隔膜法电解

由于隔膜电解技术在氯碱工业中得到了广泛的应用, 故以最新的制碱工艺———离子交换膜电解法为例来说明

其原理。用一阳离子交换膜分隔电解槽中阴阳极室, 构成两室电解槽, 向阳极室引入饱和NaCl 溶液, 阴极室引入蒸馏水, 在外加直流电场作用下, 阳极产生氯气, 阴极上产生氢气。由于阳离子交换膜的固定基团(R-SO^-₃-)带负电荷, 它和溶液中的Na 离子异性电荷相吸, 结果只允许Na 离子通过, 而对Cl^-离子排斥, 于是Na 离子迁入阴极室, 它和OH^- 相结合, 生成NaOH。电极主要反应为:

在阳极室:

NaCl==Na Cl ^- (1)

2Cl==Cl₂ 2e (2)

在阴极室上:

H₂O==H OH ^- (3)

2H 2e ==H² (4)

Na OH^-==NaOH (5)

以上是利用离子交换膜电解食盐水生产碱的原理。

电极反应一般为阴极室的阴极上发生的还原反应, 阳极室中的阳极上发生诸如释放Cl₂ 的氧化反应。

隔膜电解技术关键在于隔膜材料, 隔膜材料的高选择性, 耐酸碱性和抗氧化性成为影响隔膜使用寿命的一个重要因素。目前隔膜电解技术中所采用的隔膜材料大致有以下几种:石棉、涤纶布、尼龙筛网膜、素烧陶瓷板、高分子阴阳离子交换膜等。除高分子阴阳离子交换膜外, 别的膜无选择性, 而且膜电阻很高, 不能实现阴阳极区电解液的有效隔离, 从而使电解产物相混, 杂质离子在电极上放电, 影响了电解效率。而高分子阴阳离子交换膜可以完全避免它们的不足之处, 但是目前隔膜电解所处的体系大都属于强酸或强碱, 有的还呈现强氧化性, 而一般的阴阳离子交换膜正好耐酸碱和抗氧化性能很差, 因此研制能耐酸碱和抗氧化能力强的高性能离子交换膜, 改进膜的制备工艺, 降低膜的成本就成为今后一个主要研究方向。同时, 无机膜所特有的耐酸碱性和抗氧化能力强的特点, 因此考虑采

用这种新型的隔膜材料来用于隔膜电解这项技术中, 那么隔膜电解技术将会得到更为广泛的应用。

虽然隔膜电解技术得到了较为广泛的应用, 但是其应用范围还比较有限, 就目前而言, 已实现工业化的有:工业制碱、镍的电解精炼、矿浆电解、净化再生电镀废液、合成某些有机化合物等。因此利用隔膜电解技术制取某些重要的化工原料, 扩大矿浆电解的处理对象, 以及扩大处理废水的种类和制造环保型电池等都将成为这门技术的发展方向。

隔膜法电解是目前电解法生产烧碱最主要的方法之一，所谓隔膜法是指在阳极与阴极之间设置隔膜，把阴、阳极产物隔开。隔膜是一种多孔渗透性隔层，它不妨碍离子的迁移和电流通过并使它们以一定的速度流向阴极，但可以阻止OH-向阳极扩散，防止阴、阳极产物间的机械混合。目前，工业上用的较多的是立式隔膜电解槽。阳极用石墨或金属，阴极用铁丝网或冲孔铁板。当输入直流电进行电解后，食盐水溶液中的部分氯离子在阳极上失去电子生成氯气并逸出。阳极溶液中剩下的钠离子随溶液一同向阴极迁移，流入阴极的电解液，其中的氢离子在阴极得到电子生成氢气自电解槽阴极室逸出。由于氢离子不断放电析出氢气，从而进一步促使水电离。溶液中所剩的氢氧根离子与钠离子形成碱溶液，与未电解的氯化钠溶液一起不断自电解槽中排出。新盐水不断得到补充，在电解槽的阳极室进行连续生产。