离子膜电解装置工艺学习共65页

交换膜具有特殊的选择透过性，只允许阳离子通 过而阻止阴离子和气体通过，即只允许 Ｈ＋、Ｎａ＋ 通过， 而 Ｃｌ－、ＯＨ－ 与两极产物 Ｈ２ 和 Ｃｌ２ 无法通过，因而起到 了防止阳极产物 Ｃｌ２ 和阴极产物 Ｈ２ 相混合而可能导 致爆炸的危险，还起到了避免 Ｃｌ２ 和阴极另一产物 ＮａＯＨ 反应而生成 ＮａＣｌＯ 影响烧碱纯度的作用。 2 电解工艺流程
[ 关键词] 离子膜电解；制碱；优势
[ 中图分类号] ＴＱ １１４．２６＋２
[ 文献标识码] Ｂ
[ 文章编号] １００３－５０９５（２０１０）０６－００５３－０２
离子膜法电解制碱是世界上工业化生产烧碱当 中最先进的工艺方法，具有能耗低、三废污染少、成本 低及操作管理方便等优点，是国家重点发展的七大工 程之一。其主要产品是烧碱，副产物氯气和氢气，可以 合成盐酸，两者都是最基础的化工原料，广泛应用于 洗涤剂、肥皂、造纸、印染、纺织、医药、染料、金属制 品、基本化工及有机化工工业。另外，氯气和氢气也是 化学工业的重要原料，广泛应用于无机和有机化工工业。
第 ３３ 卷第 ６ 期 ２０１０ 年 ６ 月
Ｖｏｌ．３３ Ｎｏ．６ Ｊｕｎ ． ２０１０
离子膜电解工艺
聂巨亮
（河北奇正环境科技有限公司，河北 石家庄 ０５００５１）
[ 摘 要] 离子膜法制烧碱是当今氯碱工业最新制碱技术。离子膜电解槽制出的液碱，浓度高、质量高、质量优、能耗少、无公
害、无石棉绒污染、投资省，因此离子膜法制烧碱工艺已成为世界氯碱工业的发展方向。
表1离子膜法隔膜法水银法制碱工艺特点比较项目水银法隔膜法离子交换膜法产品质量高低高能耗电2500kwht碱电3500kwht碱汽4tt碱电2300kwht碱生产成本高低生产稳定性差好工艺过程比离子膜法简单工艺流程较长但易配套盐水需纯化盐水质量要求高精制系统恢复复杂建设投资同等规模需有治理汞污染的配套设施投资大需锅炉蒸发等辅助设备小节省20占地同等规模大小节省50环境保护汞污染石棉绒铅及沥青污染环境污染较小

职业教育应用化工技术专业教学资源库《离子膜烧碱生产操作》课程案例教学内容离子膜电解槽电解精制盐水的操作⒈ 案例选取的内容⑴ 离子膜电解槽型号 BiTAC-859复极式离子膜电解槽⑵ 电极尺寸为1400×2340mm⑶ 阴阳极室内设计工作压差：350±20mmH 2O ⑷ 设计温度：0-100℃ （温差变化要缓慢） ⑸ 有效面积为3.276m 2⑹ 日产100%NaOH 的量：101.5t ⑺ 运行温度：82～88℃⑧ 板片材料 阳极：钛材（包括钛网与活性涂层）；阴极：镍材（包括镍网与活性涂层）⑨ 工作介质 阳极室含NaCl 量为250g/l 左右的盐水，并含有NaClO 3、NaClO 和新生态的Cl 2和少量的新生态的O 2；阴极室含30%左右的NaOH 溶液，并含有新生态的H 2。

⑩ 工作地点：离子膜烧碱生产精制盐水电解生产工序 ⑾ 完成任务的工作人员：顶岗实习的学生小赵、小阚与班长乙 其整体结构见图1所示。

图1 BiTAC-859复极式离子膜电解槽的基本结构示紧固螺阴极终端板电解单元单元取样阳极终端阳极液流出盐水入槽汇总压紧螺帽、弹性垫片槽框横梁槽框 阴极液流出管碱液入槽汇总管图2 离子膜电解槽阴阳极液气液分离装置⒉工作任务要求在二次盐水精制生产岗位上已经生产出含NaCl为310g/l左右，PH=8～10，总硬度为12PPb的合格盐水（Ca2++Mg2+≤20PPb），需要送入电解槽阳极室进行电解；另有合格的30%NaOH 的烧碱溶液和高纯水作为阴极室循环使用，现在准备离子膜电解开车的其他准备工作已由调度安排妥当，本岗位需要生产合格的烧碱产品。

