工業(yè)制燒堿化學(xué)方程式

【專家解說(shuō)】：工業(yè)上用電解飽和NaCl溶液的方法來(lái)制取NaOH、Cl2和H2，并以它們?yōu)樵仙a(chǎn)一系列化工產(chǎn)品，稱為氯堿工業(yè)。氯堿工業(yè)是最基本的化學(xué)工業(yè)之一，它的產(chǎn)品除應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)本身外，還廣泛應(yīng)用于輕工業(yè)、紡織工業(yè)、冶金工業(yè)、石油化學(xué)工業(yè)以及公用事業(yè)。 一、電解飽和食鹽水反應(yīng)原理2NaCl+2H2O=H2↑+Cl2↑+2NaOH 這是因?yàn)镹aCl是強(qiáng)電解質(zhì)，在溶液里完全電離，水是弱電解質(zhì)，也微弱電離，因此在溶液中存在Na+、H+、Cl-、OH-四種離子。當(dāng)接通直流電源后，帶負(fù)電的OH-和Cl-向陽(yáng)極移動(dòng)，帶正電的Na+和H+向陰極移動(dòng)。在這樣的電解條件下，Cl-比OH-更易失去電子，在陽(yáng)極被氧化成氯原子，氯原子結(jié)合成氯分子放出，使?jié)駶?rùn)的碘化鉀淀粉試紙變藍(lán)。 陽(yáng)極反應(yīng)：2Cl-－2e-=Cl2↑（氧化反應(yīng)） H+比Na+容易得到電子，因而H+不斷地從陰極獲得電子被還原為氫原子，并結(jié)合成氫分子從陰極放出。 陰極反應(yīng)：2H+＋2e-＝H2↑（還原反應(yīng)） 在上述反應(yīng)中，H+是由水的電離生成的，由于H+在陰極上不斷得到電子而生成H2放出，破壞了附近的水的電離平衡，水分子繼續(xù)電離出H+和OH-， H+又不斷得到電子變成H2，結(jié)果在陰極區(qū)溶液里OH-的濃度相對(duì)地增大，使酚酞試液變紅。因此，電解飽和食鹽水的總反應(yīng)可以表示為： 工業(yè)上利用這一反應(yīng)原理，制取燒堿、氯氣和氫氣。 在上面的電解飽和食鹽水的實(shí)驗(yàn)中，電解產(chǎn)物之間能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如NaOH溶液和Cl2能反應(yīng)生成NaClO、H2和Cl2混合遇火能發(fā)生爆炸。在工業(yè)生產(chǎn)中，要避免這幾種產(chǎn)物混合，常使反應(yīng)在特殊的電解槽中進(jìn)行。 二、離子交換膜法制燒堿 目前世界上比較先進(jìn)的電解制堿技術(shù)是離子交換膜法。這一技術(shù)在20世紀(jì)50年代開(kāi)始研究，80年代開(kāi)始工業(yè)化生產(chǎn)。 離子交換膜電解槽主要由陽(yáng)極、陰極、離子交換膜、電解槽框和導(dǎo)電銅棒等組成，每臺(tái)電解槽由若干個(gè)單元槽串聯(lián)或并聯(lián)組成。右圖表示的是一個(gè)單元槽的示意圖。電解槽的陽(yáng)極用金屬鈦網(wǎng)制成，為了延長(zhǎng)電極使用壽命和提高電解效率，鈦陽(yáng)極網(wǎng)上涂有鈦、釕等氧化物涂層；陰極由碳鋼網(wǎng)制成，上面涂有鎳涂層；陽(yáng)離子交換膜把電解槽隔成陰極室和陽(yáng)極室。陽(yáng)離子交換膜有一種特殊的性質(zhì)，即它只允許陽(yáng)離子通過(guò)，而阻止陰離子和氣體通過(guò)，也就是說(shuō)只允許Na+通過(guò)，而Cl-、OH-和氣體則不能通過(guò)。這樣既能防止陰極產(chǎn)生的H2和陽(yáng)極產(chǎn)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而影響燒堿的質(zhì)量。下圖是一臺(tái)離子交換膜電解槽（包括16個(gè)單元槽）。 精制的飽和食鹽水進(jìn)入陽(yáng)極室；純水（加入一定量的NaOH溶液）加入陰極室。通電時(shí)，H2O在陰極表面放電生成H2，Na+穿過(guò)離子膜由陽(yáng)極室進(jìn)入陰極室，導(dǎo)出的陰極液中含有NaOH；Cl-則在陽(yáng)極表面放電生成Cl2。