氯碱工业如何防止电极产物

‘壹’ 氯碱工艺：石棉膜槽法、汞槽法、离子膜电解槽法，三者的工艺原理、操作过程，比较相互的优缺点

1、离子交换膜法制烧碱的原理
离子交换膜电解槽的构成
离子交换膜电解槽：主要由阳极、阴极、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成；每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。阳极用金属钛网制成，为了延长电极使用寿命和提高电解效率，阳极网上涂有钛、钌等氧化物涂层；阴极由碳钢网制成，上面涂有镍涂层；离子交换膜把电解槽分成阴极室和阳极室。
电极均为网状，可增大反应接触面积，阳极表面的特殊处理是考虑阳极产物Cl2的强腐蚀性。
离子交换膜法制烧碱名称的由来，主要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。
2．离子交换膜法电解制碱的主要生产流程
如图，精制的饱和食盐水进入阳极室；纯水（加入一定量的NaOH溶液）加入阴极室，通电后H2O在阴极表面放电生成H2，Na+则穿过离子膜由阳极室进入阴极室，此时阴极室导入的阴极液中含有NaOH；Cl－则在阳极表面放电生成Cl2。电解后的淡盐水则从阳极室导出，经添加食盐增加浓度后可循环利用。
阴极室注入纯水而非NaCl溶液的原因是阴极室发生反应为2H++2e－=H2↑；而Na+则可透过离子膜到达阴极室生成NaOH溶液，但在电解开始时，为增强溶液导电性，同时又不引入新杂质，阴极室水中往往加入一定量NaOH溶液。
氯碱工业的主要原料：饱和食盐水，但由于粗盐水中含有泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO等杂质，远不能达到电解要求，因此必须经过提纯精制。

‘贰’ 氯碱工业的生产工艺

1.隔膜法
电解在立式隔膜电解槽中进行，如图 a所示。电解槽的阳极用涂有tiO 2 － RuO 2 涂层的钛或石墨制成，阴极由铁丝网制成，网上附着一层石棉绒做隔膜，这层隔膜把电解槽分隔成阳极室和阴极室。将已除去Ca 2+ 、Mg2+ 、
下两种电离方程：
NaCl =Na+ + Cl-
H2O= （可逆）H+ + OH-
所以，食盐水中含有Na+ 、H+ 、Cl- 和OH- 四种离子。当接通电源后，在电场的作用下，带负电的Cl-和 OH- 移向阳极，带正电的Na+和H+移向阴极，在这种条件下，电极上发生如下反应：
在阳极 2Cl - － 2e= Cl 2 ↑
在阴极 2H + + 2e=H 2 ↑
即在阳极室放出 Cl 2 ，阴极室放出 H 2。由于阴极上有隔膜，而且阳极室的液位比阴极室高，所以可以阻止 H 2 跟 Cl 2 混合，以免引起爆炸。由于H+不断放电，破坏了水的电离平衡，促使水不断电离，造成溶液中 OH - 的富集。这样在阴极室就形成了NaOH溶液，它从阴极室底部流出。电解食盐水的总反应可以表示如下：
2NaCl+2H2O= 2NaOH+H 2 ↑+ Cl 2 ↑
用这种方法生产的碱液比较稀，其中含有多量未电解的NaCl，需要经过分离、浓缩，才能得到固态NaOH。
2. 双电解池法（Diaphragm cell）
该方法类似于隔膜法，但是把反应分在两个电解池中反应 。这样进一步避免了氯气和氢氧化钠的反应。这样合成的氯气含有少量的氧气 。
3. 水银电解池法（Castner–Kellner process）
以上的电解池得到的氢氧化钠中都含有微量的氯化钠，而水银电解池法则可以合成完全不含氯化钠的氢氧化钠。如图所示，水银电解池法把两种电解质用水银隔开。阳极放置在饱和食盐水中，阴极放置在氢氧化钠溶液中。通电时，氯离子被阳极氧化：
2Cl - － 2e= Cl 2 ↑
钠离子则在水银中被还原。
Na++e-=Na
由于钠离子可溶于水银，并且水银阻止钠与水反应，所以会形成钠汞合金。在含有氢氧化钠的电解池中，钠汞合金成了阳极，钠重新被氧化：
Na=Na++e-
水则在阴极被还原成氢气和氢氧根离子：
2H2O+2e-=H2+2OH-
这种方法曾一度被用来广泛生产氯气和氢氧化钠。然而，该装置需要使用大量的水银，不但成本昂贵，而且有一定的隐患。曾经在加拿大（安大略）和日本（水俣）发生的大规模的汞中毒（水俣病）事件 ，就与水银电解池法有关。目前，该方法使用的水银在一些国家已经被其他物质取代。

