一种溢流式-饱和进料双极膜电渗析制备超高浓度酸碱的方法技术

本发明专利技术公开了一种溢流式

【技术实现步骤摘要】
一种溢流式
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饱和进料双极膜电渗析制备超高浓度酸碱的方法


[0001]本专利技术涉及一种溢流式
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饱和进料双极膜电渗析制备超高浓度酸碱的方法，尤其涉及无机酸碱生产领域。

技术介绍

[0002]氢氧化钠和盐酸用途极广，除了广泛应用于化学工业本身外，还应用于轻工业、纺织工业、冶金工业、石油化学工业以及公用事业等。如今，大约99.5％的氢氧化钠是通过氯碱工艺产生的。目前存在着三种类型的氯碱工艺，即隔膜法、汞电解池法以及离子交换膜法，这三种方法都是通过电解饱和食盐水从而制取烧碱、氯气和氢气三种产品，可获得高浓度的烧碱溶液，其中，应用最多的离子膜交换法通过电解直接得到的烧碱质量浓度约为30％(约10.0mol/L)左右。
[0003]然而，当下氯碱产业耗氧量高、耗能量高，“三废”排放量大，是污染程度较严重的产业之一。工业中，每吨烧碱的生产会消耗24.5吨水资源及2298kWh的电能。为消耗氯碱工艺所产生的氯气，通常将其用于制造聚氯乙稀(PVC)等下游产品，但每吨PVC的生产又会消耗300吨水资源及1500吨电石资源，资源消耗巨大。此外，我国近年来耗氯下游产品消费领域面临挑战，烧碱消费增长较快，但耗氯产品普遍增长相对较为平缓，造成了“碱短氯长”的碱氯失衡现象，氯产品过剩。因此，研发一种可清洁生产氢氧化钠的工艺过程尤为重要。
[0004]双极膜电渗析是一种绿色、环保、节能的膜分离技术，能够在低电压下将水解离为氢离子和氢氧根离子，因此可一步将无机盐转化为相应的酸和碱，过程中无化学试剂消耗，无副产物产生，可见采用双极膜电渗析制酸碱拥有良好的工业化前景。已有不少研究利用双极膜电渗析将含氯化钠溶液转化为氢氧化钠和盐酸产品，例如中国专利CN107265734B、CN107381886A提供了由反渗透浓盐水高效制备酸碱的方法，运用一系列膜技术和双极膜电渗析耦合，含质量浓度为25％和7％的氯化钠溶液分别作为双极膜电渗析盐室料液，可分别得到的氢氧化钠最终质量浓度为12％(约1.1mol/L)和7％(1.0mol/L)。中国专利CN208429966U利用双极膜电渗析技术资源化处理过后的印染造纸厂生产的废盐水(氯化钠含量为1950mg/L)，在80mA/cm2的操作电流密度下获得了2mol/L的氢氧化钠和盐酸。由此可见，双极膜电渗析是一种优异的增值技术，能够有效提高盐的利用价值。然而，不难看出，之前公开的双极膜电渗析转化含盐溶液方法所生产的酸和碱溶液浓度偏低，回用价值有限。此外，国外文献(HighlyconcentratedHClandNaOHfrombrinesusingelectrodialysiswithbipolarmembranes,SeparationandPurificationTechnology,242(2020)116785)报道利用双极膜电渗析盐溶液所得的最高酸浓度仅为3.3mol/L左右、碱浓度仅为3.6mol/L左右，与氯碱工业生产的烧碱浓度相差甚远。低浓度酸碱对应于低浓度盐溶液，浪费水资源，因此双极膜电渗析生产低浓度氢氧化钠和盐酸不具有商业竞争优势。现有的双极膜电渗析技术无法生产高浓度酸碱的主要原因在于电渗析过程中盐室离子的不断耗尽，双极膜电渗析装置无法供应恒定浓度的盐溶液，所以需要弥补双极膜电渗析盐室组件的设置缺陷，以实现高
浓度酸碱的生产。另外，先前有文献(Analysisoffactorslimitingtheuseofbipolarmembranes:asimplifiedmodeltodeterminetrends,JournalofMembraneScience112(1996)199
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208)报道双极膜电渗析产酸碱浓度的理论极限值可接近6mol/L，但到目前为止，通过双极膜电渗析制备超高浓度酸碱溶液还未有报道。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术要解决的难题在于提供一种溢流式
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饱和进料双极膜电渗析制备超高浓度酸碱的方法，通过改进双极膜电渗析的进料装置，使双极膜电渗析膜堆盐室持续进料接近饱和浓度的氯化钠溶液，从而使盐室离子在电渗析过程中得到不断补充，以期实现低能耗、绿色、环保生产超高浓度氢氧化钠和盐酸。
[0006]本专利技术为实现目的，采用如下技术方案：
[0007]一种溢流式
