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離子膜電解法ion exchange membrane cell electrolysis process

時(shí)間：2020-03-01 來源：網(wǎng)絡(luò) 瀏覽：
又稱膜電槽電解法，是利用陽離子交換膜將單元電解槽分隔為陽極室和陰極室，使電解產(chǎn)品分開的方法。離子膜電解法是在離子交換樹脂（見離子交換劑）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。利用離子交換膜對陰陽離子具有選擇透過的特性，容許帶一種電荷的離子通過而限制相反電荷的離子通過，以達(dá)到濃縮、脫鹽、凈化、提純以及電化合成的目的。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)用于氯堿的生產(chǎn)，海水和苦咸水的淡化，工業(yè)用水和超純水的制備，酶、維生素與氨基酸等藥品的精制，電鍍廢液的回收，放射性廢水的處理等方面，其中應(yīng)用最廣泛、成效最顯著的是氯堿工業(yè)。在氯堿工業(yè)中，利用陽離子交換膜電解槽電解食鹽或氯化鉀水溶液來制造氯氣、氫氣和高純度的燒堿（氫氧化鈉）或氫氧化鉀。1975年日本旭化成工業(yè)公司制成全氟羧酸型離子交換膜，首先實(shí)現(xiàn)離子膜電解法制燒堿，同年日本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
　　工藝流程 　經(jīng)過兩次精制的濃食鹽水溶液連續(xù)進(jìn)入陽極室（圖1），

圖1

鈉離子在電場作用下透過陽離子交換膜向陰極室移動(dòng)，進(jìn)入陰極液的鈉離子連同陰極上電解水而產(chǎn)生的氫氧離子生成氫氧化鈉，同時(shí)在陰極上放出氫氣。食鹽水溶液中的氯離子受到膜的限制，基本上不能進(jìn)入陰極室而在陽極上被氧化成為氯氣。部分氯化鈉電解后，剩余的淡鹽水流出電解槽經(jīng)脫除溶解氯，固體鹽重飽和以及精制后，返回陽極室，構(gòu)成與水銀法類似的鹽水環(huán)路。離開陰極室的氫氧化鈉溶液一部分作為產(chǎn)品，一部分加入純水后返回陰極室。堿液的循環(huán)有助于精確控制加入的水量，又能帶走電解槽內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。
　　離子膜電解槽 　根據(jù)供電方式的不同，分為復(fù)極式和單極式兩種。復(fù)極式電解槽的各單元電解槽串聯(lián)相接，電解槽的總電壓為各個(gè)單元電解槽的電壓之和；電路中各臺電解槽并聯(lián)。單極式電解槽的各單元電解槽并聯(lián)相接，電解槽的總電流為各個(gè)單元電解槽的電流之和；電路中各臺電解槽串聯(lián)。有的離子膜電解槽為板式壓濾機(jī)型結(jié)構(gòu)（圖2）:在長方形的金屬框內(nèi)有爆炸復(fù)合的鈦－鋼薄板隔開陽極室和陰極室，拉網(wǎng)狀的帶有活性涂層的金屬陽極和陰極分別焊接在隔板兩側(cè)的肋片上，離子膜夾在陰陽兩極之間構(gòu)成一個(gè)單元電解槽。大約 100個(gè)左右的單元電解槽由液壓裝置組成一臺電解器。另外，還有類似板式換熱器的結(jié)構(gòu)，由沖壓的輕型鈦板陽極、離子膜和沖壓的鎳板陰極夾在一起，構(gòu)成單元電解槽。若干個(gè)單元電解槽夾在兩塊端板之間組成一臺電解槽。

圖2

　　離子交換膜 　側(cè)鏈上帶有磺酸基和（或）羧酸基等陰離子官能團(tuán)的全氟聚合物制成的薄膜。對離子膜的要求：①陽離子選擇透過性好；②電解質(zhì)擴(kuò)散率低；③較高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；④機(jī)械強(qiáng)度高，不易變形；⑤電阻小?，F(xiàn)代陽離子交換膜大多為聚氟烴織物增強(qiáng)的全氟磺酸－全氟羧酸復(fù)合膜。面向陽極的一側(cè)為電阻較小的磺酸基；面向陰極的一側(cè)為含水量低的羧酸基，能抑制氫氧離子向陽極室移動(dòng)而提高電流效率，有的還處理成為粗糙的表面，或附有微孔狀無機(jī)物薄膜，以增加全氟羧酸膜的親水性，減少氫氣泡在膜表面上的滯留。這種膜適用于兩極間距極小的所謂“零”極距或“膜”間隙的離子交換膜電解槽。
　　特點(diǎn) ?、倏偰芎淖畹停ㄅc隔膜電解法和水銀電解法相比），在4000A/m2電流密度下，每噸燒堿的直流電耗為7.56～7.92GJ(2100～2200kWh)；②燒堿純度高，50％的氫氧化鈉堿液，含氯化鈉50～60ppm;③無水銀或石棉污染環(huán)境的問題；④操作、控制都比較容易；⑤適應(yīng)負(fù)荷變化的能力較大；⑥要求用高質(zhì)量的鹽水；⑦離子膜的價(jià)格比較昂貴。
　　現(xiàn)狀和展望 　 80年代初，先進(jìn)的離子膜可在 4000A/m2的電流密度下運(yùn)轉(zhuǎn)，電流效率為95％～96％;可以直接生產(chǎn)濃度為35％的氫氧化鈉，離子膜的使用壽命約為2年。由于離子膜法具有較多的優(yōu)點(diǎn)，今后新建的氯堿生產(chǎn)裝置一般將采用離子膜法?，F(xiàn)有的水銀法或隔膜法氯堿廠也會(huì)有一部分在技術(shù)改造時(shí)轉(zhuǎn)換為離子膜法?！?  
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