CN103060834B - 一种电解硫酸钠的工艺流程 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续电解工业硫酸钠废水的工艺流程。本发明选用了适合本工艺的能控温的液体循环槽，并采用了连续进出、搅拌、控温的运行方式进行电解，使电解槽的电解过程能够连续稳定运行。与现有技术相比，本发明电流密度更大、离子膜成本低，工艺流程及工艺指标先进，运行成本低、生产能力大，完全能够满足工业化连续生产的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种电解硫酸钠的工艺流程，具体涉及一种应用阳离子膜电解槽和液体循环槽连续大规模电解工业硫酸钠废水的工艺流程。
背景技术
目前，在造纸、化工、冶金、烟气脱硫等领域中，有大量含有硫酸钠的废水产生，这些硫酸钠废水若不加处理直接排放会引起严重的水体和大气污染。而硫酸钠溶液可以通过电解产生硫酸和氢氧化钠，是一种能够回收利用的有用资源。硫酸钠电解生产硫酸和氢氧化钠的工艺尤其适用于生产原料需要酸、碱，而在生产过程中副产硫酸钠废液的工艺过程。
现有技术中，电解硫酸钠主要是在实验室中进行的，其工艺都是采用间歇试验，无法实现工业化生产的要求。实验所用的离子膜有采用氯碱行业上所用的阳离子膜，由于该膜具有双层结构不耐酸，导致该膜用于电解硫酸钠使用寿命短，无法实现工业化。国外有报道采用双极膜工艺来电解硫酸钠，双极膜工艺集成度高、能耗低，但该工艺需要采用阴离子膜、阳离子膜和双极膜，其中阴离子膜和双极膜的成本相对阳离子膜高出很多，阴离子膜本身技术不成熟，使用寿命短，且整个双极膜工艺的电流密度较小，无法及时有效处理工业生产中产生的大量硫酸钠废水。
发明内容
本发明的目的在于提供一种克服现有技术缺点的，能够工业化大规模连续电解硫酸钠的工艺流程。
本发明的技术方案如下：
一种电解硫酸钠的工艺流程，包括以下步骤：
(1)对硫酸钠原料溶液进行过滤除杂，除去溶液中的水不溶物；
(2)采用螯合树脂对过滤后的硫酸钠溶液进行选择性离子交换吸附以除去其中的有害离子Ca2+、Mg2+而得到精制硫酸钠溶液；
(3)精制硫酸钠溶液进入阳极侧的液体循环槽与来自阳离子膜电解槽阳极室的循环硫酸钠溶液搅拌混合；电解所用水进入阴极侧的液体循环槽与来自阳离子膜电解槽阴极室的循环氢氧化钠溶液混合；
(4)阳极和阴极侧的液体循环槽内的一部分液体分别进入阳离子膜电解槽的阳极室和阴极室，在阳离子膜两侧完成电解过程，电解后液出电解槽后，经阳极和阴极侧的气液分离器与电解产生的氧气和氢气分离后，进入对应的液体循环槽；
(5)阳极侧的液体循环槽内的另一部分液体以产品酸的形式排出；阴极侧的液体循环槽内的另一部分液体以产品氢氧化钠的形式排出；
以上所述阳极侧的液体循环槽内连续输入精制硫酸钠，槽内一部分溶液以硫酸产品的形式连续输出，另一部分溶液循环回阳离子膜电解槽阳极室进行电解；以上所述阴极侧的液体循环槽内连续输入电解用水，槽内一部分溶液以氢氧化钠产品的形式连续输出，另一部分溶液循环回阳离子膜电解槽阴极室进行电解。
所述阳离子膜电解槽所用的阳离子膜为全氟磺酸离子膜，所用的阴极和 阳极分别为耐酸碱的低析氢过电位阴极和低析氧过电位阳极，所述阴极优选采用不锈钢材料作为阴极，所述阳极优选采用钛镀铱钽涂层材料作为阳极。
所述液体循环槽的液体接触面的材料为抗酸碱耐腐蚀材料，优选为聚丙烯。
所述步骤(1)中硫酸钠原料液经过滤后的不溶物小于50mg/L。
所述步骤(2)中精制后的硫酸钠原料液中Ca2++Mg2+＜20ppb。
所述步骤(2)的螯合树脂离子选择性吸附过程采用两柱并联，一根吸附，另一根解吸、交替再生的工艺模式实现连续工业化运行。
所述步骤(3)的搅拌温度为50-60℃。
所述步骤(4)的电解过程中的温度为50-60℃，电流密度为100-3000A/m2。
