离子膜烧碱生产原理

离子膜烧碱生产原理

烧碱生产是以超纯盐水为原料，在离子交换膜电解槽中进行强烈的电化学反应而生成的。

在阳极室中氯化钠按下列方式在溶液中进行电离:

NaCl → Na+ + Cl-

主要阳极反应为阴离子Cl-在阳极上发生氧化生成氯气

2Cl-→ Cl

2

+ 2e-

阳极室的Na+和水通过离子交换膜一起传输到阴极室.

阴极室的水在电流的作用下发生如下的电解反应:

2H

2O + 2e-→ H

2

+ 2OH-

阴极室最开始的反应是阳离子H+得到电子被还原为H

2

，同时产生OH-。

Na+和OH-结合生成NaOH:

Na+ + OH-→ NaOH

整个电化学反应方程式如下:

2NaCl + 2H

2O → 2NaOH + Cl

2

+ H

2

为了调节阴极室中NaOH的浓度在NaOH循环管中加入纯水

淡盐水和Cl

2

一起排放出阳极室外。

阴极室中产生的烧碱和H

2

一起排放出阴极室外。

把循环碱液用纯水稀释后重新加到阴极室中。

上述电化学反应如图1所示

在电解进行过程中，由于阳极中的一部分Cl-透过了离子交换膜进入阴极室，阴极液就受到了少量盐的污染。一般来说，膜的电流效率越低，阴极液的盐污染程度就越高。

电解时，由于OH-在电场作用下由阴极室向阳极室移动，我们称之为OH-反渗透。Na+传输量的减少取决于OH-的透过离子膜的多少。电解槽电流效率的减少和OH-的减少直接有关。当阴极室OH-浓度增加时，电流效率减少。因此所生产烧碱的浓度受到限制，一般为32-35wt%此外，还要取决所用膜的类型。

新装膜原理上只允许Na+和少量的OH-和Cl-透过。实际上膜都有一定的使用寿命，随着膜工作时间的增加，阴离子透过膜的量也相应增加，槽的电流效率下降，阳极室由于下面的副反应PH值增加:

电化学副反应

·H

2

O被氧化产生氧气

H 2O → 1/2O

2

(g) + 2H+ + 2e-

化学副反应

一、阳极侧

·氯气溶解但不发生分解呈自由状态

Cl

2(g) ＜＝＞ Cl

2

(aq) ……平衡式(1)

·游离氯和水结合

Cl

2(aq)+ H

2

O ＜＝＞ HOCl(aq) + H+ + Cl-……平衡式(2)

·次氯酸的分解

HOCl(aq) ＜＝＞ OCl－ + H+……平衡式(3) ·式(2)和(3)结合形成下面的反应

Cl

2(aq) + H

2

O ＜＝＞ 2H+ + OCl－ + Cl-……平衡式(4)

·ClO3-生成

2HOCl(aq) + OCl－＜＝＞ ClO3- + 2H+ + Cl-……平衡式(5) ·式(4)和(5)结合形成下面的反应

3Cl

2(aq) + 3H

2

O ＜＝＞ ClO

3

- + 6H+ + 5Cl- ……平衡式(6)

·副反应生成的H+和从阴极箱扩散过来的OH-发生中和反应

H+ + OH- → H

2

O

·超纯盐水中的碳酸钠和阳极中的H+反应生成氯化钠和二氧化碳，二氧化碳的生成将导致气体的不纯。

Na

2CO

3

+ 2HCl → 2NaCl + H

2

O + CO

2

NaHCO

3+ HCl → NaCl + H

2

O + CO

2

正常情况下，烧碱的电流效率为94～97%，而阳极室中氯气的电流效率为92.5～97%.

同时，阴极室中产生氢气的电流效率几乎为100%。

当阳极和阴极分别产生氯气和氢气时，由电极反应产生的吉布斯自由能变化可能产生电极势能，离子交换膜工艺允许的击穿电压如下表所示:

组成电压(V)

分解电压 2.25

液体合流点 0.06

阳极过电压 0.04

阴极过电压 0.13

膜电压 0.33

溶液 0.02

气体影响+构件 0.23

总电压 3.06

此种情况是在电流4.0kA/m2，温度90℃,浓度为32wt%NaOH.

上述电压是在电解槽元件刚安装时阳极和阴极的输出电压。在实际的操作中，由于下列情况的出现将导致电压降损失。

·阳极活性降低

·阴极活性降低

·超纯盐水中的杂质覆盖在了阳极表面

·超纯盐水中的杂质增加了膜的电阻压降

·由于电流效率减小，产生了氧气