離子膜法電解鹽水資料課件1項目三鹽水的二次精制和電解【實施方法】到相關(guān)企業(yè)參觀考察，繪制鹽水二次精制工藝流程圖；學(xué)習(xí)陽離子交換膜性質(zhì)，理解離子膜法電解鹽水的原理；依據(jù)平衡移動原理，制定淡鹽水脫氯方案；根據(jù)膜的性能，歸納影響離子膜電解槽的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)?！救蝿?wù)】一、鹽水的二次精制任務(wù)二、精制鹽水電解理論探究三、離子膜法電解鹽水四、幾種離子膜電槽的認(rèn)識五、除氯酸鹽和淡鹽水脫氯項目三鹽水的二次精制和電解【實施方法】【任務(wù)】2任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

一、離子膜法制堿原理用于氯堿工業(yè)的離子交換膜,是一種能夠耐氯堿腐蝕的陽離子交換膜。在膜的內(nèi)部有非常復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)，膜內(nèi)存在固定離子和可交換的對離子兩部分。在電解NaCl水溶液時所使用的陽離子交換膜的膜體中，活性基團(tuán)是帶負(fù)電荷的固定離子和一個帶正電荷的對離子組成，它們之間以離子鍵結(jié)合在一起。如下圖所示。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水一、離子膜法制堿3任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

由于磺酸基團(tuán)具有親水性能，因此膜在溶液中能溶脹，使膜體結(jié)構(gòu)變松，形成許多微細(xì)的通道，這樣一來，活性基團(tuán)中的對離子，就可以和水溶液任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水4任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

中的同電荷的Na+進(jìn)行交換并透過膜。而活性基團(tuán)中的固定離子，因具有排斥Cl-和OH-的能力，使它們不能透過膜，從而獲得高純度的NaOH溶液。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水中的同電荷的Na+進(jìn)行交5任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

離子膜電解制堿原理如圖所示。電解槽的陰極室和陽極室用陽離子交換膜隔開，精制鹽水進(jìn)入陽極室，純水加入陰極室。通電時H2O在陰極表面放電生成氫氣，Na+離子通過離子膜由陽極室遷移列陰極室與OH-結(jié)合成NaOH；Cl-離子則在陽極表面放電生成氯氣。經(jīng)電解后的淡鹽水隨氯氣一起離開陽極室。氫氧化鈉的濃度可利用進(jìn)電槽的純水量來調(diào)節(jié)。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水離子膜電解制堿原6任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

二、離子交換膜的性能和種類（一）離子變換膜的性能離子交換膜是離子膜制堿的核心要素，它必須具備以下幾個條件。（1）高化學(xué)穩(wěn)定性在電解槽中離子膜的陰極側(cè)接觸的是高溫濃堿，而在陽極側(cè)接觸的是高溫、高濃度的酸性鹽水和濕氯氣。因此，它必須具備良好的耐酸耐堿和耐氧化的性能。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水二、離子交7任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

（2）優(yōu)良的電化學(xué)性能在電解過程中，為了降低槽電壓以降低電能的消耗，離子膜必須具有較低的膜電阻和較大的交換容量。同時還須具有較好的反滲透能力，以阻止OH-離子的滲透。（3）穩(wěn)定的操作性能為了適應(yīng)生產(chǎn)的變化，離子膜必須能在較大的電流波動范圍內(nèi)正常工作，并且在操作條件（如溫度、鹽水及純水供給等）發(fā)生變化時，能很快恢復(fù)其電性能。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水（2）優(yōu)良的電8任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

（4）較高的機(jī)械強度離子膜必須具有較好的物理性能。薄而不破，均一的強度和柔韌性。同時由干膜長時間浸沒在鹽水中工作，它還須具有較小的膨脹率。（5）使用方便性膜的安裝和拆卸應(yīng)較方便。（二）離子交換膜的種類1、全氟羧酸膜（Rf-COOH）全氟羧酸膜是一種具有弱酸性和親水性小的離子交換膜。膜內(nèi)固定離子的濃度較大，能阻止OH-的反滲透，因此陰極室的NaOH濃度可達(dá)35%左右。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水（4）較高的機(jī)9任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

而且電流效率也較高，可達(dá)95%以上。它能置于PH＞3的酸性溶液中，在電解時化學(xué)穩(wěn)定性好。缺點是膜電阻較大，在陽極室不能加酸，因此氯中含氧較高。目前采用的羧酸膜是具有高／低交換容量羧酸層組成的復(fù)合膜。電解時，面向陰極側(cè)的是低交換容量的羧酸層，面向陽極側(cè)的是高交換容量的羧酸層。這樣既能得到較高的電流效率又能降低膜電阻，且有較好的機(jī)械強度。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水而且電流效率也10任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

