离子膜法电解盐水

任务三 离子膜法电解二次精制盐水
1、盐水浓度
（1）盐水中NaCl含量高，可以提高溶液的电导率，
从而可以降低电解质溶液的电压降，减少电能消耗。
（2）盐水中NaCl含量增大后，可以降低Cl-在阳极上
的放电电位，还可以抑制OH-离子放电。这可降低电耗，
减弱氧气对阳极石墨的腐蚀，减少氯内含氧。
（3）氯气在盐水中的溶解度随着盐水浓度增大而减
五、二次精制盐水的电解工艺
二次精制盐水经盐水预热器预热后，以一定的流量送
往电解槽的阳极室进行电解。与此同时，纯水从电解槽底
部进入阴极室。通入直流电后，在阳极室产生的氯气和流 出的淡盐水经分离器分离后，湿氯气进入氯气总管，经氯 气冷却器与精制盐水热交换后，进入氯气洗涤塔洗涤，然 后送到氯气处理部门；从阳极室流出的淡盐水中一含 NaCl 220g/L ，还有少量氯酸盐、次氯酸盐及溶解氯。
任务三 离子膜法电解二次精制盐水
对于复极槽，通过各个单元槽的电流是相等的，其 总电压则是各个单元槽的电压之和。 即 I = I1 = I2 =……=In V = V1 + V2+ ……+ Vn 所以每台复极槽运转的特点是低电流、高电压。
任务三 离子膜法电解二次精制盐水
任务三 离子膜法电解二次精制盐水
项目三 盐水的二次精制和电解
【实施方法】 到相关企业参观考察，绘制盐水二次精制工艺流程图； 学习阳离子交换膜性质，理解离子膜法电解盐水的原理； 依据平衡移动原理，制定淡盐水脱氯方案； 根据膜的性能，归纳影响离子膜电解槽的技术经济指标。 【任务】
一、盐水的二次精制任务
三、离子膜法电解盐水 五、除氯酸盐和淡盐水脱氯
任务三 离子膜法电解二次精制盐水
三、电极材料 （一）阳极材料 由于阳极是直接与化学性质活泼的湿氯气、新生态 氧、盐酸及次氯酸等接触，因此对阳极材料的要求主要 是具有较强的耐化学腐蚀性；对氯的过电位要低、导电
性能良好；机械强度高而又易于加工。此外，还应考虑
电极价格便宜而又易于取得。
金属wk.baidu.com极就是以金属钛为基体，在钛的表面涂上一
六、影响离子膜电槽的经济技术指标
在离子膜电解制碱工艺中，除了考虑电流效率、槽
电压等技术经济指标外，如何使离子膜能够长期稳定运
转是很重要的。因为离子膜的价格非常昂贵，由于对电
解槽的工艺条件控制失误而导致离子膜受到严重损坏的
事故时有发生，有时即使不出重大事故，也会影响离子
膜的电解性能，从而使电耗迅速上升。
的固定离子，因具有排斥Cl-和OH-的能力，使它们不
能透过膜，从而获得高纯度的NaOH溶液。
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离子膜电解制碱原理如图所示。电解槽的阴极室和阳 极室用阳离子交换膜隔开，精制盐水进入阳极室，纯水 加入阴极室。通电时 H2O 在阴极表面放电生成氢气， Na+ 离子通过离子膜由阳极室迁移列阴极室与 OH- 结合 成NaOH；Cl-离子则在阳极表面放电生成氯气。经电解 后的淡盐水随氯气一起离开阳极室。氢氧化钠的浓度可
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3、阴极液中NaOH的浓度的影响
阴极液中NaOH浓度与电流效率的关系存在一个极大
值。当阴极液NaOH浓度上升时，膜的含水率就降低，膜
内固定离子浓度随之上升，膜的交换容量变大，因此电流
效率就上升。但是，随着NaOH浓度继续升高，由于OH-
离子的反渗作用，膜中OH-离子的浓度也增大，当NaOH
的对离子组成，它们之间以离子键结合在一起。如下
图所示。
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由于磺酸基团具有亲水性能，因此膜在溶液中 能溶胀，使膜体结构变松，形成许多微细的通道， 这样一来，活性基团中的对离子，就可以和水溶液
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中的同电荷的Na+进行交换并透过膜。而活性基团中
会与从阴极室反渗过来的OH-离子形成难溶的氢氧化物
而沉积在膜内。这样，一方面会堵塞离子膜使膜电阻增
加，从而引起槽电压上升；另一方面还会使膜的性能发
生不可逆的恶化而缩短膜的使用寿命。
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(2) SO42-的影响
由于SO42-离子可以与其它重金属离子（如Ba2+ 等）
生成难溶的硫酸盐沉积在膜内，使槽电压升高，电流效率