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饱和进料双极膜电渗析制备超高浓度酸碱的方法，其特点在于：
[0008]采用双极膜电渗析装置，首先向双极膜电渗析膜堆中的盐室通入饱和氯化钠溶液，向双极电渗析膜堆中的酸室和碱室分别通入去离子水，向双极膜电渗析膜堆中的阴极室和阳极室通入强电解质溶液；然后在双极膜电渗析膜堆两端施加直流电进行电渗析，即可在碱室获得氢氧化钠溶液、在酸室获得盐酸溶液。
[0009]进一步地，在电渗析的过程中通过补加氯化钠结晶盐使盐室进料的氯化钠溶液保持饱和。
[0010]进一步地：盐室料液储罐采用溢流式套桶结构，外桶连通盐室的进料口、内桶连通盐室的出料口；在内桶中加入氯化钠结晶盐，不断补充盐室出料的氯化钠溶液的浓度，使其达到饱和状态；内桶高度低于外桶高度，以使内桶中补料后的氯化钠溶液溢流入外桶，从而使外桶中的氯化钠溶液保持饱和。
[0011]进一步地：所述双极膜电渗析膜堆由双极膜、阴离子交换膜和阳离子交换膜依次交替叠加构成，双极膜的阴离子交换层朝向阳极板、阳离子交换层朝向阴极板；阴离子交换膜与相邻双极膜之间构成酸室，阴离子交换膜与相邻阳离子交换膜之间构成盐室，阳离子交换膜与相邻双极膜之间构成碱室。
[0012]进一步地，所述强电解质溶液为0.01
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1.0mol/L的硫酸钠溶液。
[0013]进一步地，电渗析过程中，通过蠕动泵控制阳极室、阴极室、酸室、碱室和盐室溶液流动的线速度在3
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10cm/s，避免浓差极化现象发生。
[0014]进一步地，所施加直流电的电流密度为60
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150mA/cm2。
[0015]本专利技术双极膜电渗析转化过程中氢氧化钠浓度可达到8mol/L以上，盐酸浓度可达到7mol/L以上，得到的产品氢氧化钠的纯度高达96％以上。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：
[0017]本专利技术提供了一种溢流式
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饱和进料双极膜电渗析制备超高浓度酸碱的方法，运行过程中利用双极膜可直接解离水产生氢离子和氢氧根离子的优势，一步法将氯化钠转化为氢氧化钠和盐酸，采用高电流密度，得到的氢氧化钠和盐酸浓度超过先前双极膜电渗析产酸碱文献报道的浓度，且产品纯度较高。该法可产出的氢氧化钠浓度与氯碱工艺离子膜电解法生产的氢氧化钠浓度相近，且能耗较低。该法避免了传统氯碱工业中电解氯离子产出氯气的问题，从而避免了后续氯气处理和消耗带来的环境污染和碱氯失衡的问题。此外，
该过程通过不断向溢流式装置中添加氯化钠结晶盐的方法，即可做到酸碱的持续产出，减少了水资源的消耗。因此，通过溢流式
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种溢流式
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饱和进料双极膜电渗析制备超高浓度酸碱的方法，其特征在于：采用双极膜电渗析装置，首先向双极膜电渗析膜堆中的盐室通入饱和氯化钠溶液，向双极电渗析膜堆中的酸室和碱室分别通入去离子水，向双极膜电渗析膜堆中的阴极室和阳极室通入强电解质溶液；然后在双极膜电渗析膜堆两端施加直流电进行电渗析，即可在碱室获得氢氧化钠溶液、在酸室获得盐酸溶液。2.根据权利要求1所述的溢流式
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饱和进料双极膜电渗析制备超高浓度酸碱的方法，其特征在于：在电渗析的过程中通过补加氯化钠结晶盐使盐室进料的氯化钠溶液保持饱和。3.根据权利要求1或2所述的溢流式
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饱和进料双极膜电渗析制备超高浓度酸碱的方法，其特征在于：盐室料液储罐采用溢流式套桶结构，外桶连通盐室的进料口、内桶连通盐室的出料口；在内桶中加入氯化钠结晶盐，不断补充盐室出料的氯化钠溶液的浓度，使其达到饱和状态；内桶高度低于外桶高度，以使内桶中补料后的氯化钠溶液溢流入外桶，从而使外桶中的氯化钠溶液保持饱和。4.根据权利要求1或2所述的溢流式
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【专利技术属性】
技术研发人员：徐铜文，符蓉，汪耀明，蒋晨啸，吴亮，王皝莹，闫军营，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：