离子膜法氯碱技术的发展及建议

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采用离子膜法制造高浓度烧碱, 从理论上讲, 只要减少或停止向阴极室供应纯水就可以实现。但 是碱浓度的上升, 一方面会导致膜含水率的下降, 引起膜电阻的上升, 导致槽电压升高; 同时还会使 OH - 的反渗透速度加快, 引起电 流效率下降, 其 结果是引起能耗的上升。另一方面离子膜阴极一侧 材料羧酸树脂层的官能团会逐渐分解而得不到稳定 的电解性能, 采用羧酸之外的树脂又难以得到高的 电流效率。
耗由最初的 1 t NaOH 消耗 2 700 kW h 降到目前的 2100kW h 左右, 电解碱浓度则由最初的 23% 提高 到现在的 30% ~ 35% 。当前离子膜技术的发展主 要有如下几方面。 2 1 1 低电耗膜
在实际应用中, 离子膜的电阻值 ( 或电导度) 高低对能耗的影响很大。在期望获得膜的高性能的 同时, 也希望获得高 电导度 ( 即低电 阻) 的离子 膜。而影响膜电导度的主要内因 ( 排除外界溶液、 温度等因素) 有膜材料的性质、结构等。
图 1 离子交换容量对膜电导的关系 ( 碱的质量分数 35% , 90 ! )
( 2) 膜中增强材料对膜电阻的影响 为了改善 膜的物理机械性能, 在复合膜制造中要加入增强材 料, 这些增强材料的加入将遮蔽一部分膜的导电面 积, 从而引起膜电阻的上升。
( 3) 在膜中引入羧酸层的影响 通过复合或化 学改性的方法, 可以在 膜的阴极一侧 引入羧酸基 团, 从而提高制碱时的电流效率, 而且电流效率随 羧酸层厚度增加而提高, 但羧酸层厚度的增加会使 膜电阻上升 ( 见图 2) 。
图 2 膜的羧酸来自百度文库厚度对电流效率 及电阻的影响
2 1 2 高电流密度下使用的膜 提高电流密度可以提高烧碱产量, 有明显的经
济效益。但是电流密度的提高将不可避免地导致槽 电压上 升 和电 流 效率 下 降。图 3 即 反 映了 这 种 情况。
图 3 电流密度与膜电压降的关系
目前, 电流密度高达 10 kA / m2 的离子膜已经 研制出来, 它同以前使用的电流密度小于 4 kA/ m2 的膜相比, 槽电压升高不多。可以预计, 将来的趋 势是在保证槽电压基本不变的前提下, 使这种高电 流密度的离子膜尽快投入商业运行。 2 1 3 高浓度烧碱用膜
收稿日期 2002- 10- 09; 修改稿日期 2003- 05- 18。 第一作者简介 吴楼涛( 1960 ) , 男, 高级工程师, 从事技术和管 理工作。电话 025- 3587192。
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吴楼涛等: 离子膜法氯碱技术的发展及建议
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用离子膜法生产的。 由于国际上离子膜法氯碱生产的快速发展, 促
阳两电极直接与离子膜接 触, 极间距 只有膜的厚 度。两个电极不固定, 可以拆卸。它主要由以下部 分组成 ( 见图 5) [ 2] 。零极距电解槽比常极距、小 极距电解槽的槽电压要低 50 mV 左右。
图 5 零极距离子膜电解槽示意图 ( a) 块状集电装置; ( b) 柔性集电装置;
( c) 可拆卸电极; ( d) 离子交换膜
极和阳极之间的距离称为极间距, 减小极间距, 可 以降低槽电压, 进而降低电解电耗。电解槽的技术 进步一方面是由常极距、小极距向零极距、膜 电
极一体化的方向发展; 另一方面是通过改变电极反 应机理, 降低电解槽的理论分解电压来达到降低槽 电压的目的。
2 2 1 零极距电解槽 零极距电解槽又称为膜极距电解槽, 就是阴、
文中介绍了离子膜法氯碱生产技术的发展情况, 展望 了电解 槽和离子 膜的发 展趋势, 对中国离 子膜制 碱技术 的
研究开发提出了建议。
关键词 离子膜, 氯碱技术, 发展, 建议
中图分类号 T Q 114
文献标识 码 A
文章编号 1000- 6613( 2003) 08- 0876- 05
离子膜法制氯碱即利用离子交换膜作隔膜采用 电解法生产烧碱和氯气、氢气的简称, 也称为离子 交换膜法制氯碱。它与传统的水银法和隔膜法制碱 比较, 主要具有如下优点。