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四、离子膜电解槽 离子膜电解槽有单极式和复极式两种型式。不管哪 种槽型，每台电解槽都是由若干个电解单元组成。每个 电解单元都有阳极、阴极和离子交换膜。阳极由钛材制 成，并涂有多种活性涂层，阴极有用软钢制成的，也有 用镍材或不锈钢制成的。阴极上有的有活性涂层，也有 的无涂层。 单极式和复极式电解槽的结构
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一部分补充精制盐水后流回电解槽的阳极室，另一
部分进入淡盐水贮槽后，送往氯酸盐分解槽，用高纯盐
酸进行分解。分解后的盐水中，常含有少量盐酸残余，
将这种盐水再送回淡盐水贮槽，与未分解的淡盐水充分
混合并调节pH值在2以下，送往脱氯塔脱氯。最后送到
一次盐水工序去重新饱和。
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（4）较高的机械强度 离子膜必须具有较好的物理 性能。薄而不破，均一的强度和柔韧性。同时由干膜长 时间浸没在盐水中工作，它还须具有较小的膨胀率。 （5）使用方便性 膜的安装和拆卸应较方便。 （二）离子交换膜的种类 1、全氟羧酸膜（Rf-COOH） 全氟羧酸膜是一种具有弱酸性和亲水性小的离子交 换膜。膜内固定离子的浓度较大，能阻止OH-的反渗透， 因此阴极室的NaOH浓度可达35%左右。
二、精制盐水电解理论探究
四、几种离子膜电槽的认识
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一、离子膜法制碱原理 用于氯碱工业的离子交换膜,是一种能够耐氯碱
腐蚀的阳离子交换膜。在膜的内部有非常复杂的化学
结构，膜内存在固定离子和可交换的对离子两部分。
在电解NaCl水溶液时所使用的阳离子交换膜的膜体
中，活性基团是带负电荷的固定离子和一个带正电荷
浓度超过35-36％以后，膜中OH-离子浓度增大的影响就
起决定作用，OH-要反渗到阳极侧，使电流效率明显下降。
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阴极液中NaOH浓度对槽电压的影响，一般是浓度高
槽电压亦高。当碱浓度上升 1% 时，槽电压就要增加
0.014v。因此，长期稳定地控制阴极液中的 NaOH浓度
离子的迁移率有关。要使电流效率达到或接近100%，就
要使水合钠离子的迁移率接近1。然而，由于阴极液中
OH-离子的反渗透，OH-与阳极液中溶解氯发生副反应的
缘故，导致电流效率下降。同时也使氯中含氧升高。因
此，在生产中常采用在阳极室内加盐酸调整阳极液的pH
值的方法，来提高阳极电流效率，降低阳极液中NaClO3
的含量及氯中含氧量。
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如果膜的性能好，OH-离子几乎不反渗，则在阳极液内 就不必加盐酸。但是阳极液的酸度也不能太高，一般控制 pH值在2-5之间。因为当pH值小于2 时，溶液中H+离子会
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复极槽和单极槽之间的主要区别在于电槽的电路接 线方法不同。单极槽内部的各个单元槽是并联的，而各 个电解槽之间的电路是串联的。复极槽则相反，在槽内 各个单元槽之间是串联，而电解槽之间为并联。因此， 在单极槽内通过各个单元槽的电流之和即为通过一台单 极槽的总电流。而各个单元槽的电压则是和单极槽的电 压相等。即 I = I1+ I2+……+ In V = V1 = V2 =……= Vn 所以每台单极槽运转的特点是低电压、大电流。
NaCl含量增大。
同时，如果离子膜长期在低NaCl浓度下运行，还会
使膜膨胀、严重起泡、分离直到永久性的损坏（当阳
极液中 NaCl 浓度为 50g/L ）。但阳极液中 NaCl 浓度也
不宜太高，否则会引起槽电压上升。
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5、阳极液的pH值
离子膜法制碱的电流效率，几乎仅与离子膜中水合钠
层其它金属氧化物的活化层所构成的阳极。
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（二）阴极材料 阴极材料要具有耐氢氧化钠、氯化钠的腐蚀，导电 性能良好，氢在电极上的过电位要低等特点。钢是能符 合上述各种条件的较理想的阴极材料。 近几年来，国外已采用活性阴极，国内也有不少单 位在开始进行研究工作。所谓活性阴极，就是在碳钢阴 极表面涂上一层具有能降低氢的过电位的含镍合金（如 镍铅、镍、钴钨磷等活性涂层），从而达到进一步降低 电能消耗的目的。
