CN102134724A - 阴离子膜电解槽装置用于纯碱生产中废液脱盐的方法 - Google Patents

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Abstract

阴离子膜电解槽装置用于纯碱生产中废液脱盐的方法属于电化学技术领域。本发明将含有碳酸钠、碳酸氢钠和氯化钠的废液经钠型阳离子交换树脂柱软化除去Ca2+、Mg2+离子后，经预热器加热，然后导入阴离子膜电解槽阴极室，废液中C l-透过阴离子膜从阴极迁移到阳极，在阴极出口导出碳酸钠和氢氧化钠的混合溶液；将氯化钠、氢氧化钠或稀盐酸三种溶液中的一种导入电解槽阳极室，在阳极出口导出氯化钠或氯化氢溶液。控制电解槽电流密度为1000-2000A/m2，从而用电解方法实现纯碱生产中废液脱盐处理。本发明使废液中氯化钠含量降至10q/L以下，从而保障纯碱生产过程中氯化钠不至于富集，实现纯碱生产中废液的循环利用。

Description

阴离子膜电解槽装置用于纯碱生产中废液脱盐的方法
技术领域
本发明属于电化学技术领域，特别涉及阴离子膜电解槽装置用于纯碱生产中废液脱盐的方法。
背景技术
以天然碱为原料加工生产纯碱中，对于采用溶采方法开采的天然碱矿，采出液组成为含有碳酸氢钠、碳酸钠、氯化钠及其它少量无机盐和不溶杂质的混合物，将采出液经过预处理之后，用蒸发法浓缩溶液使一水碳酸钠结晶析出，然后干燥而成重质碳酸钠成品，起初溶采液中氯化钠含量较少，但随生产能力的增加及注井液的循环利用，溶采液中氯化钠不断富集，必须进行脱盐处理。如果不进行脱盐处理，而想要生产出合格的纯碱产品，成本会急剧增加，工艺也会更复杂，而且随着循环次数的增加，溶采液含盐量不断累积，使之无法再次被利用，只能作为废液排放，不但污染了环境，还造成了资源的浪费。为了使废液能够循环利用，使生产进入良性循环，以保证纯碱产品的优质品率，因此，必须对废液进行脱盐处理。
目前，国内外对天然碱废液脱盐主要根据碳酸钠、碳酸氢钠和氯化钠在不同温度下溶解度的不同，以Na2CO3-NaHCO3-NaCl-H2O四元体系的相律平衡规律进行脱盐，但是此种方法由于受溶解度限制，对废液的脱盐率不高。另外，一些利用天然碱生产纯碱的厂家将无法利用的废液要运送到氨碱厂进行处理，反而增加了自己的运输成本。因此需要研究一种新的脱盐方法，能将盐碱高效分离，提高废液的脱盐率，使废液循环利用。
为此，我们发明了一种盐碱分离的方法，采用电化学原理，利用阴离子膜电解槽对废液进行电解脱盐处理，以提高废液脱盐效率，提高纯碱的质量，使生产进入良性循环。
发明内容
本发明提供一种阴离子膜电解槽装置用于纯碱生产中废液脱盐的方法，以解决废液脱盐率低，无法循环利用的问题。
本发明阴离子膜电解槽装置用于纯碱生产中废液脱盐的方法，阴离子膜电解槽由阴极槽框、阴极、阴离子交换膜、阳极、阳极槽框组成。
脱盐的工艺流程为：首先将纯碱或者小苏打废液，具体将含有Na2CO3为10-120g/L，NaHCO3为10-120g/L，NaCl为20-200g/L的废液经钠型阳离子交换树脂柱进行软化除去其中的Ca2+、Mg2+离子，以避免电解过程中在阴离子膜的表面形成Ca(OH)2、Mg(OH)2沉淀，影响阴离子膜对Cl-的交换。然后，上述废液经预热器加热到75-85℃后灌注到电解槽的阴极室；同时，向电解槽的阳极室灌注电解质溶液，电解质溶液为1-5wt％HCl、20-25wt％NaCl或20-30wt％NaOH三种溶液中的一种。最后将电解槽的阴极和阳极分别与直流稳流电源的负极和正极相连，通过恒流泵控制阴、阳极电解液进入电解槽的流速为3-4L/h，调节电源电流，控制电解槽电流密度为1000-2000A/m2，对废液循环电解2小时以上，通过离子色谱仪测定废液中NaCl含量的变化。