2、全氟磺酸膜（Rf-SO3H）全氟磺酸膜是一種強酸型離子交換膜。這類膜的親水性好，因此膜電阻小，但由于膜的固定離子濃度低，對OH-的排斥力小。因此，電槽的電流效率較低，一般小于80%。且產(chǎn)品的NaOH濃度也較低，一般小于20%。但它能置于PH=1的酸性溶液中，因此可在電解槽陽極室內(nèi)加鹽酸，以中和反滲的OH-。這樣所得的氯氣純度就高，一般含氧少于0.5%。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水2、全氟磺11任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

3、金氟磺酸／羧酸復(fù)合膜（Rf-SO3H／Rf-COOH）這是一種電化學(xué)性能優(yōu)良的離子交換膜。在膜的兩側(cè)具有兩種離子交換基團(tuán)，電解時較薄的羧酸層面向陰極，較厚的磺酸層面向陽極。因此兼有羧酸膜和磺酸膜的優(yōu)點，它可阻擋OH-的反滲透，從而可以在較高電流效率下制得高濃度的NaOH溶液。同時由于膜電阻較小，可以在較大電流密度下工作。且可用鹽酸中和陽極液，得到純度高的氯氣。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水3、金氟磺12任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

三、電極材料（一）陽極材料由于陽極是直接與化學(xué)性質(zhì)活潑的濕氯氣、新生態(tài)氧、鹽酸及次氯酸等接觸，因此對陽極材料的要求主要是具有較強的耐化學(xué)腐蝕性；對氯的過電位要低、導(dǎo)電性能良好；機(jī)械強度高而又易于加工。此外，還應(yīng)考慮電極價格便宜而又易于取得。金屬陽極就是以金屬鈦為基體，在鈦的表面涂上一層其它金屬氧化物的活化層所構(gòu)成的陽極。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水三、電極材13任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

（二）陰極材料陰極材料要具有耐氫氧化鈉、氯化鈉的腐蝕，導(dǎo)電性能良好，氫在電極上的過電位要低等特點。鋼是能符合上述各種條件的較理想的陰極材料。近幾年來，國外已采用活性陰極，國內(nèi)也有不少單位在開始進(jìn)行研究工作。所謂活性陰極，就是在碳鋼陰極表面涂上一層具有能降低氫的過電位的含鎳合金（如鎳鉛、鎳、鈷鎢磷等活性涂層），從而達(dá)到進(jìn)一步降低電能消耗的目的。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水（二）陰極材14任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

四、離子膜電解槽離子膜電解槽有單極式和復(fù)極式兩種型式。不管哪種槽型，每臺電解槽都是由若干個電解單元組成。每個電解單元都有陽極、陰極和離子交換膜。陽極由鈦材制成，并涂有多種活性涂層，陰極有用軟鋼制成的，也有用鎳材或不銹鋼制成的。陰極上有的有活性涂層，也有的無涂層。單極式和復(fù)極式電解槽的結(jié)構(gòu)任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水四、離子膜15任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

復(fù)極槽和單極槽之間的主要區(qū)別在于電槽的電路接線方法不同。單極槽內(nèi)部的各個單元槽是并聯(lián)的，而各個電解槽之間的電路是串聯(lián)的。復(fù)極槽則相反，在槽內(nèi)各個單元槽之間是串聯(lián)，而電解槽之間為并聯(lián)。因此，在單極槽內(nèi)通過各個單元槽的電流之和即為通過一臺單極槽的總電流。而各個單元槽的電壓則是和單極槽的電壓相等。即I=I1+I2+……+InV=V1=V2=……=Vn所以每臺單極槽運轉(zhuǎn)的特點是低電壓、大電流。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水復(fù)極槽和單16任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

對于復(fù)極槽，通過各個單元槽的電流是相等的，其總電壓則是各個單元槽的電壓之和。即I=I1=I2=……=InV=V1+V2+……+Vn所以每臺復(fù)極槽運轉(zhuǎn)的特點是低電流、高電壓。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水對于復(fù)極槽17任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水18任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

五、二次精制鹽水的電解工藝二次精制鹽水經(jīng)鹽水預(yù)熱器預(yù)熱后，以一定的流量送往電解槽的陽極室進(jìn)行電解。與此同時，純水從電解槽底部進(jìn)入陰極室。通入直流電后，在陽極室產(chǎn)生的氯氣和流出的淡鹽水經(jīng)分離器分離后，濕氯氣進(jìn)入氯氣總管，經(jīng)氯氣冷卻器與精制鹽水熱交換后，進(jìn)入氯氣洗滌塔洗滌，然后送到氯氣處理部門；從陽極室流出的淡鹽水中一含NaCl220g/L，還有少量氯酸鹽、次氯酸鹽及溶解氯。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水五、二次精19任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

