CN113830740B - 一种基于电渗析技术的双极膜制备酸碱的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电渗析技术的双极膜制备酸碱的方法，它属于离子交换膜技术领域。本发明在盐酸浓缩液箱与氢氧化钠浓缩液箱中分别注入纯水，在碳酸氢钠脱盐液箱与碳酸氢盐浓缩液箱中分别配置初始5％浓度碳酸氢钠溶液，通过提升泵，经保安过滤器向高浓氯化钠脱盐液箱注入高含氯化钠浓水，双极膜电渗析采用特殊结构的五通道模块，由双极膜、一二价选择性阴膜和标准阳膜组装而来。本发明使用高含氯化钠浓水与碳酸氢钠作为原料，实现了盐的资源化利用，同时避免了双极膜制碱时二价阳离子进入碱室形成结垢污堵，以及选用一二价选择性阴膜，提高了盐酸纯度。

Description

一种基于电渗析技术的双极膜制备酸碱的方法
技术领域
本发明涉及一种方法，尤其是涉及一种基于电渗析技术的双极膜制备酸碱的方法，其目的在于解决双极膜制碱时避免二价阳离子进入碱室形成结垢污堵，降低维护成本，它属于离子交换膜技术领域。
背景技术
离子交换摸是电膜过程的“心脏”，通常是由骨架状有机高分子聚合物或无机高分子聚合物所构成的膜状物和附着在骨架上的固定离子基团构成。当离子基团是阴离子时，阳离子可以与其中的阴离子基团结合，进入膜内，在直流电场的作用下，阳离子可在膜内沿电场方向向阴极方向迁移，进而到达膜的另一侧，而阴离子由于同电相斥原理，而不能进入并穿过该膜，简言之，它只允许阳离子通过，所以这种膜被称为阳离子交换膜，与之相反，当离子基团是阳离子时，它只允许阴离子通过，故此称之为阴离子交换膜。
双极膜是在同一张离子交换膜上，一侧带有固定阴离子基团(称之为阳离子交换层)，而另一侧带有固定阳离子基团(称之为阴离子交换层)它的这一结构赋予了该膜的一些特殊性能。一方面阴离子和阳离子均不能穿过该膜，另一方面，它能把水分子离解成H+和OH-，并在直流电场作用下，分别从阳离子交换层和阴离子交换层迁出，该膜称之为双极膜。
离子交换膜从1890年发现至今已有100多年的发展史，国内外已开发出了多个品种，并在化工生产、海水综合利用、脱盐等方面得到了广泛应用，特别是上世纪八十年代双极膜的工业化，使离子交换膜的应用领域得到了大大的拓宽，并使离子交换膜应用的经济性、合理性、全面性实现了突破性进展，它的应用将给一些化工产品生产、化工及冶金工业废水处理、生化、有机电化学、工业废气等多个领域带来革命性的变化；它的应用将改变基础化工原料的产业结构；它的应用会使一些大量使用酸碱的行业的酸碱实现循环利用成为可能；它的应用对化工、冶金清洁生产技术的进步起到独特的关键性的作用，它使企业对污水和废气进行彻底治理的同时，不但不会增加企业的负担，而且还会降低产品的生产成本，提高产品质量，给企业带来更高的经济效益，使企业真正达到零排放。总之，双极膜的应用，对节能减排，发展循环经济，节约资源，提高资源利用率，解决保护环境与发展经济之间的矛盾都具有重大深远的战略意义。