以上所述的阴离子膜电解槽所用的阴离子膜不仅限于AMI、ACS型等均相阴离子交换膜，而是包括所有优先选择Cl-通过的阴离子膜。
本发明将电解方法应用于纯碱生产中废液的脱盐处理，通过阴离子膜电解槽电解以除去废液中的NaCl，该方法能够解决采用物理脱盐时因溶解度的限制而导致脱盐率低的问题，提高废液的脱盐率，进而提高纯碱的质量，实现纯碱生产过程中废液的循环利用，减少废液排放对环境造成的污染，使生产进入良性循环。
附图说明
图1为阴离子膜电解槽装置用于纯碱生产中废液脱盐方法的电解流程示意图。
1-阴极液循环槽；2-恒流泵A；3-阴极；4-阴离子交换膜；5-阳极；6-阴极室；7-阳极室；8-恒流泵B；9-阳极液循环槽；10-阳极气液分离器；11-阴极气液分离器；12-直流稳流电源
具体实施方式
以下通过实施例进一步详细说明本发明阴离子膜电解槽装置用于纯碱生产中废液脱盐的方法。
实施例1
按图1所示电解流程图连接各个装置，即：将单膜双室阴离子膜电解槽阴极室6的入口通过硅胶管与外部的恒流泵2和阴极液循环槽1相连，阴极室6的出口与气液分离器11相连，经气液分离器流出的液体再导入阴极液循环槽，以对废液进行循环电解；将阳极室7的入口通过硅胶管与外部的恒流泵8和阳极液循环槽9相连，阳极室7的出口与气液分离器相连，电解液经气液分离器又流入阳极循环槽9。最后将电解槽的阴极3和阳极5分别与直流稳流电源12的负极和正极相连。
单膜双室阴离子膜电解槽4的有效电解面积为100cm2，离子膜采用美国ULTREX阴离子交换膜，膜型号为AMI-7001型均相阴离子膜。离子膜电解槽阴极采用镍网加活性涂层，阳极采用钛网涂钌析氯阳极。
将含有Na2CO3为10g/L，NaHCO3为120g/L，NaCl为65g/L的废液1000ml经钠型阳离子交换树脂柱进行软化除去其中的Ca2+、Mg2+离子，再通过预热器加热到75℃，然后加入阴极液循环槽；将1wt％HCl溶液1000ml经预热器加热到75℃，然后加入阳极液循环槽。
操作方法为：调节恒流泵的流速为3L/h，在恒流泵的带动下将阴极和阳极循环槽中电解质溶液灌注到阴极室和阳极室，当电解质溶液充满阴极室和阳极室后，接通电解槽电源，调节电流为15A，使电解槽电流密度为1500A/m2。
电解液在阴阳极表面的反应过程为：在阴极表面，废液中的H2O得电子生成H2和OH-，OH-与废液中的NaHCO3反应生成Na2CO3和H2O，因此在阴极室出口排出Na2CO3和NaOH的混合溶液，阴极室产生的H2通过气液分离器排出，废液中的Cl-经阴离子交换膜到达阳极室，Cl-在阳极表面失电子生成Cl2，所以在阳极基本不消耗阳极电解液HCl溶液。通电操作一段时间后，从阴极室取样分析，采用CIC-100离子色谱仪测定废液中NaCl浓度。
表1阳极采用1wt％HCl溶液做电解质时电解效果
Figure BDA0000042438390000031
实施例2
装置连接方法，电解槽所用离子膜型号及阴阳极电极材料同实施例1。
将含有Na2CO3为120g/L，NaHCO3为10g/L，NaCl为65g/L的废液1000ml经钠型阳离子交换树脂柱进行软化除去其中的Ca2+、Mg2+离子，再通过预热器加热到80℃，然后加入阴极液循环槽；将5wt％HCl溶液1000ml经预热器加热到80℃，然后加入阳极液循环槽。
操作方法及电解液在阴阳极表面的反应过程同实施例1，通电操作一段时间后，从阴极室取样分析，采用CIC-100离子色谱仪测定废液中NaCl浓度。
表2阳极采用5wt％HCl溶液做电解质时电解效果
实施例3
装置连接方法及阴阳极电极材料同实施例1，电解槽所用离子膜型号为日本德山曹达公司生产的ACS型均相一价阴离子膜。