一部分補充精制鹽水后流回電解槽的陽極室，另一部分進(jìn)入淡鹽水貯槽后，送往氯酸鹽分解槽，用高純鹽酸進(jìn)行分解。分解后的鹽水中，常含有少量鹽酸殘余，將這種鹽水再送回淡鹽水貯槽，與未分解的淡鹽水充分混合并調(diào)節(jié)pH值在2以下，送往脫氯塔脫氯。最后送到一次鹽水工序去重新飽和。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水一部分補充20在電解槽陰極室產(chǎn)生的氫氣和濃度為32%左右的高純液堿，同樣也經(jīng)過分離器分離后，氫氣進(jìn)入氫氣總管，經(jīng)氫氣洗滌塔洗滌后，送至氫氣使用部門。32%的高純液堿一部分作為商品堿出售，或送到蒸發(fā)工序濃縮。另一部分則加入純水后回流到電槽的陰極室。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

在電解槽陰極室產(chǎn)生的氫氣和濃度為32%左右的高純液堿21任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水22六、影響離子膜電槽的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)在離子膜電解制堿工藝中，除了考慮電流效率、槽電壓等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)外，如何使離子膜能夠長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)是很重要的。因為離子膜的價格非常昂貴，由于對電解槽的工藝條件控制失誤而導(dǎo)致離子膜受到嚴(yán)重?fù)p壞的事故時有發(fā)生，有時即使不出重大事故，也會影響離子膜的電解性能，從而使電耗迅速上升。

任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

六、影響離子膜電槽的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)任務(wù)三離子231、鹽水濃度（1）鹽水中NaCl含量高，可以提高溶液的電導(dǎo)率，從而可以降低電解質(zhì)溶液的電壓降，減少電能消耗。（2）鹽水中NaCl含量增大后，可以降低Cl-在陽極上的放電電位，還可以抑制OH-離子放電。這可降低電耗，減弱氧氣對陽極石墨的腐蝕，減少氯內(nèi)含氧。（3）氯氣在鹽水中的溶解度隨著鹽水濃度增大而減少，所以提高鹽水的濃度，可以減少氯氣在陽極液中的副反應(yīng)，從而達(dá)到提高電流效率、降低電耗的目的。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

1、鹽水濃度任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽242、鹽水中雜質(zhì)含量在離子膜法制堿技術(shù)中，進(jìn)電槽的鹽水質(zhì)量是關(guān)鍵，它對膜的壽命、槽電壓和電流效率均有重要的影響。(1)鈣、鎂離子的影響如前所述，鹽水中的Ca2+，Mg2+及其它重金屬離子，會與從陰極室反滲過來的OH-離子形成難溶的氫氧化物而沉積在膜內(nèi)。這樣，一方面會堵塞離子膜使膜電阻增加，從而引起槽電壓上升；另一方面還會使膜的性能發(fā)生不可逆的惡化而縮短膜的使用壽命。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

2、鹽水中雜質(zhì)含量任務(wù)三離子膜法電解二次精25(2)SO42-的影響由于SO42-離子可以與其它重金屬離子（如Ba2+等）生成難溶的硫酸鹽沉積在膜內(nèi)，使槽電壓升高，電流效率下降。從圖看出，如果鹽水中SO42-離子濃度在4g／l以下時，對電流效率無明顯影響，但如超過5g／l則電流效率就明顯下降。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

(2)SO42-的影響任務(wù)三離子膜法電解26（3）其它重金屬離子的影響鹽水中Sr2+離子的存在對膜性能的影響見下圖，從中可以看出Sr2+離子對膜性能的影響比Ca2+要小一些，而且它還受到鹽水中SiO2含量的影響。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

如何控制好鹽水中的雜質(zhì)離子含量（3）其它重金屬離子的影響任務(wù)三離子膜法電解二273、陰極液中NaOH的濃度的影響陰極液中NaOH濃度與電流效率的關(guān)系存在一個極大值。當(dāng)陰極液NaOH濃度上升時，膜的含水率就降低，膜內(nèi)固定離子濃度隨之上升，膜的交換容量變大，因此電流效率就上升。但是，隨著NaOH濃度繼續(xù)升高，由于OH-離子的反滲作用，膜中OH-離子的濃度也增大，當(dāng)NaOH濃度超過35-36％以后，膜中OH-離子濃度增大的影響就起決定作用，OH-要反滲到陽極側(cè)，使電流效率明顯下降。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

