双极膜装置在硫酸钠制碱的工业化应用

李景林(中盐吉兰泰盐化集团有限公司, 内蒙古 乌斯太经济开发区 750336)

双极膜装置在硫酸钠制碱的工业化应用

李景林(中盐吉兰泰盐化集团有限公司, 内蒙古 乌斯太经济开发区 750336)

原有的双极膜装置制碱因存在电流效率低、能耗高等不足，因此我们进行改进，选用自主研制的BPM2型双极膜装置，其双极膜采用国产膜，单极膜采用专用阻酸阻碱膜，进行了工业化制碱实验，在预设600A/m2(总电流150A)进行恒流操作下，电流效率为70%，产碱能耗为1800kWh/t，产碱综合成本比传统离子膜法制碱成本大幅度下降，为硫酸钠制碱的大型工业化生产打下了基础。

双极膜;制碱;硫酸钠;应用

1 双极膜

双极膜又被称作双极性膜，是一种特种离子交换膜，它具有特殊功能，它是由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。其特点是在直流电场作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H+和OH-并分别通过阴膜和阳膜，作为H+和OH-离子源。双极膜电渗析技术应用相当广泛，在食品、化工等行业和环境保护等领域均得到了很好的应用。把双极膜电渗析技术应用于有机酸或有机碱的生产或再生过程中，除了其产生的NaOH或HCl可以回收并利用于其生成过程中，而且还能实现有机酸盐或有机碱盐的转化。正因此项技术的先进性能，所以它被视为是一种可持续发展的技术。

在欧州等国家，双极膜制备无机酸碱早已实现了工业化。在我国当前制备碱的过程中，有离子膜制备碱和双极膜法制碱等方法。随着制碱技术的不断发展，双极膜法制碱技术优势逐渐凸现出来。相对于目前离子膜法制碱，双极膜法制碱可以用硫酸钠为原料，而且其能耗低、亦无氯气污染，是制碱业的发展趋势。离子膜法制备碱其主要是利用电极反应，而双极膜法制碱是利用水解离，其解离电压是离子膜制备碱的1/3，只需要1V左右，而离子膜制碱则需要3.5V以上，可见其耗能很低，在生成等量碱所需的电耗是离子膜法制碱的一半左右，其总体上节能达到30%以上。

由于国内高性能双极膜与相应的双极膜装置在近几年才出现，因此可供研究的双极膜法制碱大型工业化应用案例还没有参考指标。 但是随着制碱技术的不断日臻完善，我国的国产双极膜性能与规格也在不断提高，并已实现规模化生产。而新BPM2型双极膜装置是以此为基础，其单个膜组器的有效膜面积可达15～50m2，能为400×800mm的双极膜配套使用。这种新型双极膜装置具有防漏电，防内、外漏的特点，因此它受外界的干扰因素影响较小，其试验数据较为准确。

如今，BPM2型双极膜装置其材料和配件均已实现了国产化，等达到一定规模时，双极膜的生产成本和硫酸钠制碱的成本都会有所下降，这些有利因素都为双极膜法硫酸钠制碱的成本降低打下了良好基础。基于此，本实验以硫酸钠为原料进行制备氢氧化钠与硫酸，对膜品种、电流效率、转化率、碱浓度、制碱能耗进行了研究与讨论。

2 工业化制碱实验

2.1 原料准备与测定方法

制碱实验的原料为硫酸钠，分析纯试剂是氢氧化钠和盐酸，纯净水为实验用水。测定方法是根据钠离子与硫酸根的浓度来确定硫酸钠浓度，并计算出电流效率与能耗等相关数据。

2.2 实验测试

国产双极膜装置为实验所用装置，是400mm×800mm、三隔室、60组的BPM2-2500型膜组器，膜组器有效膜面积为15m2，料液浓度为10%的硫酸钠溶液。所用电流密度分别是500、600、800、1000A/m2，在上述条件下对硫酸钠溶液进行双极膜制碱试验。

2.3 过程与原理

试验中采用的电源是稳压稳流电源，使用的水箱是加厚PP水箱，使用三隔室双极膜法制碱设备，除碱液管路为PP材质外，其余均采用的是UPVC材质，水泵使用的是四氟磁力泵，膜组器采用BPM2型系列双极膜电渗析装置，BPM2-200、BPM2-500、BPM2-2500是BPM2型设备，实验室规格、中试放大规格、工业化规格分别对应的是单组有效膜面积分为0.02、0.05、0.25m2规格。本研究采用的是60组、BPM2-2500型三隔室双极膜电渗析装置，有效膜面积为15m2。

