離子交換膜電解槽電解海水制氯技術(shù)的驗(yàn)證

鄧亞東，魏威，雍興躍*，周歡，張聰，李崇杰，史亞南

1 北京化工大學(xué) 有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

0 引 言

海洋生物的污損問題一直影響著人類的海上活動(dòng)。船舶、海濱電廠、海上設(shè)施和海濱化工廠都不同程度地受到海洋生物污損的危害，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1]。海洋中的動(dòng)植物和微生物粘附在船底或者海上各類人工設(shè)施表面后，經(jīng)過長(zhǎng)期生長(zhǎng)繁殖形成的海洋生物通稱為污損生物[2-4]。海洋中的軟性污損生物（如藻類）、硬性污損生物（如藤壺、貝類等）和微污生物（如硅藻等）這3類生物一般會(huì)附著在海岸的設(shè)施和船舶上[5-6]，并會(huì)在殼體、船槳、海上平臺(tái)、檢測(cè)儀器等表面粘附、累積、繁殖生長(zhǎng)[7]。船舶航行時(shí)，附著的污損生物會(huì)增加船體表面的粗糙度，使船體除了會(huì)受到海水的阻力外，還會(huì)受到污底阻力[8]，導(dǎo)致船舶航速降低、油耗增加，進(jìn)而增加航行成本[9-10]。不僅如此，污損生物產(chǎn)生的大量酸性介質(zhì)會(huì)加速腐蝕殼體，縮短船體的使用壽命，增加額外的維護(hù)支出。若管路內(nèi)壁附著有污損生物，會(huì)導(dǎo)致閥門無法關(guān)嚴(yán)或堵塞[11]。而若附著在船上的檢測(cè)器上，還會(huì)降低儀器的靈敏度，甚至使之失靈和損壞[12]。

目前，常用的防污措施大致可以劃分為防污涂層、防污藥劑和電化學(xué)防污3種類型[13-15]。另外，還有使用較少的輔助防污方法（如機(jī)械除污、超聲防污、紫外照射防污等[16-18]）。對(duì)于防污涂層的應(yīng)用，由于船內(nèi)海水管路眾多，尺寸不一，管路無法通過內(nèi)涂防污涂層來進(jìn)行防污；至于防污藥劑，其通常為一些氧化性化合物，對(duì)儲(chǔ)存、運(yùn)輸有較高的要求；而電化學(xué)防污技術(shù)主要包括電解銅鋁陽(yáng)極法、電解氯?銅（鋁）技術(shù)和電解海水法[19]，前兩種方法因銅離子的毒性會(huì)引起重金屬離子的海洋污染，易腐蝕海水管路，且氫氣排放也易產(chǎn)生安全問題，防污效率得不到保障。而電解海水法又包含直接和間接兩種方法。其中，直接法是利用海水管路或過濾器進(jìn)行電解，其構(gòu)造簡(jiǎn)單，裝配方便，但電解海水的副產(chǎn)物（如鈣鎂的沉淀物）易阻塞管路而造成維修不便；間接法是使用單獨(dú)的電解系統(tǒng)制氯，這種制氯防污方法目前幾乎都采用無隔膜電解槽，電解槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不會(huì)阻塞海水管路，對(duì)管路的腐蝕較小，但電解過程產(chǎn)生的Cl2和H2不能分開排放，安全隱患較大，且電解槽對(duì)電極材質(zhì)的耐蝕性要求較高，在過濾不精細(xì)的情況下腐蝕會(huì)較為嚴(yán)重。

鑒此，本文擬提出一種采用離子交換膜電解槽電解海水法來制氯防污。首先，探究不同因素對(duì)電解過程的影響；然后，采用Minitab軟件模擬優(yōu)化電解參數(shù)；最后，通過實(shí)海試驗(yàn)對(duì)海水預(yù)處理和電解工藝進(jìn)行驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料和裝置

