1. بررسی اجمالی فرآیند تولید اصلی صنعت کلر-آلکالی
2. اصول و تجهیزات فرآیند الکترولیز غشای یونی
3. تاریخچه و محدودیت های روش دیافراگم و روش جیوه
4. درمان محصول جانبی و بازیافت منابع
5. بهینه سازی فرایند و پیشرفت فناوری صرفه جویی در مصرف انرژی
6. چالش های زیست محیطی و فناوری تولید پاک
1. بررسی اجمالی فرآیندهای تولید هسته
گیاهان کلر- alkali از طریق الکترولیز محلول کلرید سدیم (NaCl) ، سنگ بنای صنعت اساسی شیمیایی ، سودا سوزان (NaOH) ، کلر (CL₂) و هیدروژن (H₂) تولید می کنند. بیش از 90 ٪ از ظرفیت جهانی کلر-آلکالی از این کار استفاده می کندفرآیند غشای تبادل یون، با استفاده از مرحله باقی ماندهدیافراگموتسلول جیوهروشها
2. اصول و تجهیزات فرآیند غشای تبادل یونی
مکانیسم اصلی
غشاهای تبادل یونی پرفلوئور شده ، دارای ستون فقرات زنجیره های فلوئوروکربن با گروه های عملکردی اسید سولفونیک ، مقاومت برتر در برابر خوردگی و تخریب شیمیایی ، حفظ عملکرد پایدار حتی در محیط های بسیار اسیدی (آند) و قلیایی (کاتد) را نشان می دهد. برای بهینه سازی بیشتر راندمان غشای ، این فرآیند شامل سیستم های پیش درمانی آب نمک پیشرفته ، مانند فیلتراسیون دو مرحله ای و کروماتوگرافی یونی ، که باعث کاهش ناخالصی های ردیابی مانند آهن و سیلیس به سطح زیر PPB می شود ، از این طریق مانع از اتلاف غشای و گسترش عمر عملیاتی تا 20-30 ٪ می شود. علاوه بر این ، طراحی یکپارچه سیستم الکترولیز امکان تنظیم دقیق شکاف آند-کاتد به کمتر از 2 میلی متر را فراهم می کند ، به حداقل رساندن مقاومت اهمی و کاهش بیشتر مصرف انرژی با 5-8 ٪ اضافی در مقایسه با طرح های معمولی. سرانجام ، این فرآیند تولید مداوم سودا سوزاننده با خلوص بالا را با یک کلرید سدیم ثابت زیر 50 ppm امکان پذیر می کند و نیاز به مراحل نمک زدایی پایین دست را از بین می برد و آن را برای استفاده از صنایع دارویی ، الکترونیک و صنایع فرآوری مواد غذایی ایده آل می کند.
تجهیزات کلیدی
برق: طبقه بندی شده به انواع دو قطبی و تک قطبی. الکترولیزرهای دو قطبی به صورت سری با ولتاژ بالا کار می کنند اما فضای کمتری را اشغال می کنند ، در حالی که آنهایی که تک قطبی به طور موازی با جریان بالا نیاز دارند و نیاز به یکسو کننده های مستقل دارند. طرح های مدرن "صفر شکاف" فاصله الکترود را به<1 mm for further energy savings.
سیستم های تصفیه آب نمک: حذف سولفات مبتنی بر غشای (به عنوان مثال ، سیستم پالایش آب نمک Ruipu) و جذب رزین کلاتین باعث کاهش Ca²⁺ و Mg²⁺ به<1 ppm, extending membrane lifespan.
واحدهای درمانی کلر و هیدروژن: کلر خنک می شود (12-15 درجه) و قبل از فشرده سازی برای تولید PVC با 98 ٪ H₂SO₄ خشک می شود. هیدروژن خنک ، فشرده شده و برای سنتز اسید هیدروکلریک یا به عنوان سوخت استفاده می شود.
3. زمینه تاریخی و محدودیت های دیافراگم و جیوه
اصل فرآیند و کاربرد تاریخی روش دیافراگم
الکترولیزر دیافراگم از دیافراگم آزبست متخلخل به عنوان یک مانع فیزیکی بین آند و محفظه های کاتد استفاده می کند. اصل اصلی استفاده از انتخاب اندازه منافذ دیافراگم (حدود 10 ~ 20 میکرون) است تا به الکترولیت (محلول NaCl) منتقل شود ، در حالی که از مخلوط شدن گازهای Cl₂ و H₂ جلوگیری می کند. در آند ، Cl⁻ الکترونها را برای تولید Cl₂ از دست می دهد (2Cl⁻ {3}} E⁻ → Cl₂) ؛ در کاتد ، h₂o الکترون ها را به دست می آورد تا H₂ و OH⁻ (2H₂O {5}} E⁻ → H₂ ↑ {6}}} OH⁻) را تولید کند ، و OH⁻ با Na⁺ ترکیب می شود تا NaOH را تشکیل دهد. از آنجا که دیافراگم آزبست نمی تواند مهاجرت معکوس NA⁺ را به طور کامل مسدود کند ، محلول NaOH تولید شده در کاتد حاوی حدود 1 ٪ NaCl ، با غلظت تنها 12 ~ 12 ٪ است و برای تأمین نیازهای صنعتی باید بیش از 30 ٪ با تبخیر متمرکز شود. این فرایند به طور گسترده در اواسط قرن بیستم مورد استفاده قرار گرفت. چین یک بار برای حل مشکل کمبود مواد اولیه شیمیایی اساسی به این فناوری اعتماد کرد ، اما با بهبود آگاهی از محیط زیست ، نقص ذاتی آن به تدریج در معرض دید قرار گرفت.
