隔膜法電解

由于隔膜電解技術(shù)在氯堿工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用, 故以最新的制堿工藝———離子交換膜電解法為例來說明

其原理。用一陽離子交換膜分隔電解槽中陰陽極室, 構(gòu)成兩室電解槽, 向陽極室引入飽和NaCl 溶液, 陰極室引入蒸餾水, 在外加直流電場作用下, 陽極產(chǎn)生氯氣, 陰極上產(chǎn)生氫氣。由于陽離子交換膜的固定基團(R-SO^-₃-)帶負電荷, 它和溶液中的Na 離子異性電荷相吸, 結(jié)果只允許Na 離子通過, 而對Cl^-離子排斥, 于是Na 離子遷入陰極室, 它和OH^- 相結(jié)合, 生成NaOH。電極主要反應(yīng)為:

在陽極室:

NaCl==Na Cl ^- (1)

2Cl==Cl₂ 2e (2)

在陰極室上:

H₂O==H OH ^- (3)

2H 2e ==H² (4)

Na OH^-==NaOH (5)

以上是利用離子交換膜電解食鹽水生產(chǎn)堿的原理。

電極反應(yīng)一般為陰極室的陰極上發(fā)生的還原反應(yīng), 陽極室中的陽極上發(fā)生諸如釋放Cl₂ 的氧化反應(yīng)。

隔膜電解技術(shù)關(guān)鍵在于隔膜材料, 隔膜材料的高選擇性, 耐酸堿性和抗氧化性成為影響隔膜使用壽命的一個重要因素。目前隔膜電解技術(shù)中所采用的隔膜材料大致有以下幾種:石棉、滌綸布、尼龍篩網(wǎng)膜、素?zé)沾砂?、高分子陰陽離子交換膜等。除高分子陰陽離子交換膜外, 別的膜無選擇性, 而且膜電阻很高, 不能實現(xiàn)陰陽極區(qū)電解液的有效隔離, 從而使電解產(chǎn)物相混, 雜質(zhì)離子在電極上放電, 影響了電解效率。而高分子陰陽離子交換膜可以完全避免它們的不足之處, 但是目前隔膜電解所處的體系大都屬于強酸或強堿, 有的還呈現(xiàn)強氧化性, 而一般的陰陽離子交換膜正好耐酸堿和抗氧化性能很差, 因此研制能耐酸堿和抗氧化能力強的高性能離子交換膜, 改進膜的制備工藝, 降低膜的成本就成為今后一個主要研究方向。同時, 無機膜所特有的耐酸堿性和抗氧化能力強的特點, 因此考慮采

用這種新型的隔膜材料來用于隔膜電解這項技術(shù)中, 那么隔膜電解技術(shù)將會得到更為廣泛的應(yīng)用。

雖然隔膜電解技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用, 但是其應(yīng)用范圍還比較有限, 就目前而言, 已實現(xiàn)工業(yè)化的有:工業(yè)制堿、鎳的電解精煉、礦漿電解、凈化再生電鍍廢液、合成某些有機化合物等。因此利用隔膜電解技術(shù)制取某些重要的化工原料, 擴大礦漿電解的處理對象, 以及擴大處理廢水的種類和制造環(huán)保型電池等都將成為這門技術(shù)的發(fā)展方向。

隔膜法電解是目前電解法生產(chǎn)燒堿最主要的方法之一，所謂隔膜法是指在陽極與陰極之間設(shè)置隔膜，把陰、陽極產(chǎn)物隔開。隔膜是一種多孔滲透性隔層，它不妨礙離子的遷移和電流通過并使它們以一定的速度流向陰極，但可以阻止OH-向陽極擴散，防止陰、陽極產(chǎn)物間的機械混合。目前，工業(yè)上用的較多的是立式隔膜電解槽。陽極用石墨或金屬，陰極用鐵絲網(wǎng)或沖孔鐵板。當輸入直流電進行電解后，食鹽水溶液中的部分氯離子在陽極上失去電子生成氯氣并逸出。陽極溶液中剩下的鈉離子隨溶液一同向陰極遷移，流入陰極的電解液，其中的氫離子在陰極得到電子生成氫氣自電解槽陰極室逸出。由于氫離子不斷放電析出氫氣，從而進一步促使水電離。溶液中所剩的氫氧根離子與鈉離子形成堿溶液，與未電解的氯化鈉溶液一起不斷自電解槽中排出。新鹽水不斷得到補充，在電解槽的陽極室進行連續(xù)生產(chǎn)。