本文試驗(yàn)采用的是自行設(shè)計(jì)的離子膜電解槽，如圖1和圖2所示。該離子交換膜電解槽由陰極槽、陽(yáng)極槽、離子交換膜組成，陰、陽(yáng)極分別選擇了含涂層的鎳網(wǎng)板和鈦網(wǎng)板，交換膜選用的是國(guó)產(chǎn)NEPEM全氟陽(yáng)離子交換膜A和B兩種牌號(hào)。電源選用的是JHA15000直流電源箱，萬(wàn)用表型號(hào)為UT58A，海水泵和堿液泵采用的是DGX蠕動(dòng)泵。海水預(yù)處理裝置由研究團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)室用于電解試驗(yàn)的氯化鈉溶液使用分析純NaCl和去離子水配制。

圖1 離子交換膜電解槽示意圖Fig.1 Schematic of ion-exchange membrane electrolytic bath

圖2 離子交換膜電解槽實(shí)物圖Fig.2 Image of ion-exchange membrane electrolytic bath

圖3 海水預(yù)處理裝置實(shí)物圖Fig.3 Image of seawater pretreatment device

1.2 制氯系統(tǒng)工作原理

為了構(gòu)建離子交換膜電解槽制氯系統(tǒng)，分段設(shè)計(jì)了海水預(yù)處理工藝與電解工藝，工藝流程如圖4所示。

圖4 電解海水制氯系統(tǒng)工藝流程Fig.4 Process of chlorine production system through seawater electrolysis

由圖4可見，海水預(yù)處理段分為過超濾段、納濾段和吸附段。過超濾段的作用是去除海水中的固體顆粒、大尺寸的懸浮物，納濾段的作用是脫除大部分鈣鎂離子，吸附段的作用是提高鈣鎂及其它雜質(zhì)離子的去除率。電解段由離子交換膜電解槽及其鹽水輸入、堿液循環(huán)等附屬系統(tǒng)組成。海水在陽(yáng)極槽中經(jīng)預(yù)處理并滿足電解槽進(jìn)水水質(zhì)要求后由鹽水泵進(jìn)入陽(yáng)極槽，其出口為氯氣及混有次氯酸根的稀海水，氯氣通過噴射泵組抽吸，混合后進(jìn)入防污管路，而稀海水進(jìn)入儲(chǔ)罐。進(jìn)入陰極槽的初始電解液為配制的氫氧化鈉稀堿液，其可降低電解時(shí)的槽壓。在電解中，陽(yáng)極槽的H+及Na+等陽(yáng)離子穿過交換膜進(jìn)入陰極槽，H+還原為氫氣并安全排放，同時(shí)，OH?濃度升高，生成濃堿液。為防止OH?濃度過大，需將多余濃堿液排入儲(chǔ)罐，與來自陽(yáng)極槽的稀海水混合，并向陰極槽補(bǔ)充去離子水。噴射泵抽吸儲(chǔ)罐中的混合液過程中，同時(shí)抽吸氯氣，再一起進(jìn)入防污管路。其中，Cl2，HClO，ClO?被稱為有效氯，在其濃度處于0.1～1.0 mg/L時(shí)，可起到防污作用（根據(jù)GB/T 17435—1998）。主要化學(xué)反應(yīng)式如下：

陽(yáng)極槽：

2Cl??2e→Cl2↑

陰極槽：

2H2O+2e→2OH?+H2↑

陰陽(yáng)極產(chǎn)物反應(yīng)：

Cl2+H2O→HClO+H++Cl?

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 電解鹽水試驗(yàn)

為了解離子交換膜電解槽電解鹽水制氯的規(guī)律，利用自行設(shè)計(jì)的電解槽，研究不同因素對(duì)電解過程的影響，包括陰陽(yáng)極、全氟陽(yáng)離子交換膜材料，鹽水的溫度及濃度、施加的電流密度、海水在電解槽內(nèi)的停留時(shí)間等。試驗(yàn)中，首先確定陰陽(yáng)電極、離子交換膜的選材，然后再研究其它因素對(duì)電解過程的影響規(guī)律。

在研究鹽水的溫度、鹽濃度、停留時(shí)間這幾個(gè)因素對(duì)電解槽電解過程的影響規(guī)律時(shí)，施加的電流密度為3 000 A/m2，交換膜材料選用的是國(guó)產(chǎn)NEPEM全氟陽(yáng)離子交換膜A和B兩種牌號(hào)。

