烧碱的生产方法

烧碱的生产方法

罗建富 王将永

陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 710100

烧碱，也称氢氧化钠、苛性碱、固碱、火碱、苛性苏打，化学式为NaOH。烧碱具有强碱性，腐蚀性极强，可作酸中和剂、配合掩蔽剂、显色剂、皂化剂、去皮剂、洗涤剂等，用途非常广泛。

烧碱具有很强的吸湿性，易溶于水，溶解时放热，水溶液呈碱性，有滑腻感；腐蚀性极强，对纤维、皮肤、玻璃、陶瓷等有腐蚀作用。与金属铝和锌、非金属硼和硅等反应放出氢；与氯、溴、碘等卤素发生歧化反应；与酸类起中和作用而生成盐和水。

烧碱的生产方法有苛化法和电解法，电解法又有水银电解法、隔膜电解法和离子膜电解法。目前国内工业烧碱生产方法主要为隔膜法和离子膜法。

1、苛化法生产烧碱

纯碱和熟石灰反应，生成的碳酸钙溶解度比氢氧化钙小，所以能够进行苛化反应。与电解法制烧碱相比较，由于纯碱是纯度较高的原料，含氯化钠极少，所得烧碱的纯度也较高。但是需要消耗另一种重要的产品纯碱。原理如下：

Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ = 2NaOH + CaCO₃↓

2、水银法电解生产烧碱

此法采用的主要设备——电解槽由电解室和解汞室组成，其特点是以汞为阴极，得电子生成液态的钠和汞的合金。在解汞室重，钠汞合金与水作用生成氢氧化钠和氢气，析出的汞又回到电解室循环使用。原理如下：

2NaCl+2Hg=2HgNa+Cl₂↑

2HgNa+2H₂O=2NaOH+H₂↑+2Hg

此法的优点是制得的碱液浓度高、质量好、成本低。水银法制碱的最大缺点是汞会对环境造成污染，所以此法已逐渐减少使用。

3、隔膜法生产烧碱

隔膜法电解曾经是生产烧碱最主要的方法，所谓隔膜法是指在阳极与阴极之间设置隔膜，把阴、阳极产物隔开。隔膜是一种多孔渗透性隔层，它不妨碍离子的迁移和电流通过，并使它们以一定的速度流向阴极，但可以阻止OH^-向阳极扩散，防止阴、阳极产物间的机械混合。目前，工业上用得较多的是立式隔膜电解槽。阳极用石墨或金属，阴极用铁丝网或冲孔铁板。当输入直流电进行电解后，食盐水溶液中的部分氯离子在阳极上失去电子生成氯气并逸出。阳极溶液中剩下的钠离子随溶液一同向阴极迁移，流入阴极的电解液，其中的氢离子在阴极得到电子生成氢气自电解槽阴极室逸出。溶液中所剩的氢氧根离子与钠离子形成碱溶液，与未电解的氯化钠溶液一起不断自电解槽中排出。隔膜法制的NaOH水溶液（电解液）质量分数很低（10%~20%），并含有大量的NaCl，需要进行浓缩、蒸发并回收一部分盐，之后才能进行成品包装。

4、离子膜法生产烧碱

离子膜法制碱技术是20世纪70年代中期出现的一种制碱方法，已被公认为目前技术上最先进、经济上最合理的烧碱生产方法。1986年9月我国第一套离子膜制碱装置在羊锅峡建成投产，随着离子膜法氯碱生产技术在我国的推广，我国的氯碱生产技术水平跃上了一个新台阶。离子膜法制烧碱不仅质量好，能耗低，而且从根本上解决了由石棉隔膜法制碱造成的石棉绒对水质的污染和对操作人员健康的影响。