图 4 旭硝子高浓度膜的基本结构
表 1 高浓度膜的性能
制碱质量 盐水浓度 电流密度 电流效 极间电 碱中含盐
分数/ % / g L- 1 / kA m2 率/ %
压/ V 量/ mg L- 1
50
210
3 93~ 95 3 25~ 3 35 5~ 15
2 2 电解槽 传统的电解槽由阴极、阳极和离子膜组成, 阴
使相关的技术和设备公司加紧研究和开发离子膜法 氯碱生产的成套技术和设备, 并大举向世界市场扩 张。至 2000 年, 国外 8 家拥有离子膜法氯碱生产 成套技术设备的公司已经有 7 家登陆中国大 陆市 场。过去因为价格太高而无法进入中国的德国伍德 公司, 也采取策略, 与意大利迪诺拉公司合并成立 了伍迪 ( U hdenora) 公司, 降低设备和技术的销售 价格, 于 2001 年成功进入中国。这 样, 国际上 8 家拥有这项技术和设备的公司已经全部进入了中国 市场。 1 2 国内发展概况
目前, 中国通过消化引进技术已经具备了制造 离子膜法氯碱生产的关键设备 电解槽的能力, 但还没有形成标准化的成套离子膜法氯碱生产核心 技术和装备。离子膜制碱的另一关键配套部件 离子膜仍然被美国和日本的 3 家公司所垄断, 每年 必须花大量的外汇来购买, 大大增加了烧碱生产成 本, 使中国氯碱企业在与发达国家的竞争中处于不 利地位。
( 1) 组成膜的高 聚物的离 子交换容 量 ( IEC) 的影响 组成膜的高聚 物如全氟磺酸树脂的 IEC 值影响膜的含水率的高低, 并因此影 响膜的电导 度, 从图 1 可以看出, 当碱浓度一定时, 膜的 IEC 值增加, 膜的电导度上升, 相应地膜电阻下降; 同 时 M1 膜和 M2 膜的分子侧链结构不同, 表现出的 电导度也不同。但过高的 IEC 值会引起膜的机械 强度的减弱[ 2] 。
( 1) 烧碱质量高 成品烧碱含盐30~ 50 mg/ kg, 可满足化纤、制药等行业对高纯烧碱的质量要求。
( 2) 能耗低 国外离子膜法氯碱生产, 吨碱综 合能耗 ( 蒸汽消耗折算计入电耗中) 为 2 250 kW h, 比隔膜法的平均 3 200 kW h 节省 950 kW h[ 1] 。
( 3) 投资省 离子膜法氯碱生产比水银法制碱 节省投资 10% ~ 15% , 比石棉隔膜法制碱 节省投 资 15% ~ 25% 。




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CHEM ICA L I NDU ST RY A ND ENG IN EERIN G PR OGRESS
2003 年第 22 卷第 8 期
离子膜法氯碱技术的发展及建议
吴楼涛 李永刚
( 中国石化江汉油田分公司, 潜江 433121)
摘 要 离子膜法氯碱 生产具有 产品 质量高、 能耗低 、投资 省等优 点, 近十 多年 来在 国内外 得到 了快速 发展。
十多年来, 中国的离子膜法氯碱生产技术也得 到了快速发展。1986 年 6 月, 中国第一套 从日本 旭化成公司引进的离子膜法氯碱生产装置在甘肃盐 锅峡化工厂投产, 结束了中国 没有离子膜碱 的历 史。此后, 黑龙江齐齐哈尔化工厂、上海天原化工 厂、天津大沽化工厂、北京化工二厂等厂家也陆续 开始引进国外成套技术和设备, 至 1988 年全国已 具备 1 00 kt / a 离子膜法烧碱的生产能力。到 1998 年, 中 国 离子 膜 法 烧碱 已 占全 部 烧 碱总 产 量 的 21% 。2001 年, 全国已有 57 家离子膜法氯碱生产 厂, 年烧碱生产能力达 200 多万吨, 占全国氯碱总 产能的近 1/ 3。
2 离子膜法氯碱技术发展展望
在离子膜法氯碱生产装置中, 离子膜和电解槽 是核心设备, 它们的使用状况直接关系到离子膜法 氯碱生产的技术水平, 关系到氯气和烧碱产品的质 量。因此, 世界各国都非常重视离子膜和电解槽的 研发工作, 并不断取得进展。 2 1 离子膜
自从 20 世纪 70 年代全氟离子交换膜在氯碱工 业生产中得到应用以来, 通过膜体结构的改进、电 解槽和电解条件的合理设计等, 离子膜法电解的电
( 4) 无污染 离子膜法氯碱生产没有废物, 不 存在水银法制碱的汞污染和隔膜法制碱的石棉废物 等污染问题。