3 实验结果与探讨

通过实验，我们得出了不同型号的膜与电流效率、电流密度、能耗、成本之间的相互关系。

3.1 与电流效率的关系

我们分别采用不同型号的单极膜、双极膜进行双极膜制碱试验，硫酸钠溶液为10%的浓度，电流密度为600A/m2(150A)，在产碱浓度达到每升80g的条件下对比电流效率的影响。从试验中得知，不同型号的膜对碱浓度和电流效率的影响很大。用普通的单极膜远不如专用单极膜，国产的双极膜与进口的双极膜在性能上相差无几。从试验也看出，采用专用单极膜和国产双极膜相组合进行硫酸钠制碱的工业化试验，提高了产碱浓度和电流效率，同时也降低了生产成本。

（文章题目：双极膜装置在硫酸钠制碱的工业化应用）

3.2 电流密度与能耗的关系

在试验中，进行硫酸钠制碱我们分别采用了不同的电流密度，来进行观察。从试验中得知，在电费按每度电0.6元计，产碱浓度为70g/L的条件下，电流密度增大的同时，产碱膜能耗消耗也在增大，相对应的的直流电源等其他设备投资也会加大，二者呈正比例方向发展。同时，还发现由于电流密度增大，其温度上升也较快，这种情况下会减少膜的使用寿命。

3.3 与生产成本的关系

从试验中得知，不同的电流密度对膜的寿命及碱设备折旧成本均有很大影响。电流密度的增大会造成双极膜成本减小，但是能耗却呈上升趋势，也会加大直流电源设备的投资成本。因此，要控制好电流密度是降低成本的关键。从综合效果看，一般情况下电流密度为500～1000A/m2。另外，膜的成本控制也是重点对象，换膜成本在整个双极膜设备中占60%左右，按有效膜面积为一万元每平方米计算，直流电源设备的寿命为10年计算，电流密度可以根据膜价格与电费价格而定，从而得出计算结果。从计算结果可知，膜的寿命大于2年，产碱生产成本就会低于传统的离子膜法，如果实现产业规模化，其成本仍有下降空间，这就为双极膜法产碱的工业化推广打下了可靠的基础。

3.4 时间对制碱能耗的影响

在实验中，我们采用的电流密度为600A/m2(150A)，料液浓度为10%的硫酸钠溶液，因此其运行时间较长。由于采用的硫酸钠里面有少许钙镁离子和杂质，膜在设备运行中会污染，因此要在不加电流的情况下进行循环清洗，清洗完毕后继续运行，因此把握好时间会降低制碱能耗。

4 结语

本研究以降低生产综合成本为评价标准，在优化双极膜电渗析各种参数的基础上，得到了以下结果：在600A/m2(总电流150A)的条件下进行恒流操作，利用60组的BPM2-2500装置进行生产实验，最终结果是电流效率为70%，产碱能耗为1800kWh/t，产碱综合成本为2135元/吨，低于传统离子膜法的2300～2500元/吨的成本。

双极膜离子法制碱，在降低生产成本、保护环境等方面具有很大的优势，它是传统的离子膜法无法比拟的，因为原有的离子膜制碱无法使用硫酸钠作为原料制酸碱。本文所采用的膜面积为15m2，是工业化生产装置，其操作过程和得出的数据都具有实际意义和参考价值。这些数据中，有的已经填补了国内双极膜法硫酸钠制酸碱的工业化生产的空白，对规模化生产提供了有益的借鉴。双极膜制碱如果再从膜的成本上降低，把过程进一步优化，将很快实现双极膜法大面积取代离子膜法制碱的目标，前景亦十分广阔，

[1]金可勇，周勇.BPM2型双极膜电渗析装置的研制[J].水处理技术，2010年2期.

[2]廖尚志，莫剑雄.双极膜制酸碱的实验[J].水处理技术，2011年3期.

[3]谢鸿芳.双极膜技术在环境工程中的应用与展望[J].广州化学，2012年1期.

[4]刘洪涛，刘杰.双极膜法软化海水制备酸碱的研究[J].盐业与化工，2012年6期.

李景林(1972- )，男，汉族，内蒙古赤峰人，研究生学历，中盐吉兰泰盐化集团有限公司工作，副高级化工工程师。研究方向：化工工艺。