Vilka är de viktigaste produktionsprocesserna och principerna för en klor-alkalisk växt?

1. Översikt över kärnproduktionsprocessen för klor-alkaliindustrin

2. Principer och utrustning för jonmembranelektrolysprocessen

3. Historik och begränsningar av membranmetoden och kvicksilvermetoden

4. Biproduktbehandling och återvinning av resurser

5. Processoptimering och energibesparande teknikframsteg

6. Miljöutmaningar och ren produktionsteknologi

1. Översikt över kärnproduktionsprocesser 

Klor-alkali-växter producerar kaustisk soda (NaOH), klor (CL₂) och väte (H₂) genom elektrolysen av natriumklorid (NaCl) -lösning, en hörnsten i den grundläggande kemiska industrin. Över 90% av den globala klor-alkaliska kapaciteten använderjonbytesmembranprocess, med de återstående med hjälp av den fasade utmembranochkvicksilvercellmetoder.

2. Principer och utrustning för jonbytesmembranprocessen

Kärnmekanism

De perfluorerade jonbytarmembranen, med en ryggrad av fluorkolkedjor med sulfonsyrafunktionella grupper, uppvisar överlägsen resistens mot korrosion och kemisk nedbrytning, upprätthåller stabil prestanda även i mycket sur (anod) och alkaliska (katod) miljöer. För att ytterligare optimera membraneffektiviteten införlivar processen avancerade saltlösningssystem, såsom filtrering med dubbla steg och jonkromatografi, vilket minskar spårföroreningar som järn och kiseldioxid till sub-PPB-nivåer, vilket förhindrar membranbesvär och förlängande operationell livslängd med 20–30%. Dessutom möjliggör den integrerade utformningen av elektrolysystemet exakt reglering av anodkatodgapet till mindre än 2 mm, vilket minimerar ohmisk resistens och ytterligare sänker energiförbrukningen med ytterligare 5–8% jämfört med konventionella konstruktioner. Slutligen möjliggör processen kontinuerlig produktion av kaustisk soda med hög renhet med ett jämn natriumkloridinnehåll under 50 ppm, vilket eliminerar behovet av nedströms avsaltningssteg och gör den idealisk för krävande tillämpningar inom läkemedel, elektronik och livsmedelsindustrin.

Nyckelutrustning

Elektrolysare: Klassificerad i bipolära och monopolära typer. Bipolära elektrolyser fungerar i serie med hög spänning men upptar mindre utrymme, medan monopolära som körs parallellt med högström som kräver oberoende likriktare. Moderna "noll-gap" -konstruktioner minskar elektrodavståndet till<1 mm for further energy savings.

Saltrensningssystem: Membranbaserad sulfatborttagning (t.ex. Ruipu saltlösningssystem) och kelaterande hartsadsorption reducerar Ca²⁺ och Mg²⁺ till<1 ppm, extending membrane lifespan.

Klor- och vätebehandlingsenheter: Klor kyls (12–15 grader) och torkas med 98% H₂SO₄ före komprimering för PVC -produktion; Väte kyls, komprimeras och används för saltsyrasyntes eller som bränsle.

3. Historiskt sammanhang och begränsningar av membran- och kvicksilverprocesser

Processprincipen och historisk tillämpning av membranmetoden
Membranelektrolyzer använder ett poröst asbest membran som en fysisk barriär mellan anoden och katodkamrarna. Kärnprincipen är att använda porstorlekens selektivitet för membranet (cirka 10 ~ 20 mikron) för att låta elektrolyten (NaCl -lösningen) passera, samtidigt som de genererade CL₂- och H₂ -gaserna förhindrar. Vid anoden förlorar Cl⁻ elektroner för att generera cl₂ (2cl⁻ - 2 e⁻ → cl₂ ↑); Vid katoden får H₂O elektroner för att generera H₂ och OH⁻ (2H₂O + 2 E⁻ → H₂ ↑ + 2 Oh⁻), och Oh⁻ kombineras med Na⁺ för att bilda NaOH. Eftersom asbestmembranet inte kan helt blockera den omvända migrationen av Na⁺, innehåller NaOH -lösningen som produceras vid katoden cirka 1% NaCl, med en koncentration av endast 10 ~ 12%, och måste koncentreras till mer än 30% genom indunstning för att tillgodose industriella behov. Denna process användes allmänt i mitten till slutet av 1900-talet. Kina förlitade sig en gång på denna teknik för att lösa problemet med brist på grundläggande kemiska råvaror, men med förbättringen av miljömedvetenheten exponerades dess inneboende defekter gradvis.