研究電流密度時(shí)，選擇的試驗(yàn)條件如下：全氟陽(yáng)離子交換膜A、室溫、鹽濃度3.5%、停留時(shí)間為57，75，108 s。鹽水進(jìn)入電解槽前調(diào)控其溫度及濃度，通過流速控制停留時(shí)間。陽(yáng)極的進(jìn)、出口鹽水中氯離子濃度使用硝酸銀滴定法測(cè)定，電流效率則根據(jù)氯離子含量的變化進(jìn)行計(jì)算。此外，記錄進(jìn)出口流量和電解槽槽壓。

1.3.2 參數(shù)優(yōu)化

基于電解鹽水試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以確定較優(yōu)的電解工藝控制參數(shù)，提高電流效率及降低能耗。在優(yōu)化電解工藝參數(shù)時(shí)，首先利用比能量消耗率來比較因素之間的兩兩交互作用，然后，采用Minitab軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以得到優(yōu)化工藝參數(shù)。

Cl2+2OH?→ClO?+Cl?+H2O

副反應(yīng)：

4OH??4e→O2↑+2H2O

Mg2++2OH?→Mg(OH)2↓

Ca2++2OH?→Ca(OH)2↓

1.3.3 電解海水驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證上述研究結(jié)果，在中國(guó)南方某海域進(jìn)行了離子交換膜電解槽電解海水制氯的實(shí)海試驗(yàn)，分別驗(yàn)證了海水預(yù)處理及電解海水工藝，即海水預(yù)處理前后的氯離子濃度、對(duì)照離子交換膜電解槽進(jìn)水要求驗(yàn)證預(yù)處理工藝的可靠性以及優(yōu)化結(jié)果工藝控制條件。

1.4 數(shù)據(jù)處理

電解和優(yōu)化結(jié)果分別以電流效率和比能量消耗率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析，兩個(gè)指標(biāo)的計(jì)算公式如式（1）和式（2）所示。

式中：η為電流效率，%；m′為實(shí)際產(chǎn)物質(zhì)量，kg；m為 理論產(chǎn)物質(zhì)量，kg；I為電流強(qiáng)度，A；t為通電時(shí)間，h；k為電化學(xué)當(dāng)量， kg/(A·h)。

式中：ω為比能量消耗率，kW·h/kg；EC為槽壓，V。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同因素對(duì)電解過程的影響

根據(jù)電解海水的一般規(guī)律，海水的溫度及其鹽濃度和海水在電解槽內(nèi)的停留時(shí)間、施加的電流密度都對(duì)電解過程有顯著的影響[20-22]。為此，分別研究如下4個(gè)因素對(duì)電解過程的影響規(guī)律。

2.1.1 溫度

在化學(xué)反應(yīng)過程中，溫度一般起著重要作用。圖5和圖6所示為研究溫度因素對(duì)海水電解過程影響得到的結(jié)果。

圖5 溫度對(duì)電流效率的影響Fig.5 Effect of temperature on current efficiency

圖6 溫度對(duì)槽壓的影響Fig.6 Effect of temperature on cell voltage

由圖5可見，在使用兩種不同離子膜的情況下，溫度對(duì)離子交換膜電解槽電流效率的影響都是隨著溫度的升高而升高。由于析氯反應(yīng)是一種吸熱過程，隨著溫度的升高，促使反應(yīng)向生成氯的方向發(fā)展，氯的產(chǎn)量也隨之增加，提高了電流效率。而且，隨著溫度的升高，陽(yáng)極的電極電位下降，極化作用減弱，析氯電位降低，這都有利于析出氯氣，提高電流效率。

由圖6可見，溫度升高導(dǎo)致電解槽槽壓降低，同時(shí)，鹽水的電導(dǎo)率也隨之增加，電解液電壓降降低，離子交換膜電壓降也跟著降低，這是陽(yáng)極析氯反應(yīng)的過電位隨著溫度的升高而降低所致。

綜上所述，溫度升高有利于提高電解制氯效率。在相同溫度條件下，全氟陽(yáng)離子交換膜A的電流效率較高、槽壓偏低。比較而言，全氟陽(yáng)離子交換膜A比B的性能好。