‘叁’ 氯碱工业涉及反应方程式.原料,反应条件.

工业上用电解饱和NaCl溶液的方法来制取NaOH、Cl2和H2 总反应 2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2↑+H2↑ 条件通电

‘肆’ 为什么氯碱工业中用阳离子交换膜 不用阴离子 不用交换膜不行

氯碱工业是为了得到NaOH溶液、Cl2、H2

总反应方程式为：2NaCl+2H20=电解=2NaOH+Cl2↑+H2↑

阳极反应：2Cl- - 2e- ==Cl2↑ ，是Cl-失电子被氧化成Cl2

阴极反应：2H2O + 2e- ==2OH- + H2↑ ，是水得电子被还原成H2

由于阴极区氢氧根较多，为了得到NaOH所以采用的不是阴膜而是阳膜，让阳极区的Na+通过而平衡电荷，起到盐桥的作用；同时可以隔开阳极和阴极，防止产物混合，如H2和Cl2混合会爆炸，Cl2和NaOH混合会使NaOH不纯。

1| 氯离子的来源及危害
Cl-可与Na+、Ca2+、Mg2+、K+等的离子形成氯化物。地表水中氯化物的来源有自然源和人为源两类。自然源主要有两种：一是水源流过含氯化物地层，导致食盐矿床和其他含氯沉积物溶解于水；二是接近海洋的河流或江水受到潮水和海水吹来的风的影响，导致水中氯化物含量增加。人为源主要有采矿、石油化工、食品、冶金、制革（鞣革）、化学制药、造纸、纺织、油漆、颜料和机械制造等行业所排放的工业废水以及人类生活所产生的生活污水，其中工业排放是最主要来源。

工业废水中氯化物含量较高，如泡菜行业腌渍废水氯离子浓度可达1153000mg/L，如不加控制直接排入水体，将严重危害水环境、破坏水平衡，影响水质，对渔业生产、农业灌溉、淡水资源造成影响，严重时甚至会污染地下水和引用水源。比如，水中氯化物含量过高时，会腐蚀金属管道和构筑物、妨碍植物生长、影响土壤铜的活性、引起土壤盐碱化（特别是四川地区）、使人类及生物中毒。当水中阳离子为镁，氯化物浓度为100mg/L 时，即可使人致毒。

‘伍’ 高中化学 氯碱工业

阳极反应：2Cl-－2e=Cl2↑（氧化反应） H+比Na+容易得到电子，因而H+不断地从阴极获得电子被还原为氢原子，并结合成氢分子从阴极放出。 阴极反应：2H+＋2e＝H2↑（还原反应） 在上述反应中，H+是由水的电离生成的，由于H+在阴极上不断得到电子而生成H2放出，破坏了附近的水的电离平衡，水分子继续电离出H+和OH-， H+又不断得到电子变成H2，结果在阴极区溶液里OH-的浓度相对地增大，使酚酞试液变红。因此，电解饱和食盐水的总反应可以表示为： 电解饱和食盐水
总反应 2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2↑+H2↑ 工业上利用这一反应原理，制取烧碱、氯气和氢气。 在上面的电解饱和食盐水的实验中，电解产物之间能够发生化学反应，如NaOH溶液和Cl2能反应生成NaClO、H2和Cl2混合遇火能发生爆炸。在工业生产中，要避免这几种产物混合，常使反应在特殊的电解槽中进行。