将含有Na2CO3为75g/L，NaHCO3为86g/L，NaCl为20g/L的废液1000ml经钠型阳离子交换树脂柱进行软化除去其中的Ca2+、Mg2+离子，再通过预热器加热到85℃，然后加入阴极液循环槽；将3wt％HCl溶液1000ml经预热器加热到85℃，然后加入阳极液循环槽。
操作方法及电解液在阴阳极表面的反应过程同实施例1，通电操作一段时间后，从阴极室取样分析，采用CIC-100离子色谱仪测定废液中NaCl浓度。
表3阳极采用3wt％HCl溶液做电解质时电解效果
Figure BDA0000042438390000042
实施例4
装置连接方法，离子膜型号及阴阳极电极材料同实施例1。
将含有Na2CO3为10g/L，NaHCO3为120g/L，NaCl为85g/L的废液1000ml经钠型阳离子交换树脂柱进行软化除去其中的Ca2+、Mg2+离子，再通过预热器加热到75℃，然后加入阴极液循环槽；将20wt％NaCl溶液1000ml经预热器加热到75℃，然后加入阳极液循环槽。
操作方法及电解液在阴阳极表面的反应过程同实施例1，通电操作一段时间后，从阴极室取样分析，采用CIC-100离子色谱仪测定废液中NaCl浓度。
表4阳极采用20wt％NaCl溶液做电解质时电解效果
Figure BDA0000042438390000051
实施例5
装置连接方法同实施例1，电解槽所用离子膜型号及阴阳极电极材料同实施例1。
将含有Na2CO3为120g/L，NaHCO3为10g/L，NaCl为85g/L的废液1000ml经钠型阳离子交换树脂柱进行软化除去其中的Ca2+、Mg2+离子，再通过预热器加热到80℃，然后加入阴极液循环槽；将25wt％NaCl溶液1000ml经预热器加热到80℃，然后加入阳极液循环槽。
操作方法及电解液在阴阳极表面的反应过程同实施例1，通电操作一段时间后，从阴极室取样分析，采用CIC-100离子色谱仪测定废液中NaCl浓度。
表5阳极采用25wt％NaCl溶液做电解质时电解效果
Figure BDA0000042438390000052
Figure BDA0000042438390000061
实施例6
装置连接方法及阴阳极电极材料同实施例1，电解槽所用离子膜型号为日本德山曹达公司生产的ACS型均相一价阴离子膜。
将含有Na2CO3为95g/L，NaHCO3为54g/L，NaCl为200g/L的废液1000ml经钠型阳离子交换树脂柱进行软化除去其中的Ca2+、Mg2+离子，再通过预热器加热到85℃，然后加入阴极液循环槽；将23wt％NaCl溶液1000ml经预热器加热到85℃，然后加入阳极液循环槽。
操作方法及电解液在阴阳极表面的反应过程同实施例1，通电操作一段时间后，从阴极室取样分析，采用CIC-100离子色谱仪测定废液中NaCl浓度。
表6阳极采用23wt％NaCl溶液做电解质时电解效果
Figure BDA0000042438390000062
实施例7
装置连接方法及所用离子膜型号同实施例1，离子膜电解槽阴极采用镍网加活性涂层，阳极采用钛网涂铱析氧阳极。
将含有Na2CO3为10g/L，NaHCO3为120g/L，NaCl为130g/L的废液1000ml经钠型阳离子交换树脂柱进行软化除去其中的Ca2+、Mg2+离子，再通过预热器加热到75℃，然后加入阴极液循环槽；将20wt％NaOH溶液1000ml经预热器加热到75℃，然后加入阳极液循环槽。
操作方法为：调节恒流泵的流速为4L/h，在恒流泵的带动下将阴极和阳极循环槽中电解质溶液灌注到阴极室和阳极室，当电解质溶液充满阴极室和阳极室后，接通电解槽电源，调节电流为15A，使电解槽电流密度为1500A/m2。