2.1.2 濃度

考慮到不同海域海水的鹽濃度存在差異，試驗(yàn)中，研究了鹽濃度對(duì)電解制氯的影響，結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

圖7 海水的鹽濃度對(duì)電流效率的影響Fig.7 Effect of brine concentration on current efficiency

圖8 海水的鹽濃度對(duì)槽壓的影響Fig.8 Effect of brine concentration on cell voltage

由圖7可見，在使用兩種不同交換膜情況下，海水鹽濃度對(duì)電流效率的影響都是隨著濃度的升高而升高。這是因?yàn)殡S著鹽濃度增大，氯離子增多，其傳質(zhì)速率增大而減弱了濃差極化，促進(jìn)了析氯反應(yīng)。相反，隨著鹽濃度的降低，電解反應(yīng)將以電解水為主，且槽壓升高會(huì)導(dǎo)致電流效率下降。

由圖8可見，隨著海水鹽濃度的增大，離子交換膜電解槽的槽壓呈下降的趨勢(shì)。這是由于鹽濃度增大，鹽水電導(dǎo)率上升及其電阻下降，在一定的電流密度情況下，電解槽槽壓隨著鹽濃度的升高而減小。

同樣地，在相同海水鹽濃度條件下，全氟陽(yáng)離子交換膜A的電流效率較高、槽壓偏低。可見，全氟陽(yáng)離子交換膜A比B性能好。

2.1.3 停留時(shí)間

無論是化學(xué)反應(yīng)還是電化學(xué)反應(yīng)，一般都需要經(jīng)過一定的時(shí)間才能完成。在上述研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究鹽水在電解槽中的停留時(shí)間對(duì)電解制氯的影響，結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 停留時(shí)間對(duì)電流效率的影響Fig.9 Effect of residence time on current efficiency

圖10 停留時(shí)間對(duì)槽壓的影響Fig.10 Effect of residence time on cell voltage

由圖9可見，隨著鹽水在電解槽的停留時(shí)間的增加，電流效率先緩慢升高后下降。這是因?yàn)樵谄渌娊夤に嚳刂茀?shù)不變的條件下，隨著鹽水流速的增大，電極表面邊界層變薄。一方面，這有利于氯離子擴(kuò)散，促進(jìn)析氯反應(yīng)，另一方面，隨著流速的增大，停留時(shí)間減少，又不利于電解反應(yīng)的進(jìn)行。相反，若增加停留時(shí)間，雖然有利于電解反應(yīng)，但電極表面的濃差極化作用會(huì)增大，導(dǎo)致電流效率降低。因此，只有將鹽水在電解槽的停留時(shí)間控制在合適的范圍內(nèi)，才會(huì)使電流效率達(dá)到最優(yōu)。

由圖10可見，隨著鹽水在電解槽停留時(shí)間的增加，在開始階段電解槽內(nèi)的槽壓趨于穩(wěn)定，變化不明顯，即停留時(shí)間小于60 s時(shí)，槽壓幾乎無變化。在鹽水流速降低且停留時(shí)間進(jìn)一步增加時(shí)，槽壓逐漸升高，這是因鹽水的流速降低和濃差極化加劇導(dǎo)致電解槽槽壓升高所致。同樣地，在相同的停留時(shí)間下，全氟陽(yáng)離子交換膜A的電流效率較高、槽壓偏低。因此，這進(jìn)一步表明了全氟陽(yáng)離子交換膜A比B性能好。

2.1.4 電流密度

在電解海水制氯的可行性、經(jīng)濟(jì)性考核指標(biāo)中，電流效率和槽壓是關(guān)鍵參數(shù)。為此，在試驗(yàn)中進(jìn)一步研究了電流密度對(duì)電解制氯效率和槽壓的影響，結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 電流密度對(duì)電流效率的影響Fig.11 Effect of current density on current efficiency

