雙極膜裝置在硫酸鈉制堿的工業化應用

李景林(中鹽吉蘭泰鹽化集團有限公司, 內蒙古 烏斯太經濟開發區 750336)

雙極膜裝置在硫酸鈉制堿的工業化應用

李景林(中鹽吉蘭泰鹽化集團有限公司, 內蒙古 烏斯太經濟開發區 750336)

原有的雙極膜裝置制堿因存在電流效率低、能耗高等不足，因此我們進行改進，選用自主研制的BPM2型雙極膜裝置，其雙極膜采用國產膜，單極膜采用專用阻酸阻堿膜，進行了工業化制堿實驗，在預設600A/m2(總電流150A)進行恒流操作下，電流效率為70%，產堿能耗為1800kWh/t，產堿綜合成本比傳統離子膜法制堿成本大幅度下降，為硫酸鈉制堿的大型工業化生產打下了基礎。

雙極膜;制堿;硫酸鈉;應用

1 雙極膜

雙極膜又被稱作雙極性膜，是一種特種離子交換膜，它具有特殊功能，它是由一張陽膜和一張陰膜復合制成的陰、陽復合膜。其特點是在直流電場作用下，陰、陽膜復合層間的H2O解離成H+和OH-并分別通過陰膜和陽膜，作為H+和OH-離子源。雙極膜電滲析技術應用相當廣泛，在食品、化工等行業和環境保護等領域均得到了很好的應用。把雙極膜電滲析技術應用于有機酸或有機堿的生產或再生過程中，除了其產生的NaOH或HCl可以回收并利用于其生成過程中，而且還能實現有機酸鹽或有機堿鹽的轉化。正因此項技術的先進性能，所以它被視為是一種可持續發展的技術。

在歐州等國家，雙極膜制備無機酸堿早已實現了工業化。在我國當前制備堿的過程中，有離子膜制備堿和雙極膜法制堿等方法。隨著制堿技術的不斷發展，雙極膜法制堿技術優勢逐漸凸現出來。相對于目前離子膜法制堿，雙極膜法制堿可以用硫酸鈉為原料，而且其能耗低、亦無氯氣污染，是制堿業的發展趨勢。離子膜法制備堿其主要是利用電極反應，而雙極膜法制堿是利用水解離，其解離電壓是離子膜制備堿的1/3，只需要1V左右，而離子膜制堿則需要3.5V以上，可見其耗能很低，在生成等量堿所需的電耗是離子膜法制堿的一半左右，其總體上節能達到30%以上。

由于國內高性能雙極膜與相應的雙極膜裝置在近幾年才出現，因此可供研究的雙極膜法制堿大型工業化應用案例還沒有參考指標。 但是隨著制堿技術的不斷日臻完善，我國的國產雙極膜性能與規格也在不斷提高，并已實現規模化生產。而新BPM2型雙極膜裝置是以此為基礎，其單個膜組器的有效膜面積可達15～50m2，能為400×800mm的雙極膜配套使用。這種新型雙極膜裝置具有防漏電，防內、外漏的特點，因此它受外界的干擾因素影響較小，其試驗數據較為準確。

如今，BPM2型雙極膜裝置其材料和配件均已實現了國產化，等達到一定規模時，雙極膜的生產成本和硫酸鈉制堿的成本都會有所下降，這些有利因素都為雙極膜法硫酸鈉制堿的成本降低打下了良好基礎。基于此，本實驗以硫酸鈉為原料進行制備氫氧化鈉與硫酸，對膜品種、電流效率、轉化率、堿濃度、制堿能耗進行了研究與討論。

2 工業化制堿實驗

2.1 原料準備與測定方法

制堿實驗的原料為硫酸鈉，分析純試劑是氫氧化鈉和鹽酸，純凈水為實驗用水。測定方法是根據鈉離子與硫酸根的濃度來確定硫酸鈉濃度，并計算出電流效率與能耗等相關數據。

2.2 實驗測試

國產雙極膜裝置為實驗所用裝置，是400mm×800mm、三隔室、60組的BPM2-2500型膜組器，膜組器有效膜面積為15m2，料液濃度為10%的硫酸鈉溶液。所用電流密度分別是500、600、800、1000A/m2，在上述條件下對硫酸鈉溶液進行雙極膜制堿試驗。

2.3 過程與原理

試驗中采用的電源是穩壓穩流電源，使用的水箱是加厚PP水箱，使用三隔室雙極膜法制堿設備，除堿液管路為PP材質外，其余均采用的是UPVC材質，水泵使用的是四氟磁力泵，膜組器采用BPM2型系列雙極膜電滲析裝置，BPM2-200、BPM2-500、BPM2-2500是BPM2型設備，實驗室規格、中試放大規格、工業化規格分別對應的是單組有效膜面積分為0.02、0.05、0.25m2規格。本研究采用的是60組、BPM2-2500型三隔室雙極膜電滲析裝置，有效膜面積為15m2。