本发明的有益效果是：本发明选用了适合本工艺的能控温的液体循环槽和全氟磺酸离子膜，并采用了连续进出、搅拌、控温的运行方式进行电解，使电解槽的电解过程能够连续稳定运行。与现有技术相比，本发明电流密度更大、离子膜成本低，工艺流程及工艺指标先进，运行成本低、生产能力大，完全能够满足工业化连续生产的要求。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图；
图2为本发明所用液体循环槽构造示意图。
附图标记：
1电机；2减速机；3搅拌轴；4搅拌桨；5挡板；6环形空腔；7原料液入口；8循环液入口；9循环液出口；10产品液出口；11控温液入口；12 控温液出口。
具体实施方式
通过以下实施实例对本发明进一步说明。
实施例1
本发明的一种电解硫酸钠的工艺流程(参见图1)，包括以下步骤：
(1)使用过滤方法对溶液进行过滤处理，使硫酸钠溶液进行初步的净化，本工艺过程采用杭州坤诺净化设备有限公司DC5-1滤芯式过滤器，对硫酸钠溶液进行过滤，过滤后固体悬浮物含量平均为10mg/L。
(2)将已经进行过滤的硫酸钠溶液进行树脂吸附，采用有机玻树脂柱两根并联，一根吸附，另一根解吸的工艺模式实现连续运行。柱内装填D751螯合树脂对硫酸钠溶液进行精制，精制后杂质离子Ca2++Mg2+含量为0，随着树脂的不断使用，当检测树脂柱出口Ca2++Mg2+含量达到20ppb后，更换另一根柱进行吸附，而此饱和树脂柱进行再生作业，树脂的解吸液采用15％盐酸溶液解吸，解吸后用4％NaOH过柱再生，而后由清水洗至中性用于吸附。
(3)精制完的硫酸钠溶液进入原料液贮槽后由蠕动泵输送到阳极液体循环槽，与来自电解槽阳极侧的电解后液混合成阳极电解液；阴极侧清水由蠕动泵输送到阴极液体循环槽，与来自电解槽阴极侧的电解后液混合成阴极电解液。两极电解液经由泵送入电解槽内进行电解，电解槽单元槽尺寸为200×300mm，共有三个单元槽，槽框之间离子膜选用杜邦N117全氟磺酸离子膜，阳极采用钛镀铱钽涂层材料作为阳极，阴极采用不锈钢材料作为阴极。电解过程中电解液的输送及循环由泵进行，流速为100mL/min，阴、阳极液体循环槽的液体接触面的材料为聚丙烯，搅拌转速为50转/分，搅拌温度为 60℃。电解后液离开电解槽，在返回对应的液体循环槽之前，经阳极和阴极两侧的气液分离器与电解产生的氧气和氢气分离。整个电解工艺过程中，阳极液体循环槽连续地加入精制硫酸钠溶液，槽内一部分液体连续以硫酸产品的形式输出，另一部分液体连续循环回电解槽阳极室进行电解；阴极液体循环槽连续地加入清水，槽内一部分液体连续以氢氧化钠产品的形式输出，另一部分液体连续循环回电解槽阴极室进行电解。
(4)进行原料液硫酸钠浓度为60g/L进行电解，电解条件为：电解液温度为60℃，电流强度为166A/m2的条件下电解，进行实验中硫酸钠电解率为68％。阴极侧产品碱液浓度为40g/L，阳极侧产品硫酸浓度为28g/L，在连续电解过程中硫酸钠溶液加入量为12mL/min，阴极液加水量为12mL/min。
实施例2
除步骤1到步骤3与实施例1相同外，其实施例数据如下：
原料硫酸钠浓度为100g/L，电解实验温度为55℃，电解电流强度为190A/m2，实验中硫酸钠电解率为72％，阴极侧产品碱液浓度为30g/L，阳极侧产品硫酸浓度为49g/L，在连续电解过程中硫酸钠溶液加入量为14mL/min，阴极侧加水量为14mL/min。
实施例3
除步骤1到步骤3与实施例1相同外，其余实施例数据如下：
原料硫酸钠浓度为160g/L，电解实验温度为60℃，电解电流强度为150A/m2，实验中硫酸钠电解率为75％，阴极侧产品碱液浓度为150g/L，阳极侧产品硫酸浓度为85g/L，在连续电解过程中硫酸钠溶液加入量为9mL/min， 阴极侧加水量为9mL/min。
实施例4
除步骤1与步骤2与实施例1相同外，其余实施例数据如下：
