭使用的樹脂。
所謂的離子交換樹脂通常被用來純化水,通過移除被溶解的離子和替代它們的其他離子。在家使用的軟化水的替代離子經常是鈉。鈉鹽被用來再生這些離子交換樹脂用于家庭用水的軟化。


Nafion可以用來做離子交換樹脂。在博純供應的Nafion材料中,離子是由一個氫離子捐贈的。我們供應附著于磺酸基上很小一部分的氫離子的Nafion,因為氫離子非常小(只有一個質子),所以它不會干擾。作為水滲透過程的一部分,水被綁定到硫磺酸上。當Nafion暴露于含有其他陽離子的水溶液中,且該正電離子濃度高于氫離子在溶液中的濃度,Nafion中的氫離子就會被釋放,被其他離子替代。這意味著最終在Nafion和周圍溶液中的氫離子濃度會平衡,綁定在Nafion上和仍然存在于溶液中的其他陽離子的濃度也會平衡。


當被綁定到Nafion的磺酸上的氫原子被其他更大的原子取代時,(氫是最小的元素,其他原子都比它大),這些較大的原子會干涉水進入磺酸基。因此,Nafion失去了結合并滲透水的一些能力。


為此,暴露Nafion于水中將使Nafion“變性”。用其他陽離子(帶正電的離子)替換氫離子和Nafion的結合會減少Nafion對水的滲透能力。根據其他陽離子的大小和化學性質,這種滲水性能的降低會變得很嚴重。


好消息是,當溶解于水中時,離子鍵自由分解成獨立離子,在氣相狀態離子鍵很難被分解。為了分解離子鍵,在氣相狀態形成自由離子,化合物必須加熱至超過500攝氏度(大部分仍需更高的溫度)。在這些高溫下,Nafion早已融化,所以只要Nafion只暴露于氣相狀態下的自由離子中,就沒有變性的危險。根據博純對此的經驗,當Nafion暴露于典型的自來水中,在幾小時之內Nafion會丟失2/3的滲透水的能力。不過,最終Nafion的滲透率就穩定于一個新的、較低的水平。由于水的滲透率是博純產品開發的固有屬性,無論何時,都應避免產品完全暴露于水中。如果暴露于水中,Nafion設備可能會遭受2/3的性能損失。


關于化學方程式,Nafion側鏈末端含有的磺酸是此反應唯一重要的區域。這些磺酸的化學方程式即R-SO3H,R代表共聚物側鏈的有機分子的其余部分。Nafion中有很多磺酸基。磺酸基簇擁在一起形成長鏈,從Nafion管壁的一邊延伸至另一邊。正常情況下,每個磺酸可以結合13個水分子,通過水化吸引。沿著長鏈,水分子非常迅速地從一個磺酸基移動到下一個。這就是水通過Nafion滲透如此快的原因。許多分支互連的結構也保證了Nafion能非常好的滲透水性能,使Nafion區別于其他競爭性的聚合物。


當進行離子交換時,磺酸在溶液中交換氫為帶正電的離子。這種離子可能是鈉,鉀,鈣,鎂,鐵,或幾乎任何形式的元素離子的正離子。如果離子有一個正電荷對于它本身的,那么多個氫會交換它來平衡電荷。為了討論方便起見,我們假設各異單獨電荷的正離子如,如鈉。我們將指定原子一般稱之為X,其中X =鋰,鈉,鉀,或其他單電荷離子。在這種情況下,與Nafion膜的離子交換反應的化學公式為:?
R-SO3-H + X+?–> R-SO3-X + H+


可以看出,之前溶液中的單電荷離子現在結合到Nafion的磺酸基并失去電荷,在溶液中它的電荷已被氫離子帶走。


Nafion膜的再生



Nafion能在溶液中交換氫離子的原因是原溶液中的氫離子濃度相對較低,而其他陽離子的濃度相對較高。化學反應試圖通過離子交換,平衡結合Nafion膜和溶液中之間的自由離子的濃度。


這個過程可以簡單通過把Nafion浸透于任何強酸(硝酸,硫酸,鹽酸等)中逆轉。在這些環境下,酸溶液中的氫離子會替換其他結合到Nafion磺酸上的陽離子。如果使用了足夠強的酸溶液,磺酸基幾乎將恢復它們終端的氫,然后Nafion的滲水性能就恢復了。


這個過程并不需要強的酸濃度。博純使用40%硝酸浸泡Nafion。精確的數量和酸濃度的需要取決于Nafion暴露于何種濃度的離子水或其他溶液。
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