نقص کشنده و فرآیند حذف روش دیافراگم
سه مضرات اصلی روش دیافراگم سرانجام منجر به جایگزینی جامع آن شد:
مصرف انرژی بالا و راندمان پایین: به دلیل مقاومت بالای دیافراگم آزبست ، ولتاژ سلول به اندازه 4.5 ولت 3.5 و 5 ولت است و مصرف برق در هر تن قلیایی 3000 ~ 3500 کیلووات ساعت است که 70 ~ 40 ٪ بالاتر از روش غشای یونی است. این فقط برای مناطقی که قیمت برق کم دارند مناسب است.
خلوص کافی محصول: محلول قلیایی رقیق حاوی NaCl به تبخیر و آب شیرین کن اضافی نیاز دارد ، که باعث افزایش هزینه فرایند می شود و نمی تواند تقاضا برای NaOH با خلوص بالا را در زمینه های سطح بالا (مانند انحلال آلومینا) برآورده کند.
بحران آلودگی آزبست: الیاف آزبست در طی فرآیند تولید به راحتی در هوا و فاضلاب آزاد می شوند. قرار گرفتن در معرض طولانی مدت منجر به بیماری هایی مانند سرطان ریه می شود. آژانس بین المللی تحقیقات سرطان (IARC) آن را به عنوان یک سرطان زا کلاس اول در اوایل سال 1987 ذکر کرد. در سال 2011 ، چین "دستورالعمل های مربوط به تنظیم ساختار صنعتی" را اصلاح کرد ، که به وضوح اظهار داشت که تمام گیاهان نوشابه دیافراگم تا سال 2015 از بین می روند ، و در کل بیش از 5 میلیون تن در سال ظرفیت تولید کاهش می یابد.
فرآیند الکترولیز جیوه: سمیت جیوه خطرات پنهان در پشت خلوص بالا
خصوصیات فنی و ارزش تاریخی روش جیوه
روش جیوه زمانی به دلیل خاصیت منحصر به فرد کاتد جیوه ، یک فرآیند سطح بالا برای تولید سودا سوزاننده با خلوت بالا بود. اصل آن استفاده از جیوه به عنوان کاتد موبایل است. در طی فرآیند الکترولیز ، Na⁺ و جیوه آمالگام سدیم (آلیاژ Na-Hg) را تشکیل می دهند ، و سپس آمالگام سدیم با آب واکنش نشان می دهد تا 50 ٪ NaOH با غلظت بالا (Na-Hg + H₂o → NaOH + H₂ + Hg) تولید کند ، که می تواند مستقیماً بدون تبخیر و غلظت استفاده شود. مزیت قابل توجه این فرآیند این است که NaOH خروجی بسیار خالص است (محتوای NaCl<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.
فاجعه آلودگی جیوه و روند ممنوعیت جهانی
نقص مهلک روش جیوه آلودگی برگشت ناپذیر جیوه است:
فرار از بخار جیوه: جیوه فرار به شکل بخار در طول الکترولیز ، و غلظت جیوه در محیط کار اغلب از ده ها بار از استاندارد فراتر می رود و در نتیجه حوادث مسمومیت جیوه در بین کارگران (مانند حادثه بیماری میناماتا در ژاپن در سال 1956 ، که ناشی از آلودگی جیوه است) است.
خطرات تخلیه فاضلاب: در مورد 10-20 گرم جیوه برای هر تن از NaOH تولید شده از بین می رود ، که پس از ورود به بدن آب به متیل عضله تبدیل می شود و از طریق زنجیره غذایی غنی می شود تا به اکوسیستم آسیب برساند.