3、陰極液中NaOH的濃度的影響任務(wù)三離28陰極液中NaOH濃度對槽電壓的影響，一般是濃度高槽電壓亦高。當(dāng)堿濃度上升1%時，槽電壓就要增加0.014v。因此，長期穩(wěn)定地控制陰極液中的NaOH濃度是非常重要的。4、陽極液中NaCl濃度的影響如果陽極液中NaCl濃度太低對提高電流效率、降低堿中含鹽均不利。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

陰極液中NaOH濃度對槽電壓的影響，一般是濃度高槽電29這主要是因為水合鈉離子中結(jié)合水太多，使膜的含水率增大的緣故。這樣一方面由于陰極室的OH-離子容易反滲透，導(dǎo)致電流效率下降；另一方面陽極液中的Cl-離子也容易通過擴(kuò)散遷移到陰極室，導(dǎo)致堿液中NaCl含量增大。同時，如果離子膜長期在低NaCl濃度下運行，還會使膜膨脹、嚴(yán)重起泡、分離直到永久性的損壞（當(dāng)陽極液中NaCl濃度為50g/L）。但陽極液中NaCl濃度也不宜太高，否則會引起槽電壓上升。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

這主要是因為水合鈉離子中結(jié)合水太多，使膜的含水率增大305、陽極液的pH值離子膜法制堿的電流效率，幾乎僅與離子膜中水合鈉離子的遷移率有關(guān)。要使電流效率達(dá)到或接近100%，就要使水合鈉離子的遷移率接近1。然而，由于陰極液中OH-離子的反滲透，OH-與陽極液中溶解氯發(fā)生副反應(yīng)的緣故，導(dǎo)致電流效率下降。同時也使氯中含氧升高。因此，在生產(chǎn)中常采用在陽極室內(nèi)加鹽酸調(diào)整陽極液的pH值的方法，來提高陽極電流效率，降低陽極液中NaClO3的含量及氯中含氧量。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

5、陽極液的pH值任務(wù)三離子膜法電解二次精31如果膜的性能好，OH-離子幾乎不反滲，則在陽極液內(nèi)就不必加鹽酸。但是陽極液的酸度也不能太高，一般控制pH值在2-5之間。因為當(dāng)pH值小于2時，溶液中H+離子會將離子膜的陰極一側(cè)羧酸層中的Na+離子取代，造成Na+離子的遷移能力下降而破壞膜的導(dǎo)電性，膜的電壓降很快上升并造成膜永久性的損壞。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

如果膜的性能好，OH-離子幾乎不反滲，則在陽極液內(nèi)就326、溫度電解槽溫度宜控制在85—85℃之間。適當(dāng)?shù)靥岣唠娊獠蹨囟葘﹄姴圻\行是有利的。（1）減少氯氣在陽極液中的溶解度，以減少副反應(yīng)。（2）可以增加陽極液的電導(dǎo)率，使溶液的電壓降減小。若溫度每升高20℃，溶液的電導(dǎo)率可以提高25%左右。據(jù)計算，如果槽溫從70℃提高到90℃，溶液的電壓降則相應(yīng)下降43mV。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

6、溫度任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水33

（3）降低分解電壓。根據(jù)能斯特方程式計算可知，槽溫升高后可以降低氯氣、氫氣在電極上的析出電位，從而降低槽電壓。然而，電槽溫度也不宜控制過高。因為如果槽溫過高，槽內(nèi)溶液呈沸騰狀態(tài)后，大量水蒸汽隨氫氣、氯氣帶走。這樣不僅增加能耗，而且會造成電解液中氯化鈉濃度增大，以致結(jié)晶析出堵塞膜，導(dǎo)致運行惡化。另外，如果槽溫過高電槽內(nèi)的充氣度隨之增加，引起槽電壓升高。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

（3）降低分解電壓。根據(jù)能斯特方程式計算可知，槽34各種離子膜在一定電流密度下，都有一個取得最高電流效率的溫度范圍（見下表）。在此范圍內(nèi)，溫度上升會使陰極一側(cè)的膜的孔隙增大，從而提高Na+離子的遷移率，亦即提高電流效率。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

各種離子膜在一定電流密度下，都有一個取得最高電流效率35電流密度下降時，為了取得最高電流效率，電槽的操作溫度也必須相應(yīng)降低，但是不能低于65℃，否則電槽的電流效率將會發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的下降。這是因為溫度過低時，膜內(nèi)的—COO-離子與Na+離子結(jié)合成—COONa后，使膜的離子交換容量下降。同時陰極一側(cè)的膜由于得不到水合鈉離子而造成脫水，使膜的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆的改變，膜對OH-離子反滲的阻擋能力減弱，因此電流效率就隨之急劇下降。以后即使再提高溫度，膜的性能也難以恢復(fù)。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