工作时间：每天24小时连续生产。

⒊工作流程阴极液系统中的循环碱经流量控制阀调节适当的流量，加入适量的高纯水后，使之碱液的浓度在28%～30%，通过烧碱换热器加热或冷却循环碱液，确保电解槽的操作温度保持在85～90℃，送入电解槽底部的碱液分配器，进入电解槽底部的碱液分配器，分配到电解槽的每个阴极室进行电解。

三、烧碱电解工的主要技能要求有 哪些？ 1按工艺操作规程，熟练的进行本装置多岗位的正常
操作和开停车，具备对中间控制指标﹑消耗（如 电耗）和产品（氯气、氢气和电解碱液）质量指 标进行自检等工艺操作能力。 2正确地执行本装置多岗位的安全生产规程，发现、 判断、处理各种不正常现象和紧急事故，及时发 现和处理离子膜泄露、槽温过高氯气纯度、碱液 过低、槽电压过高、 碱浓度不合格等异常现象和 操作事故，分析其发生的原因。具备对中毒或受 伤人员进行救护（如氢气着火、氯氢混合气爆炸、 氯气中毒、烧碱灼伤等）等应变和事故处理能力。
• 淡盐水混合物通过软管汇集排入阳极液总管，并 在总管中进行气体和液体分离。 • 氯气在氯气总管中进行汇集后送入淡盐水储槽顶 部。在此，氯气中的水分被分离并滴落，然后氯 气被送往界外。氯气压力由自调阀控制。 • 淡盐水送入淡盐水储槽底部，然后用淡盐水循环 泵一部分经液位自调控制送往脱氯工序；另一部 分送往电解槽，进槽淡盐水流量由自动控制。 阴极液在阴极室电解产生氢气和烧碱，碱液进入 阴极液循环槽，通过阴极液循环泵一部分经阴极 液冷却器进入碱高位槽后，进入电槽，这部分电 解液进槽前加纯水稀释，纯水量自调由直流电和 碱串级控制；另一部分电解液经液位自调控制送 入碱冷却器冷却至约45℃后送往碱储槽，然后送 往罐区。
离子膜电解工艺流程设计
四组：姚山山 耿燕春 李国文 王宝明
一、简述离子膜电解工艺流程？
• 由二次盐水精制工序送来的精制盐水，通过盐水 高位槽，进入电解槽的阳极液进料总管。其流量 由每个电解槽的自调阀来控制，以保证阳极液的 浓度达到规定值。进槽值由送入每台电解槽的直 流电流进行串级控制。 • 浓度31%的高纯盐酸用来中和从阴极室通过离 子膜渗透到阳极室的OH-离子，盐酸经过自动调 节与阳极液一起送入阳极室。 • 精制盐水在阳极室中进行电解，产生氯气，同时 NaCL浓度降低。电解槽进、出口之间的NaCL分 解率为约50%。 • 每个阳极室都有两个挠性软管，一个连接进料总 管，另一个连接出料总管。电解后产生的氯气和

