离子膜电解法技术的介绍和应用

离子膜电解法又称膜电槽电解法,是利用阳离子交换膜将单元电解槽分隔为阳极室和阴极室,使电解产品分开的方法。离子膜电解法是在离子交换树脂(见离子交换剂)的基础上发展起来的一项新技术。利用离子交换膜对阴阳离子具有选择透过的特性,容许带一种电荷的离子通过而限制相反电荷的离子通过,以达到浓缩、脱盐、净化、提纯以及电化合成的目的。

这项技术已经用于氯碱的生产,海水和苦咸水的淡化,工业用水和超纯水的制备,酶、维生素与氨基酸等药品的精制,电镀废液的回收,放射性废水的处理等方面,其中应用最广泛、成效最显著的是氯碱工业。在氯碱工业中,利用阳离子交换膜电解槽电解食盐或氯化钾水溶液来制造氯气、氢气和高纯度的烧碱(氢氧化钠)或氢氧化钾。

1975年日本旭化成工业公司制成全氟羧酸型离子交换膜,首先实现离子膜电解法制烧碱,同年日本实现工业化生产。工艺流程经过两次精制的浓食盐水溶液连续进入阳极室[离子膜电解法生产流程]),钠离子在电场作用下透过阳离子交换膜向阴极室移动,进入阴极液的钠离子连同阴极上电解水而产生的氢氧离子生成氢氧化钠,同时在阴极上放出氢气。食盐水溶液中的氯离子受到膜的限制,基本上不能进入阴极室而在阳极上被氧化成为氯气。部分氯化钠电解后,剩余的淡盐水流出电解槽经脱除溶解氯,固体盐重饱和以及精制后,返回阳极室,构成与水银法类似的盐水环路。离开阴极室的氢氧化钠溶液一部分作为产品,一部分加入纯水后返回阴极室。碱液的循环有助于精确控制加入的水量,又能带走电解槽内部产生的热量。

离子膜电解槽根据供电方式的不同,分为复极式和单极式两种。复极式电解槽的各单元电解槽串联相接,电解槽的总电压为各个单元电解槽的电压之和;电路中各台电解槽并联。单极式电解槽的各单元电解槽并联相接,电解槽的总电流为各个单元电解槽的电流之和;电路中各台电解槽串联。有的离子膜电解槽为板式压滤机型结构[压滤机型离子交换膜电解槽结构]):在长方形的金属框内有爆炸复合的钛-钢薄板隔开阳极室和阴极室,拉网状的带有活性涂层的金属阳极和阴极分别焊接在隔板两侧的肋片上,离子膜夹在阴阳两极之间构成一个单元电解槽。大约100个左右的单元电解槽由液压装置组成一台电解器。另外,还有类似板式换热器的结构,由冲压的轻型钛板阳极、离子膜和冲压的镍板阴极夹在一起,构成单元电解槽。若干个单元电解槽夹在两块端板之间组成一台电解槽。

离子交换膜侧链上带有磺酸基和(或)羧酸基等阴离子官能团的全氟聚合物制成的薄膜。对离子膜的要求:①阳离子选择透过性好;②电解质扩散率低;③较高的化学稳定性和热稳定性;④机械强度高,不易变形;⑤电阻小。现代阳离子交换膜大多为聚氟烃织物增强的全氟磺酸-全氟羧酸复合膜。面向阳极的一侧为电阻较小的磺酸基;面向阴极的一侧为含水量低的羧酸基,能抑制氢氧离子向阳极室移动而提高电流效率,有的还处理成为粗糙的表面,或附有微孔状无机物薄膜,以增加全氟羧酸膜的亲水性,减少氢气泡在膜表面上的滞留。

这种膜适用于两极间距极小的所谓“零”极距或“膜”间隙的离子交换膜电解槽。特点①总能耗最低(与隔膜电解法和水银电解法相比),在4000a/m电流密度下,每吨烧碱的直流电耗为7.56~7.92gj(2100~2200kwh);②烧碱纯度高,50%的氢氧化钠碱液,含氯化钠50~60ppm;③无水银或石棉污染环境的问题;④操作、控制都比较容易;⑤适应负荷变化的能力较大;⑥要求用高质量的盐水;⑦离子膜的价格比较昂贵。现状和展望80年代初,先进的离子膜可在4000a/m的电流密度下运转,电流效率为95%~96%;可以直接生产浓度为35%的氢氧化钠,离子膜的使用寿命约为2年。由于离子膜法具有较多的优点,今后新建的氯碱生产装置一般将采用离子膜法。现有的水银法或隔膜法氯碱厂也会有一部分在技术改造时转换为离子膜法。