氯碱离子膜对钙镁杂质的耐受性研究

氯碱离子膜对钙镁杂质的耐受性研究

李冬晶

德州实华化工有限公司 山东省德州市 253000

摘要：制碱是我国重工业的重要组成部分，制碱产业对我国工业的发展有着非常重要的影响。在制碱离子膜制碱属于先进的制碱方法，而离子膜制碱的核心部位就是氯碱离子膜，氯碱离子膜的好坏直接决定了制出碱的质量的高低。离子膜对氯化钾溶液中钙镁杂质耐受性很大程度上决定了碱的质量，通过对溶度积的理解与发掘，文章将着重研究与分析氯碱离子膜对钙镁杂质的耐受性问题。

关键词：氯碱离子膜；耐受性；溶度积 

        氯碱工业作为化工业原材料产业，主要是制碱、氯气以及氢气为主要业务。目前随着化工业的不断发展，逐渐应用于造纸、冶金、石油等各化工企业。本文所研究的论题，就是离子膜耐受性的分析，通过研究并发现钙镁杂质对离子膜耐受性的影响，并进行改进以此推动中国制碱工业更加快速的发展。

一、离子膜制碱的概念与过程介绍

简述下离子膜制碱法的工作过程，制作钾碱的主要原料有饱和食盐水，水和电。工具有电解槽包括内部的离子膜，离子膜将电解槽分为阴室和阳室。食盐水在阳室，水在阴室，而离子膜就像一个“安检站”，只允许阳离子通过，经过电解钾离子透过离子膜和另一边经过电解后的OH-结合生成氢氧化钾。

1.氯碱离子膜

氯碱离子膜是电解槽的一部分，更是制碱过程中无法忽视的一个部分。离子膜不同于普通的薄膜，离子膜对溶液的成分就有选择性，符合要求的离子可以通过，不符合的离子则禁止通行。离子膜会阻止气体和阴离子的穿透。

2.耐受性

耐受性是医学上的名词，原指人体对药物的抗性。在第一次使用某一药物时，效果明显。但是如果长期多次使用，就会对该药物产生抗性，效果就会下降。在这里的耐受性和医学上的有相似的地方也有不同之处。耐受性指的是氯碱离子膜的工作效率即允许钾离子的通过率。

3.溶度积

将Q的大小与Ksp进行比较，根据化学平衡移动原理可以知道在溶液中沉积物的形成、溶解和平衡三种状态。Ksp是溶度积的简称，溶度积与固体的形成与稀释有很大的关系，当溶液饱和时，多出的会形成沉淀。当Ksp大时，溶液中的固体溶解。当溶度积达到平衡时，固体沉淀不再产生。

二、影响耐受性的因素

1.氯化钾溶液的纯度

氯化钾溶液的纯度对离子膜的受耐性有着重要的影响。制造钾碱所用到的原料是饱和的食盐水，但是食盐水中并不都是氯化钾溶液，还有其他杂质，如泥沙、钙镁杂质等。饱和的氯化钾溶液纯度越高，溶液中所含杂质越少，在点解时产生的杂质越少，对离子膜的损害越是小，制碱的质量和效率越好。

2.离子膜的质量及技术含量

离子膜的进一步改进更新，通过研究实验可以生产功能更加全面的离子膜。第一，新的氯碱离子膜可以具备更好的钾离子通透性，使钾离子通过率更高，同时使离子膜的寿命更长。第二，通过改进使离子膜表面使其具有不易吸附性，类似于在离子膜表面生成一层“润滑油”使得固体沉积物不易附着在离子膜表面，从而减少对离子膜的损害。

3.电解槽内电量与水量的控制

氯化钾溶液内钙镁等杂质形成固体沉积物的多少与电解使的用电量和水量有很大的关系。制碱要通过电解才能分解出相应的钾离子。但在电解的过程中（电解是无选择性的），产生大量的钾离子的同时也会产生很多+2价的钙镁离子，当溶液饱和时就会与OH离子结合形成沉积物，OH离子又是通过电解水得到的，所以应尝试通过调节水和电的使用时使溶液达到平衡的状态使沉积不再产生。