圖12 電流密度對(duì)槽壓的影響Fig.12 Effect of current density on cell voltage

由圖11可見，在不同的鹽水流速下，電解槽電解電流效率都是隨著電流密度的增大先快速增加，然后在電流密度超過2 500 A/m2時(shí)逐漸下降。這是因電解過程中電流密度較低時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)成為了整個(gè)電解過程的速度控制步驟，故電流密度增大導(dǎo)致電極反應(yīng)速度快速增大，電流效率增大。而當(dāng)電流密度超過臨界值（2 500 A/m2）后，濃差極化成為整個(gè)電解過程的主要速度控制步驟，導(dǎo)致電流效率下降。與此同時(shí)，電流密度過大，還會(huì)帶來一些副反應(yīng)，因而降低了電解制氯效率。

由圖12可見，隨著電解槽內(nèi)鹽水停留時(shí)間的變化，電解槽槽壓也都是隨著電流密度的持續(xù)增加而呈上升趨勢(shì)。從能耗角度來看，過高的電流密度會(huì)導(dǎo)致槽壓升高及耗能增加。因此，在電解海水的實(shí)際應(yīng)用中，選擇適當(dāng)?shù)碾娏髅芏确秶梢云鸬焦?jié)能的效果。

2.2 電解參數(shù)的優(yōu)化

2.2.1 電解因素的交互作用

事實(shí)上，2.1節(jié)所述的4個(gè)因素在電解過程中可能存在相互影響。為此，本文在參數(shù)優(yōu)化過程中，結(jié)合單一因素的試驗(yàn)結(jié)果，以比能量消耗率作為評(píng)價(jià)指數(shù)，分析上述這些因素中的主要影響因素。對(duì)各因素兩兩之間的交互作用的研究結(jié)果如圖13所示。

圖13 影響海水電解因素之間的交互效應(yīng)Fig.13 Interaction effect between two influence factors on seawater electrolysis

所謂交互效應(yīng)，是指兩個(gè)或兩個(gè)以上自變量相互依賴、相互制約，共同對(duì)因變量的變化發(fā)生影響。圖13中，橫坐標(biāo)為自變量（即電流密度、海水鹽濃度、進(jìn)口溫度和停留時(shí)間），縱坐標(biāo)為因變量比能量消耗率，4個(gè)自變量（因素）也稱為水平變量，其中紅色虛線代表低水平，黑色實(shí)線代表高水平。該圖表示的是，當(dāng)自變量在兩個(gè)不同水平變化為兩個(gè)狀態(tài)時(shí)，作為因變量的比能量消化率也隨著兩個(gè)自變量的變化而變化。若高、低水平兩條直線或者延長(zhǎng)線相交和不平行，則表明這兩個(gè)因素之間存在著交互效應(yīng)。由圖可以看出，在所有交互作用中，電流密度與停留時(shí)間的交互作用圖中兩條效應(yīng)線的延長(zhǎng)線是相交和不平行的，說明這兩個(gè)因素之間的交互效應(yīng)相對(duì)明顯。而其它兩個(gè)因素之間的交互作用，例如海水鹽濃度和進(jìn)口溫度兩條高、低水平效應(yīng)線則相交不明顯，說明兩個(gè)因素之間的交互效應(yīng)不明顯。可見，電流密度與停留時(shí)間兩因素相互制約，共同對(duì)比能量消耗率發(fā)揮影響。在不同電流密度下，停留時(shí)間對(duì)比能量消耗率的影響規(guī)律相反。當(dāng)電流密度增大時(shí)，延長(zhǎng)停留時(shí)間會(huì)促使比能量消耗率降低，減少停留時(shí)間又會(huì)增加比能量消耗率。此外，在低電流密度下的斜率小，說明此時(shí)停留時(shí)間對(duì)比能量消耗率影響小。

基于上述研究，本文進(jìn)一步通過分析比能量消耗率和停留時(shí)間、電流密度的等值線圖和響應(yīng)曲面圖，以確定電流密度和停留時(shí)間兩個(gè)參數(shù)在不同海水鹽濃度下電解時(shí)的優(yōu)化控制值。