‘陆’ 求氯碱工业的讲解跟流程图。

工业上用电解饱和NaCl溶液的方法来制取NaOH、Cl2和H2，并以它们为原料生产一系列化工产品，称为氯碱工业。氯碱工业是最基本的化学工业之一，它的产品除应用于化学工业本身外，还广泛应用于轻工业、纺织工业、冶金工业、石油化学工业以及公用事业。

电解饱和食盐水反应原理

阳极反应：2Cl-－2e=Cl2↑（氧化反应）
H+比Na+容易得到电子，因而H+不断地从阴极获得电子被还原为氢原子，并结合成氢分子从阴极放出。
阴极反应：2H++2e=H2↑（还原反应）
在上述反应中，H+是由水的电离生成的，由于H+在阴极上不断得到电子而生成H2放出，破坏了附近的水的电离平衡，水分子继续电离出H+和OH-，
H+又不断得到电子变成H2，结果在阴极区溶液里OH-的浓度相对地增大，使酚酞试液变红。因此，电解饱和食盐水的总反应可以表示为：
总反应
2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2↑+H2↑
工业上利用这一反应原理，制取烧碱、氯气和氢气。
在上面的电解饱和食盐水的实验中，电解产物之间能够发生化学反应，如NaOH溶液和Cl2能反应生成NaClO、H2和Cl2混合遇火能发生爆炸。在工业生产中，要避免这几种产物混合，常使反应在特殊的电解槽中进行。
编辑本段
离子交换膜法制烧碱

目前世界上比较先进的电解制碱技术是离子交换膜法。这一技术在20世纪50年代开始研究，80年代开始工业化生产。
离子交换膜电解槽主要由阳极、阴极、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成，每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。右图表示的是一个单元槽的示意图。电解槽的阳极用金属钛网制成，为了延长电极使用寿命和提高电解效率，钛阳极网上涂有钛、钌等氧化物涂层；阴极由碳钢网制成，上面涂有镍涂层；阳离子交换膜把电解槽隔成阴极室和阳极室。阳离子交换膜有一种特殊的性质，即它只允许阳离子通过，而阻止阴离子和气体通过，也就是说只允许Na+通过，而Cl-、OH-和气体则不能通过。这样既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影响烧碱的质量。下图是一台离子交换膜电解槽（包括16个单元槽）。
精制的饱和食盐水进入阳极室；纯水（加入一定量的NaOH溶液）加入阴极室。通电时，H2O在阴极表面放电生成H2，Na+穿过离子膜由阳极室进入阴极室，导出的阴极液中含有NaOH；Cl-则在阳极表面放电生成Cl2。电解后的淡盐水从阳极导出，可重新用于配制食盐水。
离子交换膜法电解制碱的主要生产流程可以简单表示如下图所示：
电解法制碱的主要原料是饱和食盐水，由于粗盐水中含有泥沙，
精制食盐水时经常进行以下措施
（1）过滤海水
（2）加入过量氢氧化钠，去除钙、镁离子，过滤
Ca(2+)+2OH(-)=Ca(OH)2（微溶）
① Mg(2+)+2OH(-)=Mg(OH)2↓
② Mg(HCO3)2+2OH(-)=MgCO3+2H2O
MgCO3+2H2O=Mg(OH)2+H2O+CO2
（3）加入过量氯化钡，去除硫酸根离子，过滤
Ba(2+)+SO4(2-)=BaSO4↓
（4）加入过量碳酸钠，去除钙离子、过量钡离子，过滤
Ca(2+)+CO3(2-)=CaCO3↓
Ba(2+)+CO3(2-)=BaCO3↓
（5）加入适量盐酸，去除过量碳酸根离子
2H(+)+CO3(2-)=CO2↑+H2O
（6）加热驱除二氧化碳
（7）送入离子交换塔，进一步去除钙、镁离子
（8）电解
2NaCl+2H2O=(通电)H2↑+Cl2↑+2NaOH
离子交换膜法制碱技术，具有设备占地面积小、能连续生产、生产能力大、产品质量高、能适应电流波动、能耗低、污染小等优点，是氯碱工业发展的方向。
编辑本段
以氯碱工业为基础的化工生产