烧碱(氢氧化钠)的制备方法有两种：苛化法和电解法。现代工业主要通过电解饱和NaCl溶液来制备烧碱。电解法又分为水银法、隔膜法和离子膜法，我国目前主要采用的是隔膜法和离子膜法，这二者的主要区别在于隔膜法制碱的蒸发工序比离子膜法要复杂，而离子膜法多了淡盐水脱氯及盐水二次精制工序。目前国内的烧碱生产主要采用的是离子膜电解法生产烧碱，烧碱制法可分为整流、盐水精制、盐水电解、液碱蒸发、氯氢处理、固碱生产和废气吸收工序等七个流程。
双极膜电渗析法，其双极膜是一种新型复合离子交换膜，它是由阳离子交换层、阴离子交换层以及中间的界面亲水层复合而成的，当双极膜施加电压时，带电离子就会从两种离子交换层的过渡区向两边的主体溶液发生迁移，阴、阳膜的界面层因离子耗竭而形成高电势梯度，水分子发生解离产生H+和OH-。从而制取酸碱，相对于传统离子膜电解，它具有运行能耗低、设备投资低以及可直接制取酸碱的优点。但在其制碱的同时，碱室中会进入二价阳离子，如Ca2+、Mg2+，会与OH-结合形成Ca(OH)2与Mg(OH)2沉淀，造成结垢，污堵膜堆。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理，实现了盐的资源化利用，同时避免了双极膜制碱时二价阳离子进入碱室形成结垢污堵，以及选用一二价选择性阴膜，提高了盐酸(HCl)纯度的基于电渗析技术的双极膜制备酸碱的方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该基于电渗析技术的双极膜制备酸碱的方法，其特征在于：具体步骤如下：在盐酸(HCl)浓缩液箱与氢氧化钠(NaOH)浓缩液箱中分别注入纯水，在碳酸氢钠(NaHCO3)脱盐液箱与碳酸氢盐浓缩液箱中分别配置初始5％浓度碳酸氢钠(NaHCO3)溶液，通过提升泵，经保安过滤器向高浓氯化钠(NaCl)脱盐液箱注入高含氯化钠(NaCl)浓水，双极膜电渗析采用特殊结构的五通道模块，由双极膜、一二价选择性阴膜和标准阳膜组装而来，在高含氯化钠(NaCl)浓水进入双极膜电渗析单元C通道的同时，5％浓度碳酸氢钠(NaHCO3)溶液分别从双极膜电渗析单元D、E通道进入，在开启电源以后，双极膜电渗析的五个通道将分别形成C和D两个脱盐液通道，A、B和E三个浓缩液通道，并且通过循环泵一直在电渗析单元内循环；C通道的高含氯化钠(NaCl)浓水含盐量不断下降，达到设定目标值以后由该水箱溢流到下一级处理单元处理；D通道的5％浓度碳酸氢钠(NaHCO3)溶液浓度也不断下降，达到设定目标值以后由该水箱溢流回到碳酸氢钠(NaHCO3)箱，再由碳酸氢钠(NaHCO3)箱通过提升泵，经保安过滤器向碳酸氢钠(NaHCO3)脱盐液箱供给高浓度的碳酸氢钠(NaHCO3)溶液；在A、B和E通道中分别形成三股浓缩液，其中A通道是由C通道中的Cl-与A通道中解离出的H+结合成的盐酸(HCl)腔室，经浓缩至8％浓度由盐酸(HCl)浓缩液箱溢流到下一级处理；其中B通道是由D通道中的Na+与B通道中解离出的OH-结合成的氢氧化钠(NaOH)腔室，经浓缩至8％浓度由氢氧化钠(NaOH)浓缩液箱溢流到下一级处理；其中E通道是由C通道中的Na+与D通道中的HCO3 -结合成的碳酸氢钠(NaHCO3)腔室，值得一提的是，高含氯化钠(NaCl)浓水中还会存在一定量的Ca2+、Mg2+，这样，在C通道中还会存在Ca2+、Mg2+，则E通道是由C通道中的Na+、Ca2+、Mg2+与D通道中的HCO3 -结合成的碳酸氢钠(NaHCO3)、碳酸氢钙(Ca(HCO3)2)和碳酸氢镁(Mg(HCO3)2)的碳酸氢盐腔室；经浓缩至10％浓度，由碳酸氢盐浓缩液箱溢流，经氢氧化钠(NaOH)调节pH至9，再经加热分解，碳酸氢钠(NaHCO3)、碳酸氢钙(Ca(HCO3)2)和碳酸氢镁(Mg(HCO3)2)分解成碳酸钠(Na2CO3)、碳酸钙(CaCO3)和碳酸镁(MgCO3)流入沉淀箱中，此时沉淀箱中的沉淀物为碳酸钙(CaCO3)和碳酸镁(MgCO3)，上清液为碳酸钠(Na2CO3)溶液，通入CO2转变成碳酸氢钠(NaHCO3)溢流至碳酸氢钠(NaHCO3)箱。
作为优选，本发明所述双极膜电渗析的五通道模块中五股溶液分别被离子交换膜分隔，均不互相接触；五通道电渗析在外加直流电场的作用下，制得高纯度的盐酸与氢氧化钠溶液。
作为优选，本发明采用一二价选择性阴膜，将高含氯化钠(NaCl)浓水中硫酸根(SO4 2-)截留，提高盐酸(HCl)纯度。
作为优选，本发明对于处理高含硫酸钠(Na2SO4)浓水时，将一二价选择性阴膜更换为普通阴膜，可制得硫酸(H2SO4)与氢氧化钠(NaOH)溶液。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：使用高含氯化钠(NaCl)浓水与碳酸氢钠(NaHCO3)作为原料，实现了盐的资源化利用，同时避免了双极膜制碱时二价阳离子进入碱室形成结垢污堵，以及选用一二价选择性阴膜，提高了盐酸(HCl)纯度。
附图说明
图1是本发明实施例基于电渗析技术的双极膜制备酸碱的流程简图。
图2是本发明实施例制备酸碱原理图。
图3是本发明实施例制备酸碱***简图。
图中标记及名次解释：A：一二价选择性阴离子交换膜；C：阳离子交换膜；Cl-：氯离子；Ca2+：钙离子；HCO3 -：碳酸氢根离子；Na+：钠离子；BM：双极膜；Mg2+：镁离子；H+：氢离子；OH-：氢氧根离子；CO2：二氧化碳。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例
参见图1至图3，本实施例基于电渗析技术的双极膜制备酸碱的具体步骤如下：在盐酸(HCl)浓缩液箱与氢氧化钠(NaOH)浓缩液箱中分别注入纯水，在碳酸氢钠(NaHCO3)脱盐液箱与碳酸氢盐浓缩液箱中分别配置初始5％浓度碳酸氢钠(NaHCO3)溶液，通过提升泵，经保安过滤器向高浓氯化钠(NaCl)脱盐液箱注入高含氯化钠(NaCl)浓水，双极膜电渗析采用特殊结构的五通道模块，由双极膜、一二价选择性阴膜和标准阳膜组装而来，在高含氯化钠(NaCl)浓水进入双极膜电渗析单元C通道的同时，5％浓度碳酸氢钠(NaHCO3)溶液分别从双极膜电渗析单元D、E通道进入，在开启电源以后，双极膜电渗析的五个通道将分别形成C和D两个脱盐液通道，A、B和E三个浓缩液通道，并且通过循环泵一直在电渗析单元内循环；C通道的高含氯化钠(NaCl)浓水含盐量不断下降，达到设定目标值以后由该水箱溢流到下一级处理单元处理；D通道的5％浓度碳酸氢钠(NaHCO3)溶液浓度也不断下降，达到设定目标值以后由该水箱溢流回到碳酸氢钠(NaHCO3)箱，再由碳酸氢钠(NaHCO3)箱通过