電解后的淡鹽水從陽(yáng)極導(dǎo)出，可重新用于配制食鹽水。 離子交換膜法電解制堿的主要生產(chǎn)流程可以簡(jiǎn)單表示如下圖所示： 電解法制堿的主要原料是飽和食鹽水，由于粗鹽水中含有泥沙、 精制食鹽水時(shí)經(jīng)常加入Na2CO3、NaOH、BaCl2等，使雜質(zhì)成為沉淀過(guò)濾除去，然后加入鹽酸調(diào)節(jié)鹽水的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↓ 以除去過(guò)量的Ba2+： 這樣處理后的鹽水仍含有一些Ca2+、Mg2+等金屬離子，由于這些陽(yáng)離子在堿性環(huán)境中會(huì)生成沉淀，損壞離子交換膜，因此該鹽水還需送入陽(yáng)離子交換塔，進(jìn)一步通過(guò)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂除去Ca2+、Mg2+等。這時(shí)的精制鹽水就可以送往電解槽中進(jìn)行電解了。 離子交換膜法制堿技術(shù)，具有設(shè)備占地面積小、能連續(xù)生產(chǎn)、生產(chǎn)能力大、產(chǎn)品質(zhì)量高、能適應(yīng)電流波動(dòng)、能耗低、污染小等優(yōu)點(diǎn)，是氯堿工業(yè)發(fā)展的方向。 三、以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn) NaOH、Cl2和H2都是重要的化工生產(chǎn)原料，可以進(jìn)一步加工成多種化工產(chǎn)品，廣泛用于各工業(yè)。所以氯堿工業(yè)及相關(guān)產(chǎn)品幾乎涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)及人民生活的各個(gè)領(lǐng)域。 由電解槽流出的陰極液中含有30％的NaOH，稱為液堿，液堿經(jīng)蒸發(fā)、結(jié)晶可以得到固堿。陰極區(qū)的另一產(chǎn)物濕氫氣經(jīng)冷卻、洗滌、壓縮后被送往氫氣貯柜。陽(yáng)極區(qū)產(chǎn)物濕氯氣經(jīng)冷卻、干燥、凈化、壓縮后可得到液氯。 以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn)及產(chǎn)品的主要用途見(jiàn)下圖。 隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn)過(guò)程中所造成的污染及其產(chǎn)品對(duì)環(huán)境造成的影響越來(lái)越重視。例如，現(xiàn)已查明某些有機(jī)氯溶劑有致癌作用，氟氯烴會(huì)破壞臭氧層等，因此已停止生產(chǎn)某些有機(jī)氯產(chǎn)品。我們?cè)诔浞职l(fā)揮氯堿工業(yè)及以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用的同時(shí)，應(yīng)盡量減小其對(duì)環(huán)境的不利影響。 我國(guó)氯堿工業(yè)的發(fā)展 我國(guó)最早的氯堿工廠是1930年投產(chǎn)的上海天原電化廠（現(xiàn)上海天原化工廠的前身），日產(chǎn)燒堿2t。到1949年解放時(shí)，全國(guó)只有少數(shù)幾家氯堿廠，燒堿年產(chǎn)量?jī)H1.5萬(wàn)噸，氯產(chǎn)品只有鹽酸、液氯、漂白粉等幾種。 近年來(lái)，我國(guó)的氯堿工業(yè)在產(chǎn)量、質(zhì)量、品種、生產(chǎn)技術(shù)等方面都得到很大發(fā)展。到1990年，燒堿產(chǎn)量達(dá)331萬(wàn)噸，僅次于美國(guó)和日本，位于世界第三位。1995年，燒堿產(chǎn)量達(dá)496萬(wàn)噸，其中用離子交換膜電解法生產(chǎn)的達(dá)56.2萬(wàn)噸，占總產(chǎn)量的11.3％。預(yù)計(jì)到2000年，燒堿年產(chǎn)量將達(dá)540萬(wàn)噸，其中用離子膜電解法生產(chǎn)的將達(dá)180萬(wàn)噸，占33.3％。