NaOH、Cl2和H2都是重要的化工生产原料，可以进一步加工成多种化工产品，广泛用于各工业。所以氯碱工业及相关产品几乎涉及国民经济及人民生活的各个领域。
由电解槽流出的阴极液中含有30%的NaOH，称为液碱，液碱经蒸发、结晶可以得到固碱。阴极区的另一产物湿氢气经冷却、洗涤、压缩后被送往氢气贮柜。阳极区产物湿氯气经冷却、干燥、净化、压缩后可得到液氯。
2NaOH+Cl2= NaCl+NaClO+H2O
H2O+Cl2=HCl+HClO
H2+Cl2=2HCl
2NaOH+CO2=Na2CO3(苏打)+H2O
NaOH+CO2=NaHCO3(小苏打)
随着人们环境保护意识的增强，对以氯碱工业为基础的化工生产过程中所造成的污染及其产品对环境造成的影响越来越重视。例如，现已查明某些有机氯溶剂有致癌作用，氟氯烃会破坏臭氧层等，因此已停止生产某些有机氯产品的措施。我们在充分发挥氯碱工业及以氯碱工业为基础的化工生产在国民经济发展中的作用的同时，应尽量减小其对环境的不利影响。
编辑本段
我国氯碱工业的发展

我国最早的氯碱工厂是1930年投产的上海天原电化厂（现上海天原化工厂的前身），日产烧碱2t。到1949年解放时，全国只有少数几家氯碱厂，烧碱年产量仅1.5万吨，氯产品只有盐酸、液氯、漂白粉等几种。
近年来，我国的氯碱工业在产量、质量、品种、生产技术等方面都得到很大发展。到1990年，烧碱产量达331万吨，仅次于美国和日本，位于世界第三位。1995年，烧碱产量达496万吨，其中用离子交换膜电解法生产的达56.2万吨，占总产量的11.3%。预计到2000年，烧碱年产量将达540万吨，其中用离子膜电解法生产的将达180万吨，占33.3%。

‘柒’ 氯碱工业中采用阳离子交换膜电解槽,可以防止氯气与碱反应。

正确，但是不仅仅是这些,还包括以下：1）阻止 H 2 跟 Cl 2 混合，以免引起爆炸；2）阻止OH-从阴极室到阳极室；3）阻止CL2和OH-离子即碱反应。
在阳极室Cl - 离子失去电子生成CL2，阴极室 H +离子得到电子生成 H 2 ，同时阴极室产生大量 OH - 离子，这样和从阳极迁移过来的Na+一起在在阴极室就形成了 NaOH溶液。阳离子交换膜隔离了气相和液相中的阳离子。

‘捌’ 氯碱工业必须解决的问题是如何隔开氯气与氢气和NaOH溶液并保证电解反应正常进行．水银法也是氯碱工业常采

（1）在电解池的阴极上是阳离子氢离子发生得电子的还原反应，产生氢气，在阳极上是阴离子氯离子发生失电子的氧化反应，产生氯气，即2Cl^--2e^-=Cl₂↑，故答案为：氢气；2Cl^--2e^-=Cl₂↑；
（2）根据题意，Na⁺在汞阴极上放电并析出金属钠，且金属钠可以和水之间发生反应生成氢氧化钠溶液和氢气，2Na+2H₂O=2NaOH+H₂↑，所以溶液C的溶质是氢氧化钠，故答案为：氢氧化钠；2Na+2H₂O=2NaOH+H₂↑；
（3）根据电解槽的工作原理，在反应过程中，可以看出淡盐水是产物，饱和食盐水需要不断补充，可以知道氯化钠是可以循环使用的物质，此外，作电极材料的Hg也是可以循环使用的，故答案为：Hg（或是NaCl）；
（4）比较表中的各组数据可以看出，与离子膜法相比，水银法获得的烧碱纯度高，且质量好，但是水银法使用的材料汞有毒，容易造成环境污染，故答案为：
烧碱纯度高，质量好；汞容易造成环境污染．