電流密度下降時，為了取得最高電流效率，電槽的操作溫度36此外，如果在操作范圍內(nèi)適當(dāng)升高溫度，則可以使膜的孔隙增大而有助于槽電壓降低。在一般情況下，溫度上升10℃，槽電壓可降低50-100mV。但是槽溫不能太高（92℃以上），否則大量水蒸氣而使槽電壓上升。7、停止供水或供鹽水的影響就目前工業(yè)化的離子膜而言NaOH濃度長期超37%(wt)，會造成電流效率永久性的下降。如果對電解槽停止供應(yīng)鹽水，槽電壓會上升很高，電流效率則下降很快。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

此外，如果在操作范圍內(nèi)適當(dāng)升高溫度，則可以使膜的孔隙37八、影響離子膜壽命的因素對于實際運轉(zhuǎn)中的電槽來說，最重要的是如何長期穩(wěn)定地發(fā)揮離子膜的高性能。在正常情況下，離子膜可使用二年而膜性能沒有大的變化。如果由于機(jī)械或物理、化學(xué)等原因的影響，則會加速膜性能的惡化。一般來說，引起膜性能衰減的主要原因是：①受到重金屬毒害；②受到物理損傷及因膨脹和收縮而引起的物理松弛。這些損害除了電解槽設(shè)計不合理之外，主要是由于操作不當(dāng)而造成的。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

八、影響離子膜壽命的因素任務(wù)三離子膜法電解381、操作不善對膜壽命的影響2、保存及安裝不妥對膜的影響（1）離子交換膜的保存是在室溫（10-40℃）下，用一定濃度的鹽水潤濕后，重疊在乙烯樹脂軟罐里。（2）為了防止膜表面干燥，在安裝時應(yīng)盡量隨取隨裝。3、電槽結(jié)構(gòu)對膜的壽命的影響（1）因氯氣滯留而造成膜的損害。（2）壓力變動而帶來膜的磨損。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

1、操作不善對膜壽命的影響任務(wù)三離子膜法電解39離子膜法電解鹽水資料課件40項目三鹽水的二次精制和電解【實施方法】到相關(guān)企業(yè)參觀考察，繪制鹽水二次精制工藝流程圖；學(xué)習(xí)陽離子交換膜性質(zhì)，理解離子膜法電解鹽水的原理；依據(jù)平衡移動原理，制定淡鹽水脫氯方案；根據(jù)膜的性能，歸納影響離子膜電解槽的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)?！救蝿?wù)】一、鹽水的二次精制任務(wù)二、精制鹽水電解理論探究三、離子膜法電解鹽水四、幾種離子膜電槽的認(rèn)識五、除氯酸鹽和淡鹽水脫氯項目三鹽水的二次精制和電解【實施方法】【任務(wù)】41任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

一、離子膜法制堿原理用于氯堿工業(yè)的離子交換膜,是一種能夠耐氯堿腐蝕的陽離子交換膜。在膜的內(nèi)部有非常復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)，膜內(nèi)存在固定離子和可交換的對離子兩部分。在電解NaCl水溶液時所使用的陽離子交換膜的膜體中，活性基團(tuán)是帶負(fù)電荷的固定離子和一個帶正電荷的對離子組成，它們之間以離子鍵結(jié)合在一起。如下圖所示。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水一、離子膜法制堿42任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

由于磺酸基團(tuán)具有親水性能，因此膜在溶液中能溶脹，使膜體結(jié)構(gòu)變松，形成許多微細(xì)的通道，這樣一來，活性基團(tuán)中的對離子，就可以和水溶液任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水43任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

中的同電荷的Na+進(jìn)行交換并透過膜。而活性基團(tuán)中的固定離子，因具有排斥Cl-和OH-的能力，使它們不能透過膜，從而獲得高純度的NaOH溶液。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水中的同電荷的Na+進(jìn)行交44任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

離子膜電解制堿原理如圖所示。電解槽的陰極室和陽極室用陽離子交換膜隔開，精制鹽水進(jìn)入陽極室，純水加入陰極室。通電時H2O在陰極表面放電生成氫氣，Na+離子通過離子膜由陽極室遷移列陰極室與OH-結(jié)合成NaOH；Cl-離子則在陽極表面放電生成氯氣。經(jīng)電解后的淡鹽水隨氯氣一起離開陽極室。氫氧化鈉的濃度可利用進(jìn)電槽的純水量來調(diào)節(jié)。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水離子膜電解制堿原45任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

