氧阴极氯碱电解的发展现状及前景分析

徐得禄

摘 要：本文围绕氧阴极氯碱电解的相关议题进行了探讨，概述了氧阴极的基本原理，论述了氧阴极技术在氯碱工业中的发展现状，分析了氧阴极氯碱电解的发展前景，供相关人士参考。

关键词：氧阴极；氯碱电解

1 引言

氯碱产业是化工行业总产值的重要组成部分，比如氯碱产业中的烧碱被广泛应用与石油化工、纺织行业、冶金行业、造纸行业中；氯碱产业中的氯气不仅可以用于各种化学材料的生产，同时还可以用于水处理中，尤其在PVC生产、环氧氯丙烷生产以及聚碳酸酯生产方面占据重要的比重。氯碱技术最初是源自英国，自1951年首个电解食盐水专利技术的出现，氯碱技术也开始逐步走向工业化。随着氯碱产业化的发展，市场中形成了两大类方法即水银工业法和隔膜法。虽然这两类方法给氯碱市场发展带来了很大的推动作用，但是也同时引发一系列环境问题。随着环境保护问题越来越受到社会民众的重视，水银法逐渐淡出了市场。自此隔膜法有了飞快的发展，随着离子交换技术的发展，这一技术与隔膜法充分结合形成了更加高效的氯碱生产工艺，被市场广泛接受并得到快速的普及应用。

2 氧阴极基本原理

氧阴极是一种新型的离子膜电解技术，目前已经在氯碱产业中得到越来越普遍的应用。相对于普通的离子膜电解技术，氧阴极的电解槽中使用的离子膜与普通技术的离子膜差别不大，但是在阴极侧有着明显的差异。由于氧阴极技术是在阴极区域供应纯O2，因此可以促使阴极表面的H+与O2发生反应。发生电子交换的过程是基于电解液的水环境条件下，催化剂与O2接触加速了电子交换的速率。反应式为：O2 +H2O+2e→2OH-，阴极E0 =0.401V。由于氧阴极电解槽阴极侧几乎不产生H2，因而可以有效降低阴极侧的放电电位，实现电解压的降低，使电解所需的能耗减少，在成本控制方面给生产企业带来了福音。

3 氧阴极电解技术在氯碱工业中的发展现状

对于氧阴极电解技术来说，主要的关键点在于氧阴极的电极，而氧阴极电极技术与离子膜材料、催化剂的选择、催化剂的制备、电解装置几大因素有关。近年来，关于氧阴极电极技术的研究也慢慢增多。在催化剂的选择和研制方面，需要具备一定的要求，除了催化剂拥有良好的亲水和疏水孔隙结构，尽可能多的有效反应面积之外，还需要催化剂在浓碱环境中具有良好的化学稳定性，具备较好的机械稳定性，以及良好的电导率。此外，在原料及制作成本上还应更具经济性。过去一段时期，催化剂大多是单一型的金属化合物催化剂，但是，在高温浓碱的环境下，这些催化剂往往活性受到较大的不利影响，在反应效率方面不够理想。目前越来越多的复合型催化剂开始应用与氯碱工业中。比如北京化工大学与蓝星北京化工机械有限公司联合研制的纳米碳材料负载型金属复合催化剂成功应用于氧阴极电解技术中，不仅适应性更强，而且拥有较好的稳定性，有效保障的催化反应速率。在离子膜技术研究方面，目前市场上已经出现了高端有牺牲芯材的离子膜，不仅在较高的电流密度条件下同样有效，适合30%～32%烧碱的生产，同时对于电解液杂质也有很高的耐受性，对于不同类型的电解槽适应性更强。在离子膜电解装置方面，近年来一些新建的氯碱项目通常采用先进的膜极距复极式离子膜电解装置，通过柔性电极技术、弹性网技术以及支持网技术的协同配合，使膜极距结构得到有效控制，实现电解槽结构工艺的优化。将电解槽内部设计成气液两相流道结构，成功解决了阳极气液两相的分离以及湍流排放的难题。利用耐腐蚀材料来对电解槽结构的性能进行加强，特别是密封面间隙腐蚀性问题和边框腐蚀性问题得到了很大的改善。对阴极涂层配方进行优化，延长电解槽的使用寿命。随着国家节能环保政策的提出以及各项法规标准的实施，膜极距离子膜电解工艺的节能改造正在加快进行中，目前已经在氯碱产业中基本完成过半，随着离子膜电解装置及工艺节能改造过程的推进，各种新技术也会继续涌现。

4 氧阴极氯碱电解前景分析

随着我国氯碱技术的不断发展，更多节能环保的工艺技术从实验室走到产业化。在经历了隔膜电解法，标准离子膜电解法，再到氧阴极电解法，对于氯碱产业的发展来说，在节能方面是一个不断降低的过程。随着节能降耗理念的兴起，氧阴极电解技术在未来将有很大的发展空间。在其发展过程中，对于盐水的精制技术，电解的方法以及膜技术等方面都会有随之进入快速发展的通道。从目前的发展现状来看，电解方法正在从离子膜电极技术全面走向氧阴极电解技术，同时随着燃料电池技术的快速发展，未来可能会与燃料电池技术形成竞争或融合的发展趋势。在膜技术发展方面，目前正在从基础的离子膜或改性隔膜走向复合型金属膜，表面涂层离子膜以及带牺牲纤维离子膜，未来膜市场会被这些性能更综合且更优异的膜所替代。此外，随着科学技术的快速更迭，未来将有各种新材料和新方法问世，比如目前纳米材料和納米技术正在不断渗透到氯碱工业中，未来的氧阴极电解工艺将会与这些新材料新技术不断融合，使电解装置更加优化，使氯碱生产更加安全可靠，更加环保高效。

5 结语

我国是名副其实的氯碱生产大国，随着我国国家产能合作战略的推进，“一带一路”沿线产业对接将给我国氯碱生产企业带了跟多的市场空间。面对这一机遇，氯碱生产企业应该从科研技术攻关，新材料和新技术应用方面入手，不断提高氧阴极电解技术水平，使氯碱产业能够早日走上节能环保可持续性发展的道路上，推动我国化工产业健康蓬勃的发展。

参考文献：

[1]刘建路，潘玉强，李强等.副产物氯化氢利用技术新进展[J].广州化工，2012，40（17）.