[发明专利]用电化学分解盐溶液制成有关碱和酸的新装置和新方法

说明书

在电化学领域中，以电解法生产氯-碱是应用最广泛的方法。该方法是利用氯化钠，通过施加电流把氯化钠转化成氢氧化钠和氯气。

尽管不那么普遍，人们还知道一种基于用氯化钾作起始原料制取最终产品为氢氧化钾和氯气的方法。氯气和苛性苏打也可分别按如下概述的方法生产：

-氢氯酸的电解或催化氧化。氢氯酸（盐酸）是有机物氯化所产生的大量副产物，氢氯酸还可通过氯化钠同硫酸之间的反应而得到，此时副产硫酸钠。

-碳酸钠溶液与石灰进化苛化反应，随后过滤出固体碳酸钙副产物，再把含有来自石灰和碳酸钠溶液的各种杂质的氢氧化钠稀溶液浓缩。

碳酸钠通常是用苏尔维（Solvay）所开发的方法生产，该方法是以氯化钠盐水转化为碳酸氢钠为基础，借助于它同循环使用的氨和二氧化碳的化学反应生成的碳酸氢钠很难溶解，然后将所得碳酸氢钠经焙烧转化成碳酸钠。

因此原料有氯化钠、石灰和二氧化碳，后两者均可从碳酸钙得到，由于不可避免的损失，氨需要不断补充。

碳酸钠的另一个来源可以碳酸钠石或天然小苏打矿物作代表，这些矿物含有碳酸钠、碳酸氢钠和少量其它化合物，如氯化钠。

很显然，上述各种方法都是操作费用高的复杂工艺方法。正因为如此，这些方法在过去已逐渐被淘汰，市场更多地转向氯-碱电解法，氯-碱电解法本质上比较简单，能效高，这是由于汞阴极逐渐发展为隔膜电解池，现在又发展到膜电解池所发展的电解池工艺。但是目前氯-碱电解法有下滑趋势，这与氢氧化钠和氯气产量间严格的化学计量平衡有密切关系。这种严格的连系当氯气（供聚氯乙烯，氯化溶剂，造纸工业中的漂白、各种化学反应等用）和氢氧化钠（用于玻璃工业，造纸工业，各种化学用途）两种市场大体上平衡时是没有什么问题的。最近，氯（气）销售市场的持续下降趋势（聚氯乙烯和氯化溶剂用量减少，造纸工业用量下降），同时苛性苏打的需求量在最近的将来含有所增长，这就迫使工业朝生产氢氧化钠又不同时生产氯（气）的其它路线发展，有些路线甚至考虑到有不需要的副产物。这就解释了碳酸钠苛化法尽管它比较复杂而且耗价高又得以复苏的原因。

在这种背景下，电化学工业准备从已有的方法（见C.L.Mantell，工业电化学，Mc  Graw-Hill）中推出另一种方法，并且由于它使用了新的原料和高选择性离子交换膜使这种方法更具有竞争力。最感兴趣的建议是以电解硫酸钠溶液为代表的方法，硫酸钠是直接开采的或是由各种化学过程的副产物。电解是在有两个电解质隔室的单元电解池组成的电解槽中进行的，这两个电解质隔室被阳离子交换膜隔开，或是在一个更加精心设计的装置，该装置的电解槽是由装有阴离子和阳离子交换膜的三个电解质隔室的单元电解池制成。这种方法又称为硫酸钠分解法产生氢氧化钠（15～25%）、氢化氧，和在最简单的设计中产生的是含有硫酸的稀释硫酸钠;而在比较精细的设计中，产生的是稀释硫酸钠和纯硫酸。当氢氧化钠是希望得到的产品时，纯的硫酸和硫酸钠的酸性溶液都会造成严重的问题。如果这些产物不是循环使用，而是放到工厂中的其它装置中去，那么它们必须浓缩，这就涉及到有关成本的提高，在工业化前，很难销售，通常大量使用的是用催化法大型装置生产的低价96～98%的硫酸。在电解槽的单元电解池的阳极上放出氧气，还要涉及到高池电压。对较简单的设计来说池电压为3.5伏特，而对精致的设计是4.5-5伏特。二者均需在膜承受3000安培/米²下操作。这种高电压意味着高能耗（2700～3700千瓦小时/吨苛性苏打）。