[发明专利]一种基于阴阳离子交换膜与双极膜构成的三膜四室无氯产碱电解槽

说明书

技术领域

      本发明涉及一种绿色环保，高效节能的电解槽。具体涉及用金属酞菁衍生物改性的具有高离子传导性阴离子交换膜、阳离子交换膜与双极膜，并基于阴阳离子交换膜与双极膜构成的三膜四室无氯产碱电解槽。

背景技术

氯碱工业是传统电化学工业的基础，其产品烧碱、盐酸、氯气是化学工业的基础原料。在传统的氯碱生产工艺中，氯碱的平衡问题是关系到氯碱工厂安全及高效生产的关键。也就是说，氯碱的产量是相互制约的，多产碱就意味着多产氯，因此氯产品的销路就成了氯碱生产的瓶径。随着人类生活水平的提高，对无公害、环保的绿色生产技术越来越关注。近年来已查出许多有机氯产品是致癌性物质，因此作为水厂消毒剂的氯产品和生活类塑料制品的氯原料的销量锐减，传统氯碱生产工艺中的氯碱平衡被打破了。

为此，可以设计一种以使用阳离子交换膜与双极膜组装的三膜四室的电解槽来实现无氯产碱的目标。

本发明拟提出以金属酞菁衍生物改性离子交换膜，以提高其离子交换容量，进而降低膜阻抗和电槽电压。在该技术中，由于使用离子交换膜作为电渗析槽的隔膜，因此低的膜阻抗、高的离子传导效率，是该技术节能降耗的主要关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种以金属酞菁衍生物改性，并基于阴离子交换膜、阳离子交换膜与双极膜相组合的三膜四室无氯产碱电解槽。

为实现本发明的目的采用的技术方案是：

在电解槽阳极和阴极之间，依次设置有分别经过金属酞菁衍生物改性的阴离子交换膜、阳离子交换膜和双极膜，其中电解槽阳极与阴离子交换膜之间为电解室Ⅰ，阴离子交换膜与阳离子交换膜之间为电解室Ⅱ，阳离子交换膜与双极膜之间为电解室Ⅲ，双极膜与电解槽阴极之间为电解室Ⅳ，形成三膜四室高离子传导膜组成的无氯产碱电解槽。双极膜的阴膜层朝向阳离子交换膜，双极膜的阳膜层朝向阴级；电解槽阴极电极、电解槽阳极电极可分别采用DSA电极，铅电极或石墨电极。在电解使用中，在阳极上的电极反应是析氧，在阴极上的电极反应是析氢。

本技术方案在阳离子交换膜与阳极间设置了阴离子交换膜，使得电解室Ⅰ中H⁺离子无法通过阴离子交换膜进入电解室Ⅱ中，从而保证了电解室Ⅱ中只有硫酸钠的Na⁺。通电后在电场作用下，电解室Ⅱ中的硫酸根阴离子透过阴离子交换膜进入电解室Ⅰ，Na⁺阳离子进入电解室Ⅲ，构成溶液中的离子电荷通路。电解室Ⅱ中的Na⁺阳离子通过阳离子交换膜进入电解室Ⅲ中。在电场的作用下，双极膜中间层内的水发生解离，氢氧根离子（OH^?）透过阴离子交换膜层到达电解室Ⅲ，与从电解室Ⅱ中经阳离子交换膜渗透入电解室Ⅲ的Na⁺结合生成氢氧化钠NaOH。

阴、阳极电极：可分别采用DSA电极，铅电极或石墨电极。

阳离子交换膜：

准确称取4～6 g羧甲基纤维素钠（CMC）, 配制成200～280 mL的 CMC水溶液, 另外称取0.08～0.1 g的羧基羧基金属（metal，用M表示）酞菁衍生物[MPc(COOH)_X], 用10mL四氢呋喃溶解, 缓慢加入到CMC水溶液中, 搅拌均匀, 减压脱泡, 得到粘稠膜液, 流延于平整的培养皿中, 在室温下风干成膜, 用重量分数为8%(下同)的氯化铬溶液浸泡30～40min后, 用蒸馏水冲洗, 自然风干，即得到MPc(COOH)_X-CMC阳离子交换膜，其中X为氨基数量。 

阴离子交换膜：

准确称取3～6g 壳聚糖, 用2.0%的乙酸水溶液溶解, 配制成重量分数为3.0～4.5%的壳聚糖乙酸水溶液, 另外称取0.06～0.08 g的氨基金属（metal，用M表示）酞菁衍生物[MPc(NH₂)_X], 用10mL四氢呋喃溶解，缓慢滴加 3 mL体积分数为 0.25%的戊二醛, 搅拌均匀, 减压脱泡, 得到阴离子交换膜液。将阴离子交换膜液流延于平整的培养皿中, 在室温下风干成膜,即制成阴离子交换膜MPc(NH₂)_X-CS。其中X为氨基数量。

双极膜：