Nafion的吸取水和离子交换特性

Nafion的吸取水和离子交换特性

离子交换的机能

化学键性质的主要类型:共价键和离子键。共价键形成的是非极性(不涉及电荷交换)且出现在有机分子中。它们和这次讨论不相关。


当两个或两个以上的原子与不同电子亲和形成一个键时离子键就形成了。“需要电子”的原子会从其他原子处接受电子,在过程中变成负电荷。“伴有附加电子”的原子会把电子赠予另一个原子,在过程中变为正电荷。一旦这个过程发生时,两个原子由于正负电荷而彼此吸引。


水被称为“通用溶剂”,因为它会溶解大部分的离子键。因此,原子或原子团会在溶液中被释放。


非常纯净的水只有水分子,是中性的电子,有非常小部分的水分子被分解成两个部分,一个正电荷的氢离子(H +)和一个负电荷的羟基离子(OH-)。这些离子在春水中的浓度为每升0.0000001 gm。这个纯水的PH值是log10-7或简单的说是7。因为在水中的电子部分含量实在是太低(0.0000001gm每升)几乎没有带点粒子参与电荷转换。由于这个原因,纯水实际上是非常好的绝缘体。水的纯度可以通过测量它的电阻来确定,水净化系统一般的目标是log10-8作为良好纯度的代表。


因为水是通用溶剂,当它接触到含离子键的化学化合物时,水就能溶解离子键。自来水中含有各种高浓度的可溶解离子,因为当离子键被断开时,在原来的化合物中仍保留着一定数量的电子。常规的元素,比如钠,钾,钙,镁,铁都经常在出现在自来水,具有相对高的浓度。所有这些元素在溶液中形成正离子,因为他们有“附加电子”,那就是它们的离子键捐赠的。


所谓的离子交换树脂通常用于净化去除水中离子,代之以另一离子水。在家庭中的这种替代离子是经常使用的钠水软化剂。酸钠盐用于再生这些离子交换软水机在家庭使用的树脂。
所谓的离子交换树脂通常被用来纯化水,通过移除被溶解的离子和替代它们的其他离子。在家使用的软化水的替代离子经常是钠。钠盐被用来再生这些离子交换树脂用于家庭用水的软化。


Nafion可以用来做离子交换树脂。在博纯供应的Nafion材料中,离子是由一个氢离子捐赠的。我们供应附着于磺酸基上很小一部分的氢离子的Nafion,因为氢离子非常小(只有一个质子),所以它不会干扰。作为水渗透过程的一部分,水被绑定到硫磺酸上。当Nafion暴露于含有其他阳离子的水溶液中,且该正电离子浓度高于氢离子在溶液中的浓度,Nafion中的氢离子就会被释放,被其他离子替代。这意味着最终在Nafion和周围溶液中的氢离子浓度会平衡,绑定在Nafion上和仍然存在于溶液中的其他阳离子的浓度也会平衡。


当被绑定到Nafion的磺酸上的氢原子被其他更大的原子取代时,(氢是最小的元素,其他原子都比它大),这些较大的原子会干涉水进入磺酸基。因此,Nafion失去了结合并渗透水的一些能力。


为此,暴露Nafion于水中将使Nafion“变性”。用其他阳离子(带正电的离子)替换氢离子和Nafion的结合会减少Nafion对水的渗透能力。根据其他阳离子的大小和化学性质,这种渗水性能的降低会变得很严重。


好消息是,当溶解于水中时,离子键自由分解成独立离子,在气相状态离子键很难被分解。为了分解离子键,在气相状态形成自由离子,化合物必须加热至超过500摄氏度(大部分仍需更高的温度)。在这些高温下,Nafion早已融化,所以只要Nafion只暴露于气相状态下的自由离子中,就没有变性的危险。根据博纯对此的经验,当Nafion暴露于典型的自来水中,在几小时之内Nafion会丢失2/3的渗透水的能力。不过,最终Nafion的渗透率就稳定于一个新的、较低的水平。由于水的渗透率是博纯产品开发的固有属性,无论何时,都应避免产品完全暴露于水中。如果暴露于水中,Nafion设备可能会遭受2/3的性能损失。


关于化学方程式,Nafion侧链末端含有的磺酸是此反应唯一重要的区域。这些磺酸的化学方程式即R-SO3H,R代表共聚物侧链的有机分子的其余部分。Nafion中有很多磺酸基。磺酸基簇拥在一起形成长链,从Nafion管壁的一边延伸至另一边。正常情况下,每个磺酸可以结合13个水分子,通过水化吸引。沿着长链,水分子非常迅速地从一个磺酸基移动到下一个。这就是水通过Nafion渗透如此快的原因。许多分支互连的结构也保证了Nafion能非常好的渗透水性能,使Nafion区别于其他竞争性的聚合物。


当进行离子交换时,磺酸在溶液中交换氢为带正电的离子。这种离子可能是钠,钾,钙,镁,铁,或几乎任何形式的元素离子的正离子。如果离子有一个正电荷对于它本身的,那么多个氢会交换它来平衡电荷。为了讨论方便起见,我们假设各异单独电荷的正离子如,如钠。我们将指定原子一般称之为X,其中X =锂,钠,钾,或其他单电荷离子。在这种情况下,与Nafion膜的离子交换反应的化学公式为: 
R-SO3-H + X+ –> R-SO3-X + H+


可以看出,之前溶液中的单电荷离子现在结合到Nafion的磺酸基并失去电荷,在溶液中它的电荷已被氢离子带走。


Nafion膜的再生



Nafion能在溶液中交换氢离子的原因是原溶液中的氢离子浓度相对较低,而其他阳离子的浓度相对较高。化学反应试图通过离子交换,平衡结合Nafion膜和溶液中之间的自由离子的浓度。


这个过程可以简单通过把Nafion浸透于任何强酸(硝酸,硫酸,盐酸等)中逆转。在这些环境下,酸溶液中的氢离子会替换其他结合到Nafion磺酸上的阳离子。如果使用了足够强的酸溶液,磺酸基几乎将恢复它们终端的氢,然后Nafion的渗水性能就恢复了。


这个过程并不需要强的酸浓度。博纯使用40%硝酸浸泡Nafion。精确的数量和酸浓度的需要取决于Nafion暴露于何种浓度的离子水或其他溶液。