2.2.2 兩種海水鹽濃度下的工藝優(yōu)化

鑒于海水鹽濃度平均為3.5%，近海海水鹽濃度通常低于3%，故在工藝優(yōu)化時(shí)選擇了2%和3%兩種濃度，3 000和3 500 A/m2兩種電流密度(A)。由于全氟陽(yáng)離子交換膜的工作溫度不宜過高，因此溫度（T）選為30 和40 ℃，停留時(shí)間(S)選為38和46 s。試驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算方法與單一因素的試驗(yàn)相同，結(jié)果如表1和表2所示。

天啟四年，《宰輔年表》將顧秉謙排名于朱國(guó)禎前，有誤。前文已分析過。韓爌致仕后，朱國(guó)禎繼任首輔，當(dāng)時(shí)內(nèi)閣中地位最高的是孫承宗。然孫承宗出鎮(zhèn)，主要負(fù)責(zé)軍事。他一直兼任兵部尚書，其尚書銜、殿閣銜與師保銜不成比例。這可看作他不能作為首輔的標(biāo)志。

表1 2%海水鹽濃度的試驗(yàn)結(jié)果Table1 Experimental results on the 2% brine concentration of seawater

表2 3%海水鹽濃度的試驗(yàn)結(jié)果Table2 Experimental results on the 3% brine concentration of seawater

如上所述，電解過程中的鹽水在電解槽的停留時(shí)間與電流密度存在交互效應(yīng)。在設(shè)定的40 ℃鹽水進(jìn)口溫度條件下，研究比能量消耗率與停留時(shí)間、電流密度的等值線圖和響應(yīng)曲面圖，以確定電流密度、停留時(shí)間這兩個(gè)因素的最優(yōu)參數(shù)。

由圖14（a）和圖15（a）可見，海水鹽濃度為2%時(shí)，淺綠色區(qū)域表示的比能量消耗率（ω）小于3 300 kW·h/t，曲面圖最低點(diǎn)也顯示比能量消耗率最低。在此條件下，最優(yōu)工藝條件是電流密度為3 000 A/m2，停留時(shí)間為46 s。

圖14 不同海水鹽濃度下的停留時(shí)間和電流密度等值線圖Fig.14 Contours of residence time and current density under different brine concentrations of seawater

圖15 不同海水鹽濃度下的停留時(shí)間和電流密度曲面圖Fig.15 Surface diagrams of residence time and current density under different brine concentrations of seawater

比能量消耗率的預(yù)測(cè)回歸方程式為

為了驗(yàn)證上述回歸方程，可重復(fù)試驗(yàn)，研究所得結(jié)果在95%置信度條件下的置信區(qū)間。經(jīng)3次試驗(yàn)驗(yàn)證得到的比能量消耗率結(jié)果分別為3 276.3，3 290.4和3 317.8 kW·h/t，在95%的置信度下，其置信區(qū)間為（3 246.80，3 301.43）。這表明只要將電流密度控制為3 000 A/m2、停留時(shí)間為46 s，對(duì)鹽水進(jìn)行電解制氯的比能量消耗率則會(huì)在3 246.80～3 301.43 kW·h/t之間。

同樣地，由圖14（b）和圖15（b）可見，海水 鹽濃度為3%時(shí)，等值線圖中的淺綠色區(qū)域表示比能量消耗率小于3 000 kW·h/t，曲面圖最低點(diǎn)比能量消耗率最小。這表明比能量消耗率最低時(shí)，電流密度為3 000 A/m2、停留時(shí)間范圍為38～46 s。

2.3 海水試驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果進(jìn)行海水試驗(yàn)驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和加工了海水預(yù)處理工藝及其裝置。同時(shí)，利用電解裝置和海水預(yù)處理裝置進(jìn)行了海水電解試驗(yàn)，以進(jìn)一步考察驗(yàn)證離子膜電解槽電解海水制氯裝置系統(tǒng)工藝的可行性。

2.3.1 海水預(yù)處理工藝驗(yàn)證

首先，采用海水預(yù)處理裝置對(duì)近海海水進(jìn)行處理，然后，在試驗(yàn)中測(cè)試分析海水預(yù)處理前后的離子含量，結(jié)果如表3和表4所示。由表可見，經(jīng)過預(yù)處理后，海水中的Ca2+，Mg2+去除率達(dá)92.4%，總質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降到10?4以下，NO3?、SO42?質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在 3×104以下，而關(guān)鍵的Cl?含量幾乎沒有減少?？梢?，所使用的海水預(yù)處理裝置可以滿足離子交換膜電解槽用水的需求。