二、離子交換膜的性能和種類（一）離子變換膜的性能離子交換膜是離子膜制堿的核心要素，它必須具備以下幾個條件。（1）高化學(xué)穩(wěn)定性在電解槽中離子膜的陰極側(cè)接觸的是高溫濃堿，而在陽極側(cè)接觸的是高溫、高濃度的酸性鹽水和濕氯氣。因此，它必須具備良好的耐酸耐堿和耐氧化的性能。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水二、離子交46任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

（2）優(yōu)良的電化學(xué)性能在電解過程中，為了降低槽電壓以降低電能的消耗，離子膜必須具有較低的膜電阻和較大的交換容量。同時還須具有較好的反滲透能力，以阻止OH-離子的滲透。（3）穩(wěn)定的操作性能為了適應(yīng)生產(chǎn)的變化，離子膜必須能在較大的電流波動范圍內(nèi)正常工作，并且在操作條件（如溫度、鹽水及純水供給等）發(fā)生變化時，能很快恢復(fù)其電性能。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水（2）優(yōu)良的電47任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

（4）較高的機(jī)械強度離子膜必須具有較好的物理性能。薄而不破，均一的強度和柔韌性。同時由干膜長時間浸沒在鹽水中工作，它還須具有較小的膨脹率。（5）使用方便性膜的安裝和拆卸應(yīng)較方便。（二）離子交換膜的種類1、全氟羧酸膜（Rf-COOH）全氟羧酸膜是一種具有弱酸性和親水性小的離子交換膜。膜內(nèi)固定離子的濃度較大，能阻止OH-的反滲透，因此陰極室的NaOH濃度可達(dá)35%左右。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水（4）較高的機(jī)48任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

而且電流效率也較高，可達(dá)95%以上。它能置于PH＞3的酸性溶液中，在電解時化學(xué)穩(wěn)定性好。缺點是膜電阻較大，在陽極室不能加酸，因此氯中含氧較高。目前采用的羧酸膜是具有高／低交換容量羧酸層組成的復(fù)合膜。電解時，面向陰極側(cè)的是低交換容量的羧酸層，面向陽極側(cè)的是高交換容量的羧酸層。這樣既能得到較高的電流效率又能降低膜電阻，且有較好的機(jī)械強度。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水而且電流效率也49任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

2、全氟磺酸膜（Rf-SO3H）全氟磺酸膜是一種強酸型離子交換膜。這類膜的親水性好，因此膜電阻小，但由于膜的固定離子濃度低，對OH-的排斥力小。因此，電槽的電流效率較低，一般小于80%。且產(chǎn)品的NaOH濃度也較低，一般小于20%。但它能置于PH=1的酸性溶液中，因此可在電解槽陽極室內(nèi)加鹽酸，以中和反滲的OH-。這樣所得的氯氣純度就高，一般含氧少于0.5%。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水2、全氟磺50任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

3、金氟磺酸／羧酸復(fù)合膜（Rf-SO3H／Rf-COOH）這是一種電化學(xué)性能優(yōu)良的離子交換膜。在膜的兩側(cè)具有兩種離子交換基團(tuán)，電解時較薄的羧酸層面向陰極，較厚的磺酸層面向陽極。因此兼有羧酸膜和磺酸膜的優(yōu)點，它可阻擋OH-的反滲透，從而可以在較高電流效率下制得高濃度的NaOH溶液。同時由于膜電阻較小，可以在較大電流密度下工作。且可用鹽酸中和陽極液，得到純度高的氯氣。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水3、金氟磺51任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

三、電極材料（一）陽極材料由于陽極是直接與化學(xué)性質(zhì)活潑的濕氯氣、新生態(tài)氧、鹽酸及次氯酸等接觸，因此對陽極材料的要求主要是具有較強的耐化學(xué)腐蝕性；對氯的過電位要低、導(dǎo)電性能良好；機(jī)械強度高而又易于加工。此外，還應(yīng)考慮電極價格便宜而又易于取得。金屬陽極就是以金屬鈦為基體，在鈦的表面涂上一層其它金屬氧化物的活化層所構(gòu)成的陽極。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水三、電極材52任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

（二）陰極材料陰極材料要具有耐氫氧化鈉、氯化鈉的腐蝕，導(dǎo)電性能良好，氫在電極上的過電位要低等特點。鋼是能符合上述各種條件的較理想的陰極材料。近幾年來，國外已采用活性陰極，國內(nèi)也有不少單位在開始進(jìn)行研究工作。所謂活性陰極，就是在碳鋼陰極表面涂上一層具有能降低氫的過電位的含鎳合金（如鎳鉛、鎳、鈷鎢磷等活性涂層），從而達(dá)到進(jìn)一步降低電能消耗的目的。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水（二）陰極材53任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