3 實驗結果與探討

通過實驗，我們得出了不同型號的膜與電流效率、電流密度、能耗、成本之間的相互關系。

3.1 與電流效率的關系

我們分別采用不同型號的單極膜、雙極膜進行雙極膜制堿試驗，硫酸鈉溶液為10%的濃度，電流密度為600A/m2(150A)，在產堿濃度達到每升80g的條件下對比電流效率的影響。從試驗中得知，不同型號的膜對堿濃度和電流效率的影響很大。用普通的單極膜遠不如專用單極膜，國產的雙極膜與進口的雙極膜在性能上相差無幾。從試驗也看出，采用專用單極膜和國產雙極膜相組合進行硫酸鈉制堿的工業化試驗，提高了產堿濃度和電流效率，同時也降低了生產成本。

（文章題目：雙極膜裝置在硫酸鈉制堿的工業化應用）

3.2 電流密度與能耗的關系

在試驗中，進行硫酸鈉制堿我們分別采用了不同的電流密度，來進行觀察。從試驗中得知，在電費按每度電0.6元計，產堿濃度為70g/L的條件下，電流密度增大的同時，產堿膜能耗消耗也在增大，相對應的的直流電源等其他設備投資也會加大，二者呈正比例方向發展。同時，還發現由于電流密度增大，其溫度上升也較快，這種情況下會減少膜的使用壽命。

3.3 與生產成本的關系

從試驗中得知，不同的電流密度對膜的壽命及堿設備折舊成本均有很大影響。電流密度的增大會造成雙極膜成本減小，但是能耗卻呈上升趨勢，也會加大直流電源設備的投資成本。因此，要控制好電流密度是降低成本的關鍵。從綜合效果看，一般情況下電流密度為500～1000A/m2。另外，膜的成本控制也是重點對象，換膜成本在整個雙極膜設備中占60%左右，按有效膜面積為一萬元每平方米計算，直流電源設備的壽命為10年計算，電流密度可以根據膜價格與電費價格而定，從而得出計算結果。從計算結果可知，膜的壽命大于2年，產堿生產成本就會低于傳統的離子膜法，如果實現產業規模化，其成本仍有下降空間，這就為雙極膜法產堿的工業化推廣打下了可靠的基礎。

3.4 時間對制堿能耗的影響

在實驗中，我們采用的電流密度為600A/m2(150A)，料液濃度為10%的硫酸鈉溶液，因此其運行時間較長。由于采用的硫酸鈉里面有少許鈣鎂離子和雜質，膜在設備運行中會污染，因此要在不加電流的情況下進行循環清洗，清洗完畢后繼續運行，因此把握好時間會降低制堿能耗。

4 結語

本研究以降低生產綜合成本為評價標準，在優化雙極膜電滲析各種參數的基礎上，得到了以下結果：在600A/m2(總電流150A)的條件下進行恒流操作，利用60組的BPM2-2500裝置進行生產實驗，最終結果是電流效率為70%，產堿能耗為1800kWh/t，產堿綜合成本為2135元/噸，低于傳統離子膜法的2300～2500元/噸的成本。

雙極膜離子法制堿，在降低生產成本、保護環境等方面具有很大的優勢，它是傳統的離子膜法無法比擬的，因為原有的離子膜制堿無法使用硫酸鈉作為原料制酸堿。本文所采用的膜面積為15m2，是工業化生產裝置，其操作過程和得出的數據都具有實際意義和參考價值。這些數據中，有的已經填補了國內雙極膜法硫酸鈉制酸堿的工業化生產的空白，對規模化生產提供了有益的借鑒。雙極膜制堿如果再從膜的成本上降低，把過程進一步優化，將很快實現雙極膜法大面積取代離子膜法制堿的目標，前景亦十分廣闊，

[1]金可勇，周勇.BPM2型雙極膜電滲析裝置的研制[J].水處理技術，2010年2期.

[2]廖尚志，莫劍雄.雙極膜制酸堿的實驗[J].水處理技術，2011年3期.

[3]謝鴻芳.雙極膜技術在環境工程中的應用與展望[J].廣州化學，2012年1期.

[4]劉洪濤，劉杰.雙極膜法軟化海水制備酸堿的研究[J].鹽業與化工，2012年6期.

李景林(1972- )，男，漢族，內蒙古赤峰人，研究生學歷，中鹽吉蘭泰鹽化集團有限公司工作，副高級化工工程師。研究方向：化工工藝。