HClO＋NaOH→ 1 2
O2＋NaCl＋H2O
BiTAC-859复极式离子膜电解槽生产烧 碱的工艺流程
图3-20 电解精制盐水生产烧碱的工艺流程示意图
压力计
压力计
图3-10 旭硝子单极槽离子膜电解工艺流程简图
由一块阳极终端板，若干中间单元和一块阴极
N2 供
酸性溶液中，在电解时化学稳定性好，缺点是膜电阻
Na+可以与水溶液中的同电荷的
此，通过各个电解单元的电流之和就是通过这台单极电
渗透，因此阴极室的NaOH浓度可达35%左右。
由一块阳极终端板，若干中间单元和一块阴极
变松，从而造成许多微细弯曲的
图3-16 BiTAC-859复极式离子膜电解槽单元极板上电流流动形式示意图
废
氯
氯 气 总 管
气 总 管
淡
循
应
一、离子交换膜的种类
联的，各个单元的电流相等电解槽的总电压是各个电解
图3-21 电解槽紧密及针孔压力实验及水封罐
全氟羧酸/磺酸复合膜是一种性能优良的离子膜，使
6ClO-＋3H2O－6e→2ClO3-＋4Cl-＋6H+＋ O2
由用若的干 阳电离解子质交单换元膜组的成膜，体每中个有电活解性单基元团由，阳它极是、由离带子负交电换荷膜与阴电针极解孔槽实组气验成密工。及具 此，通过各个电解单元的电流之和就是通过这台单极电
工业应用案例—离子交换膜电解槽
一、离子交换膜电解槽的种类 工业上用的每一种槽型，每台电解槽都是
由若干电解质单元组成，每个电解单元由阳极、 离子交换膜与阴极组成。 按供电方式的不同，离子膜电解分为单
极式和复极式两大类。
工业应用案例—离子交换膜电解槽
整流器

原因 ＊ 没有确认膜的方向（ 阳阴极）
影响 发生水泡
膜的劣化・损伤
（例如） 电压上升
膜装反进行电解后膜的状态
电解条件 ： 阳阴极装反时 （磺酸层在阴极侧，羧酸层在阳极侧） 电流密度=4kA/m2, 槽温=90℃, 阴极液浓度=32％, 阳极液浓度=205g/l, 压差=0 , 运行天数=2
整个膜发生水泡
04/2/15
压差不足的影响
➢ 两极间的压差不足时，膜发生振动，容易接触到阴极阳极。膜被电极磨损 有时会形成针孔。
➢ 这一现象易发生在压差不足时，多出现在电槽上部以及阳极液出口附近。
这部分容易发生压差不足
盐水出口
盐水入口
由于压差不足膜的磨损及针孔 (1) 阴极侧
阴极侧
有被阴极磨损的痕迹，形成针孔。
离子膜培训资料
离子膜 离子膜构造
Sulfonate layer（磺酸层）
高机械强度 低电阻
PTFE web（芯材） 机械的强度 尺寸的稳定 抗拉伸
S2 S1 C
Carboxylate layer （羧酸层）
高离子选择性
阻止OH- 侵入 (高电流效率)
阻止Cl- 扩散 (低碱中含盐)
阳极面涂敷 促进Cl2、气泡剥离
阳极侧
阴极侧
阴极面涂敷 促进H2 气泡剥离
离子膜的规格和型号
• 日本旭化成公司F系列离子交换膜：F-4100、 F-4200、F-4600、F-4400
• 美国杜邦公司N系列离子交换膜：N-966、 N-2010、N-982
• 日本旭硝子公司系列离子交换膜：8020、 8030、8040
• 均为磺酸和羧酸的复合膜
上部垫片位置
压差过大发生盐泡的原因 (1)

离子交换膜法电解的工艺流程
离子交换膜法制取NaOH溶液、Cl2和H2的工艺流程如图所示。

离子交换膜法对盐水质量要求较高，因此，除需要进行一次精制（即与隔膜法盐水精制方法相同）外，还需再经过滤和螯合树脂吸附以进行二次精制，从而控制Ca2+、Mg2+等金属离子含量在0.05×10-6以下；悬浮物含量小于1×10-6；SO42-含量小于4～5g/L；游离氯含量小于0.1×10-6。

因为盐水中悬浮物的存在能使膜的电阻增加。

Ca2+、Mg2+等金属离子能在膜内产生氢氧化物并积聚于其中，使离子交换机能失效、电阻增加、电流效率下降。

由于游离氯的存在，不仅腐蚀设备和管路，而且还构成对环境的污染；ClO-还有阻碍Mg(OH)2、CaCO3的凝聚与沉降的不良作用；若ClO-放电，则必导致电流效率的下降。