精制完的硫酸钠溶液进入原料液贮槽后由蠕动泵输送到阳极液体循环槽，与来自电解槽阳极侧的电解后液混合成阳极电解液；阴极侧清水由蠕动泵输送到阴极液体循环槽，与来自电解槽阴极侧的电解后液混合成阴极电解液。两极电解液经由泵送入电解槽内进行电解，电解槽单元槽尺寸为500×800mm，共有四个单元槽，阳极采用钛镀铱钽涂层材料作为阳极，阴极采用不锈钢材料作为阴极，槽框之间离子膜选用杜邦N117全氟磺酸离子膜。电解过程中电解液的输送及循环由泵进行，流速为500L/min，阴、阳极液体循环槽的液体接触面的材料为聚丙烯，搅拌转速为50转/分，搅拌温度为50℃。电解后液离开电解槽，在返回对应的液体循环槽之前，经阳极和阴极两侧的气液分离器与电解产生的氧气和氢气分离。整个电解工艺过程中，阳极液体循环槽连续地加入精制硫酸钠溶液，槽内一部分液体连续以硫酸产品的形式输出，另一部分液体连续循环回电解槽阳极室进行电解；阴极液体循环槽连续地加入清水，槽内一部分液体连续以氢氧化钠产品的形式输出，另一部分液体连续循环回电解槽阴极室进行电解。
原料硫酸钠浓度为100g/L，电解实验温度为50℃，电解电流强度为2000A/m2，实验中硫酸钠电解率为75％，阴极侧产品碱液浓度为40g/L，阳极侧产品硫酸浓度为50g/L，在连续电解过程中硫酸钠溶液加入量为40L/min，阴极侧加水量为40L/min。
实施例5：
除步骤1与步骤2与实施例1相同外，其余实施例数据如下：
精制完的硫酸钠溶液进入原料液贮槽后由蠕动泵输送到阳极液体循环槽，与来自电解槽阳极侧的电解后液混合成阳极电解液；阴极侧清水由蠕动泵输送到阴极液体循环槽，与来自电解槽阴极侧电解后液混合成阴极电解液。两极电解液经由泵送入电解槽内进行电解，电解槽单元槽尺寸为500×800mm，共有四个单元槽，阳极采用钛镀铱钽涂层材料作为阳极，阴极采用不锈钢材料作为阴极。槽框之间离子膜选用杜邦N117全氟磺酸离子膜。电解过程中电解液的输送及循环由泵进行，流速为500L/min，阴、阳极液体循环槽的液体接触面的材料为聚丙烯，搅拌转速为50转/分，搅拌温度为55℃。电解后液离开电解槽，在返回对应的液体循环槽之前，经阳极和阴极两侧的气液分离器与电解产生的氧气和氢气分离。整个电解工艺过程中，阳极液体循环槽连续地加入精制硫酸钠溶液，槽内一部分液体连续以硫酸产品的形式输出，另一部分液体连续循环回电解槽阳极室进行电解；阴极液体循环槽连续地加入清水，槽内一部分液体连续以氢氧化钠产品的形式输出，另一部分液体连续循环回电解槽阴极室进行电解。
原料硫酸钠浓度为100g/L，电解实验温度为55℃，电解电流强度为3000A/m2，实验中硫酸钠电解率为74％，阴极侧产品碱液浓度为60g/L，阳极侧产品硫酸浓度为60g/L，在连续电解过程中硫酸钠溶液加入量为60L/min，阴极侧加水量为60L/min。
以上实施例中，阳/阴极的液体循环槽为一顶面和底面封闭的圆柱形容器。
上述液体循环槽顶面外侧设有电机1和减速机2，减速机2用以降低电机1的转速以获取更大的力矩。
上述液体循环槽内设有搅拌轴3、搅拌桨4、挡板5和环形空腔6。搅拌轴3的一端穿过循环槽顶面，通过减速机2与电机1相连接，搅拌轴3的另一端设有搅拌桨4。挡板5为两片，沿底面直径的两端相对设置于液体循环槽主体内中部，以防止搅拌时使液体旋转产生剪切流。环形空腔6亦设于循环槽主体中部，供控温液在其中流动，与槽内溶液进行换热。
上述液体循环槽环形槽壁的上部对应底面直径的两端设置有原料液入口7和循环液入口8，下部对应底面直径的两端设有循环液出口9和产品液出口10，近中部还设有与空腔6相连通的控温液入口11和出口12。