是非常重要的。
4、阳极液中NaCl浓度的影响
如果阳极液中NaCl浓度太低对提高电流效率、降低
碱中含盐均不利。
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这主要是因为水合钠离子中结合水太多，使膜的含 水率增大的缘故。这样一方面由于阴极室的 OH- 离子
容易反渗透，导致电流效率下降；另一方面阳极液中
的Cl-离子也容易通过扩散迁移到阴极室，导致碱液中
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而且电流效率也较高，可达95%以上。它能置于PH＞ 3 的酸性溶液中，在电解时化学稳定性好。缺点是膜电阻 较大，在阳极室不能加酸，因此氯中含氧较高。 目前采用的羧酸膜是具有高／低交换容量羧酸层组成 的复合膜。电解时，面向阴极侧的是低交换容量的羧酸 层，面向阳极侧的是高交换容量的羧酸层。这样既能得 到较高的电流效率又能降低膜电阻，且有较好的机械强 度。
因此可在电解槽阳极室内加盐酸，以中和反渗的OH-。 这样所得的氯气纯度就高，一般含氧少于0.5%。
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3、金氟磺酸／羧酸复合膜（Rf-SO3H／Rf-COOH）
这是一种电化学性能优良的离子交换膜。在膜的两 侧具有两种离子交换基团，电解时较薄的羧酸层面向阴 极，较厚的磺酸层面向阳极。因此兼有羧酸膜和磺酸膜 的优点，它可阻挡OH-的反渗透，从而可以在较高电流效 率下制得高浓度的NaOH溶液。同时由于膜电阻较小，可 以在较大电流密度下工作。且可用盐酸中和阳极液，得 到纯度高的氯气。
在电解槽阴极室产生的氢气和浓度为32%左右的高纯
液碱，同样也经过分离器分离后，氢气进入氢气总管，
经氢气洗涤塔洗涤后，送至氢气使用部门。 32% 的高纯
液碱一部分作为商品碱出售，或送到蒸发工序浓缩。另
一部分则加入纯水后回流到电槽的阴极室。
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任务三 离子膜法电解二次精制盐水
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（2）优良的电化学性能 在电解过程中，为了降低槽 电压以降低电能的消耗，离子膜必须具有较低的膜电阻 和较大的交换容量。同时还须具有较好的反渗透能力， 以阻止OH-离子的渗透。 （3）稳定的操作性能 为了适应生产的变化，离子膜 必须能在较大的电流波动范围内正常工作，并且在操作 条件（如温度、盐水及纯水供给等）发生变化时，能很 快恢复其电性能。
下降。从图看出，如果盐水中SO42-离子浓度在4g／l以下
时，对电流效率无明显影响，但如超过5g／l则电流效率
就明显下降。
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（3）其它重金属离子的影响
盐水中Sr2+离子的存在对膜性能的影响见下图，从中可以 如何控制好盐水中
看出Sr2+ 离子对膜性能的影响比Ca2+要小一些，而且它还 的杂质离子含量 受到盐水中SiO2含量的影响。
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2、全氟磺酸膜（Rf-SO3H）
全氟磺酸膜是一种强酸型离子交换膜。这类膜的亲 水性好，因此膜电阻小，但由于膜的固定离子浓度低， 对OH-的排斥力小。因此，电槽的电流效率较低，一般小 于80%。且产品的NaOH浓度也较低，一般小于20%。但 它能置于PH=1的酸性溶液中，
利用进电槽的纯水量来调节。
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二、离子交换膜的性能和种类 （一）离子变换膜的性能 离子交换膜是离子膜制碱的核心要素，它必须具备 以下几个条件。 （1）高化学稳定性 在电解槽中离子膜的阴极侧接 触的是高温浓碱，而在阳极侧接触的是高温、高浓度的 酸性盐水和湿氯气。因此，它必须具备良好的耐酸耐碱 和耐氧化的性能。
少，所以提高盐水的浓度，可以减少氯气在阳极液中的
副反应，从而达到提高电流效率、降低电耗的目的。
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2、盐水中杂质含量
在离子膜法制碱技术中，进电槽的盐水质量是关键，
它对膜的寿命、槽电压和电流效率均有重要的影响。
(1) 钙、镁离子的影响
如前所述，盐水中的Ca2+，Mg2+及其它重金属离子，