电解液在阴阳极表面的反应过程为：在阴极表面，废液中的H2O得电子生成H2和OH-，OH-与废液中的NaHCO3反应生成Na2CO3和H2O，因此在阴极室出口排出Na2CO3和NaOH的混合溶液，阴极室产生的H2通过气液分离器排出，废液中的Cl-通过阴离子交换膜到达阳极室，由于阳极采用的是析氧阳极，因此阳极室电解液发生的反应为NaOH溶液中OH-失电子生成O2和H2O，在阳极室出口排出为NaCl和稀NaOH的混合溶液，并且阳极电解液在电解之后不能循环利用，阳极为消耗NaOH的电解过程。通电操作一段时间后，从阴极室取样分析，采用CIC-100离子色谱仪测定废液中NaCl浓度。
表7阳极采用20wt％NaOH溶液做电解质时电解效果
Figure BDA0000042438390000071
实施例8
装置连接方法，所用离子膜型号及阴阳极电极材料同实施例7。
将含有Na2CO3为120g/L，NaHCO3为10g/L，NaCl为130g/L的废液1000ml经钠型阳离子交换树脂柱进行软化除去其中的Ca2+、Mg2+离子，再通过预热器加热到80℃，然后加入阴极液循环槽；将30wt％NaOH溶液1000ml经预热器加热到80℃，然后加入阳极液循环槽。
操作方法及电解液在阴阳极表面的反应过程同实施例7，通电操作一段时间后，从阴极室取样分析，采用CIC-100离子色谱仪测定废液中NaCl浓度。
表8阳极采用30wt％NaOH溶液做电解质时电解效果
Figure BDA0000042438390000072
Figure BDA0000042438390000081
实施例9
装置连接方法及阴阳极电极材料同实施例7，电解槽所用离子膜型号为日本德山曹达公司生产的ACS型均相一价阴离子膜。
将含有Na2CO3为63g/L，NaHCO3为75g/L，NaCl为130g/L的废液1000ml经钠型阳离子交换树脂柱进行软化除去其中的Ca2+、Mg2+离子，再通过预热器加热到85℃，然后加入阴极液循环槽；将25wt％NaOH溶液1000ml经预热器加热到85℃，然后加入阳极液循环槽。
操作方法及电解液在阴阳极表面的反应过程同实施例7，通电操作一段时间后，从阴极室取样分析，采用CIC-100离子色谱仪测定废液中NaCl浓度。
表9阳极采用25wt％NaOH溶液做电解质时电解效果
Figure BDA0000042438390000082

Claims (3)

1.一种阴离子膜电解槽装置用于纯碱生产中废液脱盐的方法，所述阴离子膜电解槽装置包括单膜双室电解槽，由阴极室、阴极、阴离子膜、阳极和阳极室；其特征在于：
将纯碱或小苏打废液经钠型阳离子交换树脂柱进行软化除去其中的Ca2+、Mg2+离子，而后将上述废液灌注到电解槽的阴极室；离子膜采用一价阴离子交换膜；同时，向电解槽的阳极室灌注电解质溶液；将电解槽的阴极和阳极分别与直流稳流电源的负极和正极相连，通过恒流泵控制阴、阳极电解液进入电解槽，调节液体速度与电源电流相匹配，控制电解槽电流密度为1000-2000A/m2。
2.如权利要求1所述阴离子膜电解槽装置用于纯碱生产中废液脱盐的方法，其特征在于：所述纯碱或小苏打废液为含有Na2CO3为10-120g/L，NaHCO3为10-120g/L，NaCl为20-200g/L的废液。
3.如权利要求1所述阴离子膜电解槽装置用于纯碱生产中废液脱盐的方法，其特征在于：所述电解质溶液为1-5wt％HCl、20-25wt％NaCl或20-30wt％NaOH三种溶液中的一种。
4如权利要求1所述阴离子膜电解槽装置用于纯碱生产中废液脱盐的方法，其特征在于：阴离子膜电解槽所用的阴离子膜是使Cl-优先通过的一价阴离子膜。实验实例采用的是AMI和ACS型一价均相阴离子交换膜，但并不限于这两种膜。
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