四、離子膜電解槽離子膜電解槽有單極式和復(fù)極式兩種型式。不管哪種槽型，每臺電解槽都是由若干個電解單元組成。每個電解單元都有陽極、陰極和離子交換膜。陽極由鈦材制成，并涂有多種活性涂層，陰極有用軟鋼制成的，也有用鎳材或不銹鋼制成的。陰極上有的有活性涂層，也有的無涂層。單極式和復(fù)極式電解槽的結(jié)構(gòu)任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水四、離子膜54任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

復(fù)極槽和單極槽之間的主要區(qū)別在于電槽的電路接線方法不同。單極槽內(nèi)部的各個單元槽是并聯(lián)的，而各個電解槽之間的電路是串聯(lián)的。復(fù)極槽則相反，在槽內(nèi)各個單元槽之間是串聯(lián)，而電解槽之間為并聯(lián)。因此，在單極槽內(nèi)通過各個單元槽的電流之和即為通過一臺單極槽的總電流。而各個單元槽的電壓則是和單極槽的電壓相等。即I=I1+I2+……+InV=V1=V2=……=Vn所以每臺單極槽運轉(zhuǎn)的特點是低電壓、大電流。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水復(fù)極槽和單55任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

對于復(fù)極槽，通過各個單元槽的電流是相等的，其總電壓則是各個單元槽的電壓之和。即I=I1=I2=……=InV=V1+V2+……+Vn所以每臺復(fù)極槽運轉(zhuǎn)的特點是低電流、高電壓。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水對于復(fù)極槽56任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水57任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

五、二次精制鹽水的電解工藝二次精制鹽水經(jīng)鹽水預(yù)熱器預(yù)熱后，以一定的流量送往電解槽的陽極室進(jìn)行電解。與此同時，純水從電解槽底部進(jìn)入陰極室。通入直流電后，在陽極室產(chǎn)生的氯氣和流出的淡鹽水經(jīng)分離器分離后，濕氯氣進(jìn)入氯氣總管，經(jīng)氯氣冷卻器與精制鹽水熱交換后，進(jìn)入氯氣洗滌塔洗滌，然后送到氯氣處理部門；從陽極室流出的淡鹽水中一含NaCl220g/L，還有少量氯酸鹽、次氯酸鹽及溶解氯。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水五、二次精58任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

一部分補充精制鹽水后流回電解槽的陽極室，另一部分進(jìn)入淡鹽水貯槽后，送往氯酸鹽分解槽，用高純鹽酸進(jìn)行分解。分解后的鹽水中，常含有少量鹽酸殘余，將這種鹽水再送回淡鹽水貯槽，與未分解的淡鹽水充分混合并調(diào)節(jié)pH值在2以下，送往脫氯塔脫氯。最后送到一次鹽水工序去重新飽和。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水一部分補充59在電解槽陰極室產(chǎn)生的氫氣和濃度為32%左右的高純液堿，同樣也經(jīng)過分離器分離后，氫氣進(jìn)入氫氣總管，經(jīng)氫氣洗滌塔洗滌后，送至氫氣使用部門。32%的高純液堿一部分作為商品堿出售，或送到蒸發(fā)工序濃縮。另一部分則加入純水后回流到電槽的陰極室。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

在電解槽陰極室產(chǎn)生的氫氣和濃度為32%左右的高純液堿60任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水61六、影響離子膜電槽的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)在離子膜電解制堿工藝中，除了考慮電流效率、槽電壓等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)外，如何使離子膜能夠長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)是很重要的。因為離子膜的價格非常昂貴，由于對電解槽的工藝條件控制失誤而導(dǎo)致離子膜受到嚴(yán)重?fù)p壞的事故時有發(fā)生，有時即使不出重大事故，也會影響離子膜的電解性能，從而使電耗迅速上升。

任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

六、影響離子膜電槽的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)任務(wù)三離子621、鹽水濃度（1）鹽水中NaCl含量高，可以提高溶液的電導(dǎo)率，從而可以降低電解質(zhì)溶液的電壓降，減少電能消耗。（2）鹽水中NaCl含量增大后，可以降低Cl-在陽極上的放電電位，還可以抑制OH-離子放電。這可降低電耗，減弱氧氣對陽極石墨的腐蝕，減少氯內(nèi)含氧。（3）氯氣在鹽水中的溶解度隨著鹽水濃度增大而減少，所以提高鹽水的濃度，可以減少氯氣在陽極液中的副反應(yīng)，從而達(dá)到提高電流效率、降低電耗的目的。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