‘玖’ 氯碱工业的反应原理

阳极反应：2Cl-－2e=Cl2↑（氧化反应）
H+比Na+容易得到电子，因而H+不断地从阴极获得电子被还原为氢原子，并结合成氢分子从阴极放出。
阴极反应：2H+＋2e＝H2↑（还原反应）
在上述反应中，H+是由水的电离生成的，由于H+在阴极上不断得到电子而生成H2放出，破坏了附近的水的电离平衡，水分子继续电离出H+和OH-，
H+又不断得到电子变成H2，结果在阴极区溶液里OH-的浓度相对地增大，使酚酞试液变红。因此，电解饱和食盐水的总反应可以表示为：
总反应
2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2↑+H2↑
工业上利用这一反应原理，制取烧碱、氯气和氢气。
在上面的电解饱和食盐水的实验中，电解产物之间能够发生化学反应，如NaOH溶液和Cl2能反应生成NaClO、H2和Cl2混合遇火能发生爆炸。在工业生产中，要避免这几种产物混合，常使反应在特殊的电解槽中进行。

‘拾’ 中学化学里的氯碱工业

工业上用电解饱和NaCl溶液的方法来制取NaOH、Cl2和H2，并以它们为原料生产一系列化工产品，称为氯碱工业。氯碱工业是最基本的化学工业之一，它的产品除应用于化学工业本身外，还广泛应用于轻工业、纺织工业、冶金工业、石油化学工业以及公用事业。

一、电解饱和食盐水反应原理

电解饱和食盐水的原理与前面学过的电解CuCl2 溶液的原理是相类似的。

【实验3】 在U型管里装入饱和食盐水，用一根碳棒作阳极，一根铁棒作阴极（如右图）。同时在两边管中各滴入几滴酚酞试液，并把湿润的碘化钾淀粉试纸放在阳极附近。接通直流电源后，注意观察管内发生的现象及试纸颜色的变化。

从实验可以看到，在U型管的两个电极上都有气体放出。阳极放出的气体有刺激性气味，并且能使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝，说明放出的是Cl2；阴极放出的气体是H2，同时发现阴极附近溶液变红，这说明溶液里有碱性物质生成。

为什么会出现这些实验现象呢？

这是因为NaCl是强电解质，在溶液里完全电离，水是弱电解质，也微弱电离，因此在溶液中存在Na+、H+、Cl-、OH-四种离子。当接通直流电源后，带负电的OH-和Cl-向阳极移动，带正电的Na+和H+向阴极移动。在这样的电解条件下，Cl-比OH-更易失去电子，在阳极被氧化成氯原子，氯原子结合成氯分子放出，使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝。

阳极反应：2Cl-－2e-=Cl2↑（氧化反应）

H+比Na+容易得到电子，因而H+不断地从阴极获得电子被还原为氢原子，并结合成氢分子从阴极放出。

阴极反应：2H+＋2e-＝H2↑（还原反应）

在上述反应中，H+是由水的电离生成的，由于H+在阴极上不断得到电子而生成H2放出，破坏了附近的水的电离平衡，水分子继续电离出H+和OH-，

H+又不断得到电子变成H2，结果在阴极区溶液里OH-的浓度相对地增大，使酚酞试液变红。因此，电解饱和食盐水的总反应可以表示为：

工业上利用这一反应原理，制取烧碱、氯气和氢气。

在上面的电解饱和食盐水的实验中，电解产物之间能够发生化学反应，如NaOH溶液和Cl2能反应生成NaClO、H2和Cl2混合遇火能发生爆炸。在工业生产中，要避免这几种产物混合，常使反应在特殊的电解槽中进行。