提升泵，经保安过滤器向碳酸氢钠(NaHCO3)脱盐液箱供给高浓度的碳酸氢钠(NaHCO3)溶液；在A、B和E通道中分别形成三股浓缩液，其中A通道是由C通道中的Cl-与A通道中解离出的H+结合成的盐酸(HCl)腔室，经浓缩至8％浓度由盐酸(HCl)浓缩液箱溢流到下一级处理；其中B通道是由D通道中的Na+与B通道中解离出的OH-结合成的氢氧化钠(NaOH)腔室，经浓缩至8％浓度由氢氧化钠(NaOH)浓缩液箱溢流到下一级处理；其中E通道是由C通道中的Na+与D通道中的HCO3 -结合成的碳酸氢钠(NaHCO3)腔室，值得一提的是，高含氯化钠(NaCl)浓水中还会存在一定量的Ca2+、Mg2+，这样，在C通道中还会存在Ca2+、Mg2+，则E通道是由C通道中的Na+、Ca2+、Mg2+与D通道中的HCO3 -结合成的碳酸氢钠(NaHCO3)、碳酸氢钙(Ca(HCO3)2)和碳酸氢镁(Mg(HCO3)2)的碳酸氢盐腔室；经浓缩至10％浓度，由碳酸氢盐浓缩液箱溢流，经氢氧化钠(NaOH)调节pH至9，再经加热分解，碳酸氢钠(NaHCO3)、碳酸氢钙(Ca(HCO3)2)和碳酸氢镁(Mg(HCO3)2)分解成碳酸钠(Na2CO3)、碳酸钙(CaCO3)和碳酸镁(MgCO3)流入沉淀箱中，此时沉淀箱中的沉淀物为碳酸钙(CaCO3)和碳酸镁(MgCO3)，上清液为碳酸钠(Na2CO3)溶液，通入CO2转变成碳酸氢钠(NaHCO3)溢流至碳酸氢钠(NaHCO3)箱。
本实施例主要创造点是：采用特殊构造的五通道双极膜电渗析模块，将高含氯化钠(NaCl)浓水中的Cl-与双极膜解离出H+的离子进行重新结合，制得8％浓度的盐酸(HCl)；将碳酸氢钠(NaHCO3)溶液中的Na+与双极膜解离出OH-进行重新结合，制得8％浓度的氢氧化钠(NaOH)；高含氯化钠(NaCl)浓水中的Na+、Ca2+、Mg2+与碳酸氢钠(NaHCO3)溶液中的HCO3 -进行重新结合，制得10％浓度的碳酸氢钠(NaHCO3)、碳酸氢钙(Ca(HCO3)2)和碳酸氢镁(Mg(HCO3)2)的混合溶液，该混合溶液再经投加氢氧化钠(NaOH)调节pH至9后加热分解，溶液中的碳酸氢钙(Ca(HCO3)2)和碳酸氢镁(Mg(HCO3)2)转变成碳酸钙(CaCO3)和碳酸镁(MgCO3)沉淀，消除了Ca2+、Mg2+进入到碱室中造成结垢污堵的影响，碳酸氢钠(NaHCO3)经加热分解转变为碳酸钠(Na2CO3)，后再经通入CO2，使碳酸钠(Na2CO3)转变为碳酸氢钠(NaHCO3)，作为碳酸氢钠(NaHCO3)脱盐液箱的补给溶液。值得一提的是，采用一二价选择性阴膜，可以将高含氯化钠(NaCl)浓水中硫酸根(SO4 2-)截留，提高盐酸(HCl)纯度。
本实施例个通道中五股溶液分别被离子交换膜分隔，均不互相接触。五通道电渗析在外加直流电场的作用下，制得高纯度的盐酸与氢氧化钠溶液。
本实施例采用一二价选择性阴膜，来提高盐酸纯度。