مشکل در بازیافت: اگرچه با تقطیر می توان جیوه را بازیابی کرد ، اما عملیات طولانی مدت هنوز منجر به محتوای بیش از حد جیوه در خاک می شود و هزینه اصلاح آن زیاد است. با ورود به کنوانسیون میناماتا (2013) ، بیش از 90 ٪ از کشورها در جهان متعهد شده اند که روش جیوه را تا سال 2020 از بین ببرند. از آنجا که بزرگترین تولید کننده کلر-آلکالی جهان ، چین به طور کامل روند جیوه را در سال 2017 ممنوع اعلام کرد ، به طور کامل "سودا و جیوه جیوه" زنجیره آلودگی و تحول صنایع مجرد را به یکی از مراحل تبدیل می کند. امروزه تنها چند کشور مانند هند و پاکستان هنوز کمتر از 5 ٪ از ظرفیت تولید جیوه را حفظ کرده و با فشار شدید بین المللی محیط زیست روبرو هستند.
4. مدیریت محصول جانبی و بازیافت منابع
استفاده از کلر با ارزش بالا
مواد شیمیایی اساسی: در تولید PVC (30-40 ٪ تقاضای کلر) و سنتز اکسید پروپیلن استفاده می شود.
برنامه های سطح بالا: کلر درجه الکترونیکی (بیشتر از یا مساوی با خلوص 99.999 ٪) برای دستورات اچ کننده نیمه هادی 5-8 برابر قیمت کلر درجه صنعتی.
درمان اضطراری: Cl₂ تصادفی در یک اسکراب دو مرحله ای NaOH (غلظت 15-20 ٪) جذب می شود ، و از انتشار گازهای گلخانه ای اطمینان می دهد<1 mg/m³.
بازیابی و استفاده از هیدروژن
سنتز اسید هیدروکلریک: با CL₂ واکنش نشان داد تا HCL را برای ترشی و دارویی تولید کند.
انرژی: هیدروژن خالص سلولهای سوخت یا سنتز آمونیاک را سوخت می کند ، با یک گیاه که از طریق ادغام هیدروژن 60 ٪ ردپای کربن را کاهش می دهد.
کنترل ایمنی: خطوط لوله هیدروژن شامل بازداشت کنندگان شعله و دستگاه های تسکین فشار ، با نظارت بر خلوص H₂\/CL₂ در زمان واقعی برای جلوگیری از انفجار.
5. بهینه سازی فرآیند و فن آوری های صرفه جویی در مصرف انرژی
فناوری کاتد اکسیژن
اصل: جایگزینی تکامل هیدروژن با کاهش اکسیژن ولتاژ سلول توسط {{0}}}. 8-1.0 ولت ، کاهش مصرف انرژی به<1500 kWh/ton NaOH while co-producing hydrogen peroxide (H₂O₂).
کاربرد: 50 دانشگاه پکن از فناوری شیمیایی پکن ، گیاه 1 {1} ton\/سال به 30 ٪ صرفه جویی در مصرف برق رسید.
الکترولیزرهای با چگالی با جریان بالا
پیشرفت: افزایش چگالی جریان از 4 ka\/m² به 6 ka\/m² ظرفیت 30 ٪ را افزایش می دهد ، که توسط Asahi Kasei (ژاپن) و Thyssenkrupp (آلمان) تجاری می شود.
تحول دیجیتالی
سیستم های کنترل هوشمند: AI algorithms optimize current efficiency to >96 ٪ و طول عمر غشای را با پیش بینی کنید<5% error, reducing costs by ¥80/ton at one plant.
بازرسی دارای هوش مصنوعی: گیاهان شیمیایی مبتنی بر Hangzhou از روبات های مجهز به AI برای بازرسی از امکانات کلر استفاده می کنند و به دقت 99.99 ٪ در تشخیص انسداد لوله های تفلون دست می یابند.
6. چالش های زیست محیطی و فن آوری های تولید تمیز
تصفیه فاضلاب
تخلیه: تخلیه خلاء (Cl₂ باقیمانده<50 ppm) and ion exchange recover NaCl with >95 ٪ استفاده مجدد.
تخلیه مایع صفر (ZLD): تبخیر چند اثر (MVR) نمک صنعتی را متبلور می کند ، که در سین کیانگ و شاندونگ اجرا شده است.
تصفیه گاز اگزوز
کنترل غبار اسید سولفوریک: Electrostatic precipitators (>راندمان 99 ٪) و شستشوی مرطوب مطابق با استانداردهای انتشار GB {1}.
پیشگیری از آلودگی جیوه: کاتالیزورهای کم مصرف ، با نمک یوننان و هاوهوا یوهانگ بودجه ایالتی برای کاتالیزور بدون جیوه را دریافت می کنند.
مدیریت پسماند جامد
بازیافت غشای: Closed-loop recovery of precious metals (titanium, ruthenium) achieves >راندمان 98 ٪.
استفاده از لجن نمکی: در مصالح ساختمانی یا پوشش های دفن زباله ، با استفاده از 100 ٪ جامع از سرباره کاربید استفاده می شود.