综上所述，进行盐水的二次精制、严格按精盐水质量要求进行控制是十分必要的。

电解槽出来的阳极液（淡盐水）与Cl2分离后，一部分（约1/10），除去氯酸盐后回电解槽；大部分脱氯后送盐水一次精制工序进行重饱和。

从槽内流出的阴极液与H2分离后，烧碱浓度达30％以上。

可以直接作高纯烧碱使用；也可根据需要进行蒸发浓缩。

流程中设置有蒸发工序，以生产48％的液碱产品。

阴极液的一部分经补充去离子水后，循环回到电解槽的阴极室。

阴极碱液的循环有助于控制加入的水量，又能带走部分槽内产生的热量，有利于维持电解槽内的热平衡。

这些领域中，离子膜作为分离和纯化 设备的关键组件，能够实现离子的选 择性透过，提高产品质量和生产效率 。
04 离子膜的制备与改性
离子膜的制备方法
浸没沉淀法
将高分子溶液浸入沉淀剂中，通 过相分离形成凝胶，再经热处理
后得到离子膜。
拉伸法
将聚合物薄膜加热至熔融状态， 然后进行拉伸，使分子链沿拉伸 方向取向，形成具有微孔结构的
结构
离子膜一般由膜本体和活性层组成， 其中活性层是离子传输的主要区域， 而膜本体则为活性层提供机械支撑。
离子膜的电学性能
电导率
离子膜的电导率决定了电解过程的效率，电导率越高，电解 效率越高。
电阻
离子膜的电阻与其电导率成反比，电阻越小，电导率越高。
离子膜的选择透过性
阳离子选择透过性
离子膜对阳离子的透过具有选择性，只允许特定阳离子透过。
离子膜。
辐射接枝法
利用高能辐射引发聚合物表面上 的自由基，再通过自由基引发接 枝聚合反应，在聚合物表面形成 一层具有所需性能的接枝聚合物
膜。
离子膜的改性技术
化学改性
通过化学反应在离子膜表面引入 新的官能团或功能性基团，以改 善离子膜的分离性能和选择性。
物理改性
利用物理手段，如电晕处理、等离 子体处理、紫外光照射等，对离子 膜表面进行活化处理，提高膜表面 的亲水性和润湿性。
电镀工业中的应用
在电镀工业中，离子膜用于电镀 槽的隔膜，将阳极和阴极区域分
开。
离子膜能够阻止镀层金属离子的 迁移，从而控制镀层的厚度和均
匀性。
电镀工业中，离子膜的应用提高 了电镀效率和产品质量，降低了
生产成本。
其他领域的应用
离子膜在污水处理、海水淡化、食品 工业等领域也有广泛应用。

（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。 （5）使用方便性 膜的安装和拆卸应较方便。
2、离子交换膜的种类
按照活性基团的不同，分以下三种：
（1）全氟羧酸膜（Rf-COOH） （2）全氟磺酸膜（Rf-SO3H） （3）全氟磺酸／羧酸复合膜（Rf-SO3H／Rf-COOH）
增强纤维
阴极侧：
羧酸层
R-COOH
9
4、离子膜的工作原理
Cl－ Na＋
－－－ － －－
OH－
5、我国离子膜的发展现状
离子膜生产技术20世纪70年代引入中国。直到2010年， 我们国家氯碱生产的离子膜全部依赖进口。
• 2010年6月30日，随着东岳集团100%国产化的全氟离子 膜，在河北沧州大化黄骅（hua）氯碱厂万吨级氯碱装置 上一次通电成功，山东东岳集团向全世界宣告，历经8年 科研攻关，由“东岳”自主研发的氯碱用全氟离子膜实 现国产化。
子任务2：离子膜交换膜
1、离子交换膜的性能要求
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Βιβλιοθήκη 定性 具备良好的耐酸、耐碱和耐氧化的性能。
（2）优良的电化学性能 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。
（3）稳定的操作性能 必须能在较大的电流波动范围（电流密度）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。
• 目前东岳集团正在开发的DF2800系列氯碱离子膜是一 种具有牺牲纤维的离子膜，适合低电压、高电流密度运 行，而且，对盐水杂质具有更高的耐受性。 • 经过改进的DF2806膜陆续应用于营口三征、山东铝业、 上海氯碱、陕西金泰等单位，取得良好效果。