离子膜法制碱发展如此迅速，主要是因为其具有以下优势：

（1）投资省

离子膜法比水银法投资节省10%~15%，比隔膜法节省约15%~25%。

（2）出槽NaOH浓度高

离子膜法出槽NaOH质量分数为30%~35%，预计今后出槽NaOH质量分数将会达到40%~50%。目前已有生产50%NaOH离子膜电解槽的工业化试验在进行。但从耗汽省、耗电多及阴极系统需使用更昂贵的耐腐蚀材料等方面考虑，是不经济的。而对于汽贵电廉的地区，生产40%~50%NaOH是可行的。

（3）能耗低

目前离子膜法制碱直流电耗是2200~2300kW•h/t，同隔膜法电解工艺相比，可节约150~250kW•h/t，同水银法电解工艺相比，可节约900~1000kW•h/t。同水银法电解制碱相比，总能耗可节约10%~15%，同隔膜法电解制碱相比，总能耗可节约20%~25%。

（4）氢氧化钠质量好

离子膜法电解制碱出槽电解液中一般含NaCl为20~35mg/L，50%（质量分数）成品NaOH中含NaCl一般为45~75mg/L，99%(质量分数)固体NaOH含NaCl<10010^-6，可用于合成纤维、医药、水处理剂、石油化工工业等部门。

（5）氯气纯度高，氯中含氧、含氢低

离子膜法电解氯气纯度高达98.5%~99%（体积分数），进槽盐水加酸氯中含氧<0.8%（体积分数），完全适合某些氧氯化法聚氯乙烯对氯中含氧的要求。即使进槽盐水不加酸，氯中含氧1%~1.5%（体积分数），也能满足某些氧氯化法聚氯乙烯生产的需要，并能提高电石法聚氯乙烯和合成盐酸的纯度。另外，氯中含氢约在0.1%（体积分数）以下，不仅能保证液氯生产的安全，而且能提高液化效率。

（6）氢气纯度高

离子膜法电解氢气纯度可高达99.9%（体积分数），对合成盐酸和PVC生产提高氯化氢纯度极为有利，对压缩氢及多晶硅的生产也有莫大的益处。

（7）无污染

离子膜法电解可以避免水银和石棉对环境的污染。离子膜具有较稳定的化学性能，几乎无污染和毒害。

（8）生产成本低

在烧碱的主要消耗指标中，离子膜法均比隔膜法低，直流电耗低（330kW•h/t）,蒸汽消耗低（4t/t），日本离子膜法生产NaOH直接生产成本（含氯、氢）为隔膜法的89%，为水银法的84%。

隔膜法电解槽制得的电解液只含NaOH 10%~12%（质量分数），因此需要蒸发装置蒸浓，消耗大量的蒸汽；蒸发后可获得含NaOH 30%、42%、50%（质量分数）的液碱，但相应仍含有约5%、2%、1%（质量分数）的NaCl。隔膜法的总能耗较高，且石棉隔膜寿命短又是致癌物质。水银法可从电解槽直接制得NaOH浓度为50%（质量分数）的液碱，不需要蒸发，且产品质量好，含盐低，约45mg/L。但水银被公认为是有害物质，日本发生的“水俣病”，是水银中毒的一种典型病例。

离子膜法从电解槽流出的NaOH浓度已能达到30%~35%（质量分数），可以直接作为成品碱出售使用，如果需要浓缩到50%（质量分数），蒸汽消耗为0.6~0.8t/t，只有隔膜法的25%~30%。而且碱液中含NaCl少，蒸发装置的投资少。离子膜具有较稳定的化学性能，几乎无污染和毒害。

离子膜法电解制碱虽具有上述诸多优点，但也存在如下缺点：

（1）离子膜法制碱对盐水质量的要求远远高于隔膜法和水银法，因此要增加盐水二次精制，即增加了设备投资费用。

（2）离子膜本身的费用也非常昂贵，容易损坏，目前国内尚不能制造，需精心维护，精心操作。

综上，烧碱多种生产方法中，离子膜法制烧碱是目前技术上最先进、经济上最合理的产方法。