本实施例制得的10％浓度的碳酸氢钠(NaHCO3)、碳酸氢钙(Ca(HCO3)2)和碳酸氢镁(Mg(HCO3)2)的混合溶液，该混合溶液再经投加氢氧化钠(NaOH)调节pH至9后加热分解，溶液中的碳酸氢钙(Ca(HCO3)2)和碳酸氢镁(Mg(HCO3)2)转变成碳酸钙(CaCO3)和碳酸镁(MgCO3)沉淀，消除了Ca2+、Mg2+进入到碱室中造成结垢污堵的影响，碳酸氢钠(NaHCO3)经加热分解转变为碳酸钠(Na2CO3)，后再经通入CO2，使碳酸钠(Na2CO3)转变为碳酸氢钠(NaHCO3)，作为碳酸氢钠(NaHCO3)脱盐液箱的补给溶液。
本实施例对于处理高含硫酸钠(Na2SO4)浓水时，将一二价选择性阴膜更换为普通阴膜，可制得硫酸(H2SO4)与氢氧化钠(NaOH)溶液。
通过上述阐述，本领域的技术人员已能实施。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于电渗析技术的双极膜制备酸碱的方法，其特征在于：具体步骤如下：在盐酸浓缩液箱与氢氧化钠浓缩液箱中分别注入纯水，在碳酸氢钠脱盐液箱与碳酸氢盐浓缩液箱中分别配置初始5％浓度碳酸氢钠溶液，通过提升泵，经保安过滤器向高浓氯化钠脱盐液箱注入高含氯化钠浓水，双极膜电渗析采用特殊结构的五通道模块，由双极膜、一二价选择性阴膜和标准阳膜组装而来，在高含氯化钠浓水进入双极膜电渗析单元C通道的同时，5％浓度碳酸氢钠溶液分别从双极膜电渗析单元D、E通道进入，在开启电源以后，双极膜电渗析的五个通道将分别形成C和D两个脱盐液通道，A、B和E三个浓缩液通道，并且通过循环泵一直在电渗析单元内循环；C通道的高含氯化钠浓水含盐量不断下降，达到设定目标值以后由该水箱溢流到下一级处理单元处理；D通道的5％浓度碳酸氢钠溶液浓度也不断下降，达到设定目标值以后由该水箱溢流回到碳酸氢钠箱，再由碳酸氢钠箱通过提升泵，经保安过滤器向碳酸氢钠脱盐液箱供给高浓度的碳酸氢钠溶液；在A、B和E通道中分别形成三股浓缩液，其中A通道是由C通道中的Cl-与A通道中解离出的H+结合成的盐酸腔室，经浓缩至8％浓度由盐酸浓缩液箱溢流到下一级处理；其中B通道是由D通道中的Na+与B通道中解离出的OH-结合成的氢氧化钠腔室，经浓缩至8％浓度由氢氧化钠浓缩液箱溢流到下一级处理；其中E通道是由C通道中的Na+、Ca2+、Mg2+与D通道中的HCO3 -结合成的碳酸氢钠、碳酸氢钙和碳酸氢镁的碳酸氢盐腔室；经浓缩至10％浓度，由碳酸氢盐浓缩液箱溢流，经氢氧化钠调节pH至9，再经加热分解，碳酸氢钠、碳酸氢钙和碳酸氢镁分解成碳酸钠、碳酸钙和碳酸镁流入沉淀箱中，此时沉淀箱中的沉淀物为碳酸钙和碳酸镁，上清液为碳酸钠溶液，通入CO2转变成碳酸氢钠溢流至碳酸氢钠箱。
2.根据权利要求1所述的基于电渗析技术的双极膜制备酸碱的方法，其特征在于：所述双极膜电渗析的五通道模块中五股溶液分别被离子交换膜分隔，均不互相接触；五通道电渗析在外加直流电场的作用下，制得高纯度的盐酸与氢氧化钠溶液。
3.根据权利要求1所述的基于电渗析技术的双极膜制备酸碱的方法，其特征在于：采用一二价选择性阴膜，将高含氯化钠浓水中硫酸根截留，提高盐酸纯度。
4.根据权利要求1所述的基于电渗析技术的双极膜制备酸碱的方法，其特征在于：对于处理高含硫酸钠浓水时，将一二价选择性阴膜更换为普通阴膜，可制得硫酸与氢氧化钠溶液。
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