Dödliga defekter och elimineringsprocessen för membranmetoden
De tre grundläggande nackdelarna med membranmetoden ledde så småningom till dess omfattande ersättning:
Hög energiförbrukning och låg effektivitet: På grund av asbestmembranets höga motstånd är cellspänningen så hög som 3,5 ~ 4,5V, och kraftförbrukningen per ton alkali är 3000 ~ 3500 kWh, vilket är 40 ~ 70% högre än jonmembranmetoden. Det är endast lämpligt för områden med låga elpriser;

Otillräcklig produktrenhet: Den utspädda alkali-lösningen som innehåller NaCl behöver ytterligare indunstning och avsaltning, vilket ökar processkostnaden och inte kan möta efterfrågan på hög renhet NaOH i avancerade fält (såsom aluminiumoxidupplösning);
Asbest Föroreningskris: Asbestfibrer släpps lätt ut i luften och avloppsvattnet under produktionsprocessen. Långvarig exponering leder till sjukdomar som lungcancer. Den internationella byrån för cancerforskning (IARC) listade den som en klass I -cancerframkallande redan 1987. 2011 reviderade Kina "riktlinjerna för justering av industriell struktur", som tydligt uppgav att alla membran kaustiska sodaväxter skulle elimineras 2015, med totalt mer än 5 miljoner ton\/år av produktionskapacitet.

Kvicksilverelektrolysprocess: Kvicksilvertoxicitet dolda faror bakom hög renhet
Tekniska egenskaper och historiskt värde på kvicksilvermetoden
Kvicksilvermetoden var en gång en "avancerad process" för att producera kaustisk soda med hög renhet på grund av de unika egenskaperna hos kvicksilverkatoden. Dess princip är att använda kvicksilver som en mobil katod. Under elektrolysprocessen bildar Na⁺ och kvicksilver natriumamalgam (Na-Hg-legering), och sedan reagerar natriumamalgam med vatten för att generera 50% högkoncentration NaOH (Na-Hg + H₂O → NaOH + H₂ ↑ + Hg), som kan användas direkt utan avångning och koncentration. Den betydande fördelen med denna process är att utgången NaOH är extremt ren (NaCl -innehåll<0.001%), which is particularly suitable for industries such as pharmaceuticals and chemical fibers that have strict requirements on alkali purity. In the middle of the 20th century, this process was widely adopted in Europe, America, Japan and other countries. The Japanese chlor-alkali industry once relied on the mercury method to occupy 40% of the global high-end caustic soda market.

Kvicksilverföroreningskatastrof och global förbudsprocess
Den dödliga bristen på kvicksilvermetoden är den irreversibla föroreningen av kvicksilver:
Kvicksilverånga förångning: kvicksilver flyr i form av ånga under elektrolys, och kvicksilverkoncentrationen i arbetsmiljön överstiger ofta standarden med dussintals gånger, vilket resulterade i ofta kvicksilverförgiftningsincidenter bland arbetare (såsom minamatasjukdom i Japan 1956, som orsakades av kvicksilverföroreningar);