三、离子膜对钙镁杂质耐受性原理、影响及后果

1. 离子膜对钙镁杂质耐受性原理

在本文进行研究前，就已经有了相关专家学者做了钙镁杂质对离子膜的耐受性影响研究。考察了盐水中钙镁离子对氯碱离子膜性能的影响，利用溶度积理论对钙镁离子对氯碱离子膜性能的不同影响作出了解释。氯碱离子膜在一开始可以使钾离子很好的通过，但是氯化钾溶液中还有很多杂质，在点解后溶液中不仅会产生正一价的纳离子还会形成正二价的镁钙离子，这些正二价的离子会和反渗透的OH-离子产生化学反应，产生固体并附着在离子膜表面，这些固体会阻塞离子膜甚至损坏离子膜，从而使氯碱离子膜的通过效率下降以及离子膜选择通过的能力降低。

2.钙镁杂质对离子膜的影响及其后果

钙镁等固体杂质对离子膜有很大的影响。首先，钙镁固体杂质的形成位置是在固体表面，而离子膜表面积较大，会有大量的固体杂质吸附在离子膜表面。这种固体杂质会阻塞离子膜表面的通道孔，阻碍钾离子的通过，减缓氢氧化钾的形成速率，影响效率。其次，如果溶液中形成大量固体杂质，这些杂质游离于溶液之中，碰到离子膜会对离子膜造成损害。长此以往，会导致离子膜的损坏。离子膜破损使阳室内的其它物质通过，导致氢氧化钾内含有大量杂质，使产品的质量下降。更加严重的是，当阳室的氯气和阴室的氢气混合，很可能引发爆炸产生安全方面的问题。所以降低氯化钾中钙镁等杂质含量至关重要。

四、相关解决措施及后期工作

1.提高氯化钾溶液的纯度

氯化钾溶液纯度的高低影响了氯碱离子膜的耐受性。并且电解槽对于盐水也有很高的要求，当盐水中钙镁离子含量太高时，盐水是不能够被拿来使用的（含量低于20wtppd）。在使用盐水前要经过层层过滤加工提纯（二次盐水精制），使其中的杂质含量降低，最后得到精制饱和氯化钾溶液。当然，溶液的氯化钾纯度越高，杂质越少越好，这样会大大提高离子膜的耐受性。这就需要不断地改进技术，加强氯化钾溶液的提纯精制研究，降低氯化钾溶液中钙镁离子的含量。

2.加快科技研发，提升氯碱离子膜的质量与寿命

在提高使用原料的纯度的同时，对于氯碱离子膜的选择和使用也至关重要。通过提高氯碱离子膜的科技含量，提高氯碱离子膜的性能，使其能够适应更多情况下的溶液（比如，以前的离子膜只能使用钙镁离子含量低于20wtppd的溶液，改进后的离子膜就可以使用杂质含量更多的溶液）。同时，通过不断改进使离子膜表面不具有杂质沉积物附着性，产生的固体沉积物会沉积在电解槽底部而不是离子膜表面。加大资金、人才、技术研发的投入，在完成对上述问题改进的同时，提高氯碱离子膜的使用寿命，使其使用的时间更长。在氯碱离子膜方面开展科技研发会带来巨大的经济效益，在提高资源的利用效率，减少浪费污染，打破国外的技术封锁，推动经济增长等方面都有重大的意义。

3.后期工作废气的利用，环保以及安全保障措施

在分析完氯碱离子膜耐受性的问题后，对于制碱后的产生的废水废气我认为有必要谈一谈。如今的中国注重绿色经济，氯碱工业也不例外。在制碱的过程中会产生大量的氢气、氯气以及其他杂质沉积物，对这些废弃物进行处理再利用至关重要。对于氢气可以集中处理，运用于科研以及作为其他工业原料，高浓度的氯气是有机氯化合物的重要原料。相比与水银制碱法来说，离子膜电解法的污染大大降低，工业废弃物也可以更好地利用，但仍然有不足之处，应加快改进。同时，加强工业生产的安全保障措施，通过及时的检查与更换使危险系数降到最低。

结语

在制碱过程中钙镁等杂质会对氯碱离子膜的耐受性产生不小的影响，甚至会带来安全方面的问题。面对氯化钾溶液中钙镁杂质我们也给出了相应的解决措施，从提高氯化钾溶液的纯度、提高氯碱离子膜的性能以及电量和水量的控制等多方面入手，提高离子膜的耐受性。虽然我国已经掌握了氯碱离子膜生产技术，但未来需要更加努力的研发新的制碱工艺，使中国的制碱工业走在世界前列。

参考文献：

[1]王学军,张栋梁,宋绪凯,等.氯碱离子膜对钙镁杂质的耐受性研究[J].氯碱工业,2017,53(01):21-25.

[2]董辰生,王学军,张永明,等.氯碱离子膜国家标准GB/T30297-2013解读[J].氯碱工业,2015,51(4):9-13.