的分系统，一个分系统构成一个域，各域共享管理和操作数据，而每个域内
又是一个功能完整的DCS系统，以便更好的满足用户的使用。
※网络结构可靠性、开放性及先进性。在系统操作层，采用冗余的
100Mbps以太网；在控制层，采用冗余的100Mbps工业以太网，保证系统的
可靠性；在现场信号处理层，12Mbps的PROFIBUS总线连接中央控制单元和
各现场信号处理模块。
※标准的Client/Server结构。MACS系统的操作层采用Client/Server结构。
※开放并且可靠的操作系统。系统的操作层采用WINDOWS NT操作系统；
控制站采用成熟的嵌入式实时多任务操作系统QNS以确保控制系统的实时性、
安全性和可靠性。
※标准的控制组态软件。可以实现任何监测、控制要求。
槽碱液流量过低，那么相对应的整流器将会停止运行。同样如果对应 的稀盐水阀门意外打开，那么相随应的整流器也会停止运行。电解槽 的零点电位差应控制在±1V范围之内。当零点电位差达到±0.5V时， 报警系统需要报警。当电解槽零点电位差超过±1V时，进行联锁。生 产中可根据现场的实际情况来调整报警值及联锁值。
检查测试设备（检验精度） 检查引压管线是否阻塞或湿段较低部位被灌充阻塞 检验变送器是否正确标定 检验测量压力计算
数字压力变量读数不稳定
检查测量系统确定压力线路是否有故障设备 检验变送器对设备的开/关不能直接做出反应 检验测量阻尼是否正确设置
毫安读数不稳定
检验变送器的电源是否有足够的电压和电流 检查是否有外部电气干扰 检验变送器是否正确接地
DCS系统组件流程图
• DCS数据采集系统 KH DCS是一套运行于Windows平台上，能够快速
构造和生成上位机监控系统的组态软件。具有分散控制、集中管理的 特点。控制及数据采集均由KH系列各种型号仪表完成，上位机则对整 个工艺过程进行实时监 ，完成现场数据采集、实时和历史曲线记录、报警控制、打印等功能。 一、性能特点： 1、采用分散控制，上位机故障不影响下位机，下位机各仪表之间故 障不扩散，避免了因局部故障而造成的整个监控系统的崩溃。 2、良好的开放性、兼容性和可扩充性，用户可通过OPC、DDE、 ODBC等机制，自行开发应用程序。 3、庞大的标准图形库，完整的绘画工具及丰富的多媒体支持，能够 快速生成丰富生动的工程画面。 4、上位机配置全中文Microsoft Windows 98/ME/NT/2000/XP操作系 统，32M以上内存，4M以上显存15寸以上彩显，分辨率不低于 800×600，彩色喷墨打印机。

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论上通过电解池的电量为____(法拉第常数F＝9.65×104 C·mol－1，
列式计算)，最多能产生的氯气体积为_____L(标准状况)。
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2.如图为相互串联的甲乙两个电解池，
X、Y为直流电源的两个电极。电解
过程中，发现石墨电极附近先变红。
请回答：
(1)电源X极为________极(填“正”或“负”)，乙池中Pt
阴膜
阳膜
稀硫酸
KOH溶液
⑤淡化海水的一种方法是电渗析法，请画出原理示意 图，并说明如何得到淡水。
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(12北京)用Na2SO3溶液吸收SO2，当pH下降到约为6时， 用电解法再生。
①H2SO3在阳极放电的电极反应式是
。
②当阴极室中溶液pH升至8以上时，吸收液再生并循环利
用,简述再生原理。
则电解后所得溶液c(OH－PP)T＝学习_交_流______。
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电解原理的应用
氯碱工业 电镀 电解精炼 电冶金
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1、氯碱工业 电解饱和食盐水以制造烧碱、氯气和氢气的工业
电解
2H2O + 2NaCl = 2NaOH +H2↑ + Cl2↑
如何实现氯气和 NaOH溶液不反应？
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如何实现氯气和NaOH溶液不反应？
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离子交换膜法电解原理示意图
关于食盐水的精制
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2、电镀
⑴概念：应用电解原理在某些金属表面镀上一层其它金 属或合金的过程。
⑵电镀池的构成
①镀件作阴极 ②镀层金属作阳极 ③含镀层金属阳离子