Avloppsvattenutsläppsrisker: Om 10-20 gram kvicksilver förloras för varje ton NaOH som produceras, som omvandlas till metylkvicksilver efter att ha kommit in i vattenkroppen och berikas genom livsmedelskedjan för att skada ekosystemet;
Svårigheter i återvinning: Även om kvicksilver kan återvinnas genom destillation leder långvarig drift fortfarande till överdrivet kvicksilverinnehåll i jorden, och kostnaden för sanering är hög. Med inträdet i MINAMATA-konventionen (2013) har mer än 90% av länderna i världen lovat att avveckla kvicksilvermetoden år 2020. Som världens största klor-alkaliproducent, förbjöd Kina helt och hållet en enda process under 2017, och avbröt helt "Mercury-Caustic Soda" föroreningar och marknadsföring av branschens omvandling till en enda process för en enda process. Idag behåller bara ett fåtal länder som Indien och Pakistan fortfarande mindre än 5% av kvicksilverproduktionskapaciteten och står inför ett allvarligt internationellt miljöstryck.

4. biprodukthantering och återvinning av resurser

Kloranvändning med högt värde

Grundläggande kemikalier: Används i PVC -produktion (30–40% av klorbehovet) och propylenoxidsyntes.

Avancerade applikationer: Klor för elektronisk klass (större än eller lika med 99.999% renhet) för halvledarens etsningskommandon 5–8 gånger priset på klor i industriell klass.

Akutsjukvård: Oavsiktlig CL₂ absorberas i en tvåstegs NaOH-skrubber (15–20% koncentration), vilket säkerställer utsläpp<1 mg/m³.

Väteåterhämtning och användning

Saltsyrasyntes: Reagerade med CL₂ för att producera HCL för betning och läkemedel.

Grön energi: Renade vätebränslen bränsleceller eller ammoniaksyntes, med en växt som minskar koldioxidavtrycket med 60% genom väteintegration.

Säkerhetskontroll: Vätepipeliner innehåller flamarresterare och tryckavlastningsanordningar, med realtid H₂\/CL₂-renhetsövervakning för att förhindra explosioner.

5. Processoptimering och energibesparande teknik

Syrekatodteknik

Princip: Ersättning av väteutveckling med syrereduktion sänker cellspänning med {{0}}. 8–1.0 V, vilket reducerar energiförbrukningen till<1500 kWh/ton NaOH while co-producing hydrogen peroxide (H₂O₂).

Ansökan: Peking University of Chemical Technology's 50, 000- ton\/år Växt uppnådde 30% kraftbesparingar.

Elektrolysare med hög strömdensitet

Befordran: Ökande strömtäthet från 4 ka\/m² till 6 ka\/m² ökar kapaciteten med 30%, kommersialiserad av Asahi Kasei (Japan) och Thyssenkrupp (Tyskland).

Digital transformation

Intelligenta kontrollsystem: AI algorithms optimize current efficiency to >96% och förutsäga membranens livslängd med<5% error, reducing costs by ¥80/ton at one plant.

AI-driven inspektion: Hangzhou-baserade kemiska anläggningar använder AI-utrustade robotar för att inspektera kloranläggningar, vilket uppnår 99,99% noggrannhet vid detektering av Teflon-rörblockeringar.

6. Miljöutmaningar och ren produktionstekniker

Avloppsbehandling

Avkloration: Vakuumavlorering (återstående CL₂<50 ppm) and ion exchange recover NaCl with >95% återanvändning.

Noll flytande urladdning (ZLD): Multi-effekt förångning (MVR) kristalliserar industriellt salt, implementerat i Xinjiang och Shandong.

Avgasbehandling

Svavelsyrakontroll: Electrostatic precipitators (>99% effektivitet) och våt skrubbning möter GB 16297-2025 Emission Standards.

Förebyggande av kvicksilverföroreningar: Katalysatorer med låg kvicksedel främjas, med Yunnan Salt och Haohua Yuhang som får statlig finansiering för kvicksilverfri katalysator FoU.

Hantering av fast avfall

Återvinning: Closed-loop recovery of precious metals (titanium, ruthenium) achieves >98% effektivitet.

Salt slamanvändning: Används i byggmaterial eller deponeringsskydd, med 100% omfattande användning av karbidslagg.