( 5) 氯气纯度高 通常氯气纯度> 99% , 是很 好的有机氯生产原料。
( 6) 氢气纯度高 通常氢气纯度> 99% , 可直 接用于要求高纯氢的场合。
该法自 20 世纪 70 年代末工业化以来得到了快 速发展, 是当今国际上最先进的氯碱生产技术。近 十多年来, 中国离子膜法氯碱生产通过成套技术引 进、消化吸收和推广应用, 不仅替代了可能带来汞 污染的水银法制碱, 而且替代了部分早期建设的老 化了的隔膜法制碱装置, 满足了国内对高品质烧碱 的要求。
随着科学技术的迅猛发展, 大量的新材料、新 工艺、新方法在离子膜结构、电解槽设计和电解工 艺等方面应用, 给离子膜法氯碱生产注入了新的活 力。本文作者在介绍离子膜法制氯碱发展历程和发 展方向的基础上, 对中国离子膜法氯碱生产技术的 发展提出了建议。
1 离子膜法氯碱生产的发展概况
1 1 世界发展概况 20 世纪 60 年代, 国外一些公司开始研究离子
因此, 在低电耗膜的研究过程中, 要综合考虑 膜的 IEC 值、机械强度、羧酸层厚度等 因素, 使 离子膜既具有较低的膜电压, 又具有良好的物理和 化学性能。
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2003 年第 22 卷
旭硝子公司正在研制的一种高浓度烧碱专用膜 结构, 见图 4。这种膜的特点是: 在膜的羧酸层外 设置了一层浓度调节层, 以防止羧酸树脂层直接接 触高浓度烧碱。其实验性能见表 1。相信在不久的 将来即可以实现工业化应用。
( 2) 镍阴极导电系统。 ( 3) 钛阳极导电系统。 SPE 电解槽比零极距和有极距电解槽的槽电压 还要 低 150 ~ 200 mV, 是电 解 槽结 构 上 的 一 次 飞跃。
图 6 SPE 电解槽示意图 a, a∀ 柔性集电装置; b, b∀ 块状集电装置
2 2 2 SP E 电解槽 SPE 电解槽是基于膜- 电极一体化技术开发出
来的一种新型电解槽, 主要由以下几部分构成 ( 见
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吴楼涛等: 离子膜法氯碱技术的发展及建议
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图 6) 。 ( 1) 离子交换 膜及结合 在膜上的 两层电催 化
剂, 一层是存在于阳极面上的析氯电催化剂, 另一 层是存在于阴极面上的析氢电催化剂。
膜法氯碱生产技术。1966 年, 美国杜邦 ( Dupont) 公司开发了化学稳定性好, 用于宇宙燃料电池的全 氟磺酸阳离子交换膜, 并于 1972 年以后开始转为 民用。这种膜能耐电解食盐水制氯碱时高温、高腐 蚀介质的苛刻条件, 为离子膜法氯碱技术的工业化 奠定了基础。1975 年, 日本旭化成 ( Asahi Kasei) 公司首次将离子膜应用于氯碱生产中, 实现了离子 膜法氯碱生产的工业化。此后, 发达国家竞相研究 离子膜法 氯碱生产技术, 并取得了很 大进展。目 前, 国外有 8 家公司掌握了包括生产电解槽在内的 成套的膜法氯碱生产技术。它们是日本的旭化成、 旭 硝 子 ( Asahi Glass ) 、 氯 工 程 ( Chlorine Engineering Company ) 、德 山曹 达 ( DS) , 美 国的 西方 化 学 ( Oxy chem ) , 英 国 的 Ineos ( 原 ICI, Imperial Chemical Indust ry) , 德国的伍德 ( U hde) 和意大利的 迪诺拉 ( De Nora) 公司。与此 同时, 离子膜法烧碱 占世界烧碱总产量的比 例也不断上 升。1987 年, 离子膜 法烧碱占世界烧碱总产量的 10% , 1990 年上升到 18% , 1993 年达到 23 6% , 1997 年达到 30% 。预计到 2005 年, 离子膜法烧碱 将占世界烧碱总产量的 40% 。离子膜法制碱在能 源费用较高的地区发展更加迅速。如在亚太地区, 1995 年的离子膜法烧碱已经占该地区全部烧碱总 产量的 67 5% 。1999 年日本几乎全部的烧碱都是
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