二、离子交换膜法制烧碱

目前世界上比较先进的电解制碱技术是离子交换膜法。这一技术在20世纪50年代开始研究，80年代开始工业化生产。

离子交换膜电解槽主要由阳极、阴极、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成，每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。右图表示的是一个单元槽的示意图。电解槽的阳极用金属钛网制成，为了延长电极使用寿命和提高电解效率，钛阳极网上涂有钛、钌等氧化物涂层；阴极由碳钢网制成，上面涂有镍涂层；阳离子交换膜把电解槽隔成阴极室和阳极室。阳离子交换膜有一种特殊的性质，即它只允许阳离子通过，而阻止阴离子和气体通过，也就是说只允许Na+通过，而Cl-、OH-和气体则不能通过。这样既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影响烧碱的质量。下图是一台离子交换膜电解槽（包括16个单元槽）。

精制的饱和食盐水进入阳极室；纯水（加入一定量的NaOH溶液）加入阴极室。通电时，H2O在阴极表面放电生成H2，Na+穿过离子膜由阳极室进入阴极室，导出的阴极液中含有NaOH；Cl-则在阳极表面放电生成Cl2。电解后的淡盐水从阳极导出，可重新用于配制食盐水。

离子交换膜法电解制碱的主要生产流程可以简单表示如下图所示：

电解法制碱的主要原料是饱和食盐水，由于粗盐水中含有泥沙、

精制食盐水时经常加入Na2CO3、NaOH、BaCl2等，使杂质成为沉淀过滤除去，然后加入盐酸调节盐水的pH。例如：

加入Na2CO3溶液以除去Ca2+：

加入NaOH溶液以除去Mg2+、Fe3+等：

Mg2+＋2OH-＝Mg(OH)2↓

Fe3+＋3OH-＝Fe(OH)3↓

以除去过量的Ba2+：

这样处理后的盐水仍含有一些Ca2+、Mg2+等金属离子，由于这些阳离子在碱性环境中会生成沉淀，损坏离子交换膜，因此该盐水还需送入阳离子交换塔，进一步通过阳离子交换树脂除去Ca2+、Mg2+等。这时的精制盐水就可以送往电解槽中进行电解了。

离子交换膜法制碱技术，具有设备占地面积小、能连续生产、生产能力大、产品质量高、能适应电流波动、能耗低、污染小等优点，是氯碱工业发展的方向。

三、以氯碱工业为基础的化工生产

NaOH、Cl2和H2都是重要的化工生产原料，可以进一步加工成多种化工产品，广泛用于各工业。所以氯碱工业及相关产品几乎涉及国民经济及人民生活的各个领域。

由电解槽流出的阴极液中含有30％的NaOH，称为液碱，液碱经蒸发、结晶可以得到固碱。阴极区的另一产物湿氢气经冷却、洗涤、压缩后被送往氢气贮柜。阳极区产物湿氯气经冷却、干燥、净化、压缩后可得到液氯。

以氯碱工业为基础的化工生产及产品的主要用途见下图。

随着人们环境保护意识的增强，对以氯碱工业为基础的化工生产过程中所造成的污染及其产品对环境造成的影响越来越重视。例如，现已查明某些有机氯溶剂有致癌作用，氟氯烃会破坏臭氧层等，因此已停止生产某些有机氯产品。我们在充分发挥氯碱工业及以氯碱工业为基础的化工生产在国民经济发展中的作用的同时，应尽量减小其对环境的不利影响。

我国氯碱工业的发展

我国最早的氯碱工厂是1930年投产的上海天原电化厂（现上海天原化工厂的前身），日产烧碱2t。到1949年解放时，全国只有少数几家氯碱厂，烧碱年产量仅1.5万吨，氯产品只有盐酸、液氯、漂白粉等几种。

近年来，我国的氯碱工业在产量、质量、品种、生产技术等方面都得到很大发展。到1990年，烧碱产量达331万吨，仅次于美国和日本，位于世界第三位。1995年，烧碱产量达496万吨，其中用离子交换膜电解法生产的达56.2万吨，占总产量的11.3％。预计到2000年，烧碱年产量将达540万吨，其中用离子膜电解法生产的将达180万吨，占33.3％。