电机1在减速机2的配合下通过搅拌轴3驱动槽内的搅拌桨4，将来自原料液入口7的精制硫酸钠/水与来自循环液入口8的电解后液充分混合成阳/阴极电解液，该电解液中的一部分液体从循环液出口9输出，经过气液分离器后返回电解槽，另一部分液体以硫酸/氢氧化钠产品的形式从产品液出口10输出。控温液通过控温液入口11进入环形空腔6并通过出口12离开，控温液以此在环形空腔6中不断流动，与槽内液体进行换热，使槽内液体的温度控制在设定的范围内。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (5)
1.一种电解硫酸钠的工艺流程，其特征在于包括以下步骤：
(1)对硫酸钠原料溶液进行过滤除杂，除去溶液中的水不溶物，其中的不溶物小于50mg/L；
(2)采用螯合树脂对过滤后的硫酸钠溶液进行选择性离子交换吸附以除去其中的有害离子Ca2+、Mg2+而得到精制硫酸钠溶液，精制后的硫酸钠原料液中Ca2++Mg2+<20ppb，螯合树脂离子选择性吸附过程采用两柱并联，一根吸附，另一根解吸、交替再生的工艺模式实现连续工业化运行；
(3)精制硫酸钠溶液进入阳极侧的液体循环槽与来自阳离子膜电解槽阳极室的循环硫酸钠溶液搅拌混合，搅拌温度为50-60℃；电解所用水进入阴极侧的液体循环槽与来自阳离子膜电解槽阴极室的循环氢氧化钠溶液混合；
(4)阳极和阴极侧的液体循环槽内的一部分液体分别进入阳离子膜电解槽的阳极室和阴极室，在阳离子膜两侧完成电解过程，电解过程中的温度为50-60℃，电流密度为100-3000A/m2，电解后液出电解槽后，经阳极和阴极侧的气液分离器与电解产生的氧气和氢气分离后，进入对应的液体循环槽；
(5)阳极侧的液体循环槽内的另一部分液体以产品酸的形式排出；阴极侧的液体循环槽内的另一部分液体以产品氢氧化钠的形式排出；
以上所述阳极侧的液体循环槽内连续输入精制硫酸钠，槽内一部分溶液以硫酸产品的形式连续输出，另一部分溶液循环回阳离子膜电解槽阳极室进行电解；以上所述阴极侧的液体循环槽内连续输入电解用水，槽内一部分溶液以氢氧化钠产品的形式连续输出，另一部分溶液循环回阳离子膜电解槽阴极室进行电解；
上述液体循环槽为一顶面和底面封闭的圆柱形容器；其顶面外侧设有电机和减速机，减速机用以降低电机的转速以获取更大的力矩；其内设有搅拌轴、搅拌桨、挡板和环形空腔，搅拌轴的一端穿过循环槽顶面，通过减速机与电机相连接，搅拌轴的另一端设有搅拌桨，挡板为两片，沿底面直径的两端相对设置于液体循环槽主体内中部，以防止搅拌时使液体旋转产生剪切流，环形空腔亦设于循环槽主体中部，供控温液在其中流动，与槽内溶液进行换热；
且该液体循环槽的环形槽壁的上部对应底面直径的两端设置有原料液入口和循环液入口，下部对应底面直径的两端设有循环液出口和产品液出口，近中部还设有与空腔相连通的控温液入口和出口；
电机在减速机的配合下通过搅拌轴驱动槽内的搅拌桨，将来自原料液入口的精制硫酸钠/水与来自循环液入口的电解后液充分混合成阳/阴极电解液，该电解液中的一部分液体从循环液出口输出，经过气液分离器后返回电解槽，另一部分液体以硫酸/氢氧化钠产品的形式从产品液出口输出，控温液通过控温液入口进入环形空腔并通过出口离开，控温液以此在环形空腔中不断流动，与槽内液体进行换热，使槽内液体的温度控制在设定的范围内。
2.如权利要求1所述的一种电解硫酸钠的工艺流程，其特征在于所述阳离子膜电解槽所用的阳离子膜为全氟磺酸离子膜，所用的阴极和阳极分别为耐酸碱的低析氢过电位阴极和低析氧过电位阳极。
3.如权利要求2所述的一种电解硫酸钠的工艺流程，其特征在于所述阴极采用不锈钢材料作为阴极，所述阳极采用钛镀铱钽涂层材料作为阳极。
4.如权利要求1所述的一种电解硫酸钠的工艺流程，其特征在于所述液体循环槽的液体接触面的材料为抗酸碱耐腐蚀材料。
5.如权利要求4所述的一种电解硫酸钠的工艺流程，其特征在于所述液体循环槽的液体接触面的材料为聚丙烯。
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