CN107227465A - 一种纳米纤维双极膜制备酸碱的方法及其设备 - Google Patents

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梁杰
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胡俊平
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Abstract

本发明涉及一种纳米纤维双极膜制备酸碱的方法和设备，利用纳米纤维双极膜的特性，在阳离子交换和阴离子交换膜界面，在一定的电场下具有对水分子分解成H+和OH‑作用，将盐溶液制备成酸和碱。本发明的优点在于：1、采用单一的双极膜制酸碱，无需与其他膜组合，因此单张双极膜也能装配成制酸碱系统；2、电场直接施加在双极膜两侧，便于调节避免过高电压造成能量损失；3、酸碱制备过程中无任何气体产生，生产安全性高。

Description

一种纳米纤维双极膜制备酸碱的方法及其设备
技术领域
本发明属于化工技术和材料科学技术领域。
背景技术
传统的离子膜烧碱就是采用离子交换膜法电解食盐水而制成烧碱（即氢氧化钠）。 其主要原理是因为使用的阳离子交换膜，该膜有特殊的选择透过性，只允许阳离子通过而阻止阴离子和气体通过，即只允许H+、Na+通过，而Cl－、OH－和两极产物H2和Cl2无法通过，因而起到了防止阳极产物Cl2和阴极产物H2相混合而可能导致爆炸的危险，还起到了避免Cl2和阴极另一产物NaOH反应而生成NaClO影响烧碱纯度的作用。这种工艺的缺点是在得到烧碱的同时电解产生了氯气和氢气，能耗高，工艺复杂。由电解槽出来的湿氯气，温度高并伴有大量的水蒸气和杂质，具有较强的腐蚀性，必须经过冷却、干燥和净化处理。同时由电解槽出来的氢气温度高、含水量大、且含碱雾，故必须进行冷却。冷却系统分直接冷却和间接冷却两种，建议选择氢气洗涤塔直接洗涤冷却降温、列管换热器间接冷却，水环式氢气压缩机输送。
为了克服上述制碱方法的缺点，采用双极膜与两种离子交换膜组合制酸碱。其原理正如徐铜文、何炳林在“双极膜-新的工业革命”（院士论坛，22卷3期P20）中所描述的酸碱生产的由双极膜与两种离子交换膜组成的两室或三室结构制酸碱模式。在“水处理技术”第32卷第6期78页描述了一种“双极膜制酸碱实验”，其装置示意图如图1。在正负电极之间分布有阴极膜、阳极膜、双极膜、阴极膜、阳极膜。这种膜堆结构最大的弱点是当正负电极间加以电压时，双极膜两侧的电降很难保证符合要求。同时，用膜数量也多，在两电极内侧产生极室不能生成酸或碱。
发明内容
针对现有技术中的上述制碱缺点，本发明提出一种纳米纤维双极膜制备酸碱的方法，利用纳米纤维双极膜的特性，在阳离子交换和阴离子交换膜界面，在一定的电场下具有对水分子分解成H+和OH-作用，将盐溶液制备成酸和碱。
一般说双极膜既能阻挡阴离子通过又能阻挡阳离子。阳离子H+只能在阳离子膜层通过，阴离子OH-只能在阴离子膜层通过。而纳米纤维离子膜性能不同，其具有双通性，用一片双极膜与相应的电极组成膜堆可以实现制酸碱的目的。以氯化钠为例，各离子运行路径为，Na+向负电极方向迁移，Cl-向正电极方向迁移。H+和OH-离子的运行方向与传统要求不同，H+与Cl-配对形成HCl，OH-与Na+配对形成NaOH。
上述纳米纤维离子膜的制备方法可以参考现有技术中已知的方法进行制备，如专利ZL200710122897.5就记载了纳米纤维离子膜的制备方法中的一种，在此将其全文引入本申请。
本发明还保护一种通过纳米纤维双极膜制备酸碱的设备，包括两个电极，所述两电极位于纳米纤维双极膜的两侧，电极面与膜面距离小于1mm但不接触，电极极性分布以双极膜的极性为依据，正极电压对应双极膜的阴离子膜面；所用电压差在0.6-1.0伏范围，在常温下运行制酸碱。
进一步的，电极材料为耐酸碱的镍网，或钛涂钌网。
本发明还保护一种通过多个纳米纤维双极膜制备酸碱的设备，包括多张纳米纤维双极膜组合的膜堆，每个膜室都有两个等电位的电极，其中，第二张双极膜的阴离子交换膜面对应第一张阴膜面，第三张阳膜面对应第二张阳膜面，以此类推，将这两种膜室简称为阴膜室或酸室和阳膜室或碱室，所述碱室和所述酸室都与循环泵连接，以盐溶液为起始循环液分别循环，制备酸碱。
进一步的，所述盐溶液为NaCl水溶液，浓度为5-26%范围。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：1. 采用单一的双极膜制酸碱，无需与其他膜组合，因此单张双极膜也能装配成制酸碱系统；2. 电场直接施加在双极膜两侧，便于调节避免过高电压造成能量损失；3. 酸碱制备过程中无任何气体产生，生产安全性高。
附图说明
下面通过附图对本发明做进一步的描述：
图1现有技术中的“双极膜制酸碱实验”装置示意图；
1. 阳极液贮槽 2. 阴极液贮槽 3. 盐槽 4. 碱槽 5. 酸槽 A. 阴膜 C.阳膜 P. 蠕动泵 A—C.双极膜
图2本发明的单片双极膜制酸碱示意图；
图3本发明的多张双极膜制酸碱组合方式示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步的描述：
实施例一
以图2为例阐述具体实施方式。从图2中可以看到正电极部分属于酸室，负电极部分属于碱室。将一定浓度的NaCl水溶液分别注入酸室和碱室，并排除空气以液体充满两室，分别循环。在两电极上施以1伏的电压。在电压范围内Cl-向正电极方向迁移，透过网状电极进入酸室与H+复合形成HCl。Na+向负电极方向迁移，透过网状电极进入碱室与OH-复合形成NaOH。由于双极膜在电压范围内，使H2O产生H+和OH-，并分别被Cl-和Na+带入酸室和碱室。
上面结合实施例对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述实施例的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种纳米纤维双极膜制备酸碱的方法，其特征在于，利用纳米纤维双极膜的特性，在阳离子交换和阴离子交换膜界面，在一定的电场下具有对水分子分解成H+和OH-作用，将盐溶液制备成酸和碱。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述盐溶液为NaCl水溶液，浓度为5-26%范围。
3.一种通过纳米纤维双极膜制备酸碱的设备，其特征在于，包括两个电极，所述两电极位于纳米纤维双极膜的两侧，电极面与膜面距离小于1mm但不接触，电极极性分布以双极膜的极性为依据，正极电压对应双极膜的阴离子膜面；所用电压差在0.6-1.0伏范围，以盐溶液为起始循环液分别循环，在常温下运行制备酸碱。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，电极材料为耐酸碱的镍网，或钛涂钌网。
5.一种通过多个纳米纤维双极膜制备酸碱的设备，其特征在于，包括多个纳米纤维双极膜组合的膜堆，每个膜室都有两个等电位的电极，其中，第二个纳米纤维双极膜的阴离子交换膜面对应第一张阴膜面，第三张阳膜面对应第二张阳膜面，以此类推，将这两种膜室简称为阴膜室或酸室和阳膜室或碱室，所述碱室和所述酸室都与循环泵连接，以盐溶液为起始循环液分别循环，在常温下运行制备酸碱。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的设备，其特征在于，所述盐溶液为NaCl水溶液，浓度为5-26%范围。
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