1、鹽水濃度任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽632、鹽水中雜質(zhì)含量在離子膜法制堿技術(shù)中，進(jìn)電槽的鹽水質(zhì)量是關(guān)鍵，它對膜的壽命、槽電壓和電流效率均有重要的影響。(1)鈣、鎂離子的影響如前所述，鹽水中的Ca2+，Mg2+及其它重金屬離子，會與從陰極室反滲過來的OH-離子形成難溶的氫氧化物而沉積在膜內(nèi)。這樣，一方面會堵塞離子膜使膜電阻增加，從而引起槽電壓上升；另一方面還會使膜的性能發(fā)生不可逆的惡化而縮短膜的使用壽命。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

2、鹽水中雜質(zhì)含量任務(wù)三離子膜法電解二次精64(2)SO42-的影響由于SO42-離子可以與其它重金屬離子（如Ba2+等）生成難溶的硫酸鹽沉積在膜內(nèi)，使槽電壓升高，電流效率下降。從圖看出，如果鹽水中SO42-離子濃度在4g／l以下時，對電流效率無明顯影響，但如超過5g／l則電流效率就明顯下降。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

(2)SO42-的影響任務(wù)三離子膜法電解65（3）其它重金屬離子的影響鹽水中Sr2+離子的存在對膜性能的影響見下圖，從中可以看出Sr2+離子對膜性能的影響比Ca2+要小一些，而且它還受到鹽水中SiO2含量的影響。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

如何控制好鹽水中的雜質(zhì)離子含量（3）其它重金屬離子的影響任務(wù)三離子膜法電解二663、陰極液中NaOH的濃度的影響陰極液中NaOH濃度與電流效率的關(guān)系存在一個極大值。當(dāng)陰極液NaOH濃度上升時，膜的含水率就降低，膜內(nèi)固定離子濃度隨之上升，膜的交換容量變大，因此電流效率就上升。但是，隨著NaOH濃度繼續(xù)升高，由于OH-離子的反滲作用，膜中OH-離子的濃度也增大，當(dāng)NaOH濃度超過35-36％以后，膜中OH-離子濃度增大的影響就起決定作用，OH-要反滲到陽極側(cè)，使電流效率明顯下降。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

3、陰極液中NaOH的濃度的影響任務(wù)三離67陰極液中NaOH濃度對槽電壓的影響，一般是濃度高槽電壓亦高。當(dāng)堿濃度上升1%時，槽電壓就要增加0.014v。因此，長期穩(wěn)定地控制陰極液中的NaOH濃度是非常重要的。4、陽極液中NaCl濃度的影響如果陽極液中NaCl濃度太低對提高電流效率、降低堿中含鹽均不利。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

陰極液中NaOH濃度對槽電壓的影響，一般是濃度高槽電68這主要是因為水合鈉離子中結(jié)合水太多，使膜的含水率增大的緣故。這樣一方面由于陰極室的OH-離子容易反滲透，導(dǎo)致電流效率下降；另一方面陽極液中的Cl-離子也容易通過擴(kuò)散遷移到陰極室，導(dǎo)致堿液中NaCl含量增大。同時，如果離子膜長期在低NaCl濃度下運行，還會使膜膨脹、嚴(yán)重起泡、分離直到永久性的損壞（當(dāng)陽極液中NaCl濃度為50g/L）。但陽極液中NaCl濃度也不宜太高，否則會引起槽電壓上升。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

這主要是因為水合鈉離子中結(jié)合水太多，使膜的含水率增大695、陽極液的pH值離子膜法制堿的電流效率，幾乎僅與離子膜中水合鈉離子的遷移率有關(guān)。要使電流效率達(dá)到或接近100%，就要使水合鈉離子的遷移率接近1。然而，由于陰極液中OH-離子的反滲透，OH-與陽極液中溶解氯發(fā)生副反應(yīng)的緣故，導(dǎo)致電流效率下降。同時也使氯中含氧升高。因此，在生產(chǎn)中常采用在陽極室內(nèi)加鹽酸調(diào)整陽極液的pH值的方法，來提高陽極電流效率，降低陽極液中NaClO3的含量及氯中含氧量。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

5、陽極液的pH值任務(wù)三離子膜法電解二次精70如果膜的性能好，OH-離子幾乎不反滲，則在陽極液內(nèi)就不必加鹽酸。但是陽極液的酸度也不能太高，一般控制pH值在2-5之間。因為當(dāng)pH值小于2時，溶液中H+離子會將離子膜的陰極一側(cè)羧酸層中的Na+離子取代，造成Na+離子的遷移能力下降而破壞膜的導(dǎo)電性，膜的電壓降很快上升并造成膜永久性的損壞。任務(wù)三離子膜法電解二次精制鹽水

如果膜的性能好，OH-離子幾乎不反滲，