表3 海水預(yù)處理前后離子含量測(cè)試結(jié)果Table3 Test results of ion content before and after seawater pretreatment

表4 預(yù)處理后的離子交換膜電解槽水質(zhì)要求對(duì)比Table4 Comparion of seawater quality requirements for ionexchange membrane electrolytic bath

2.3.2 電解海水工藝驗(yàn)證

在驗(yàn)證試驗(yàn)中，利用經(jīng)過預(yù)處理過的海水進(jìn)行電解試驗(yàn)?？刂茥l件為：交換膜A、室溫、海水在電解槽的停留時(shí)間46 s、電流密度3 000 A/m2、電解持續(xù)運(yùn)行時(shí)間4 h。結(jié)果如圖16所示。

由圖16可見，在電解槽持續(xù)運(yùn)行4 h的過程中，電流效率剛開始有小幅波動(dòng)，經(jīng)過一段時(shí)間后變?yōu)橄鄬?duì)穩(wěn)定且呈上升趨勢(shì)，其值從67.5%升高到70%，低于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)80%以上的電流效率；槽壓變化較小，呈下降趨勢(shì)，其值達(dá)到8.5 V，高于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)6 V以下的槽壓。經(jīng)分析，電流效率上升和槽壓下降可能與電解過程中電解槽內(nèi)溫度的小幅上升有關(guān)，電流效率較低可能是由于陽(yáng)極出口的稀海水氯離子濃度不是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的結(jié)果，而是一周后拿回實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得到的，因而導(dǎo)致部分溶解的氯氣與水反應(yīng)生成了的氯離子。槽壓較高可能是實(shí)驗(yàn)室使用的鹽水雜質(zhì)較少，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)海水雜質(zhì)較多，再加上處理后的海水有可能被二次污染?？傊?，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件相對(duì)簡(jiǎn)陋，試驗(yàn)環(huán)境更加復(fù)雜，從而增加了更多的不可控因素，導(dǎo)致實(shí)海驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的結(jié)果存在一定的差異。。

圖16 電流效率和槽壓隨電解時(shí)間的變化Fig.16 Variation of current efficiency and cell voltage with time

根據(jù)以上驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果，表明海水預(yù)處理工藝設(shè)計(jì)合理，可以達(dá)到電解海水的水質(zhì)要求。同時(shí)，電解海水試驗(yàn)結(jié)果證明了采用離子交換膜電解槽電解海水制氯的工藝技術(shù)是可行的。

3 結(jié) 論

本文采用自行設(shè)計(jì)的離子交換膜電解槽電解海水制氯系統(tǒng)，結(jié)合Minitab軟件，研究了不同因素對(duì)電解鹽水制氯的影響規(guī)律，優(yōu)化了電解參數(shù)，并通過實(shí)海試驗(yàn)驗(yàn)證了整個(gè)電解工藝，得到以下結(jié)論：

1） 國(guó)產(chǎn)全氟陽(yáng)離子交換膜A和陰極鎳網(wǎng)板與陽(yáng)極鈦網(wǎng)板構(gòu)成的離子交換膜電解槽，適合用于電解海水制氯，電流效率高（大于80%）、槽壓低（小于6 V）。電解過程中，當(dāng)海水的溫度及其鹽濃度升高時(shí)，電流效率增大，槽壓降低。而電流密度和海水在電解槽內(nèi)的停留時(shí)間增大時(shí)，電流效率均先增大后降低，槽壓均增大。最佳電流密度和停留時(shí)間分別為3 000 A/m2，46 s。

2） 構(gòu)建的海水預(yù)處理工藝可滿足離子交換膜電解槽進(jìn)水要求，設(shè)計(jì)的離子膜電解槽電解海水制氯裝置系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、效率穩(wěn)定、沉積少、腐蝕小，可為船用或其它海洋設(shè)施防污技術(shù)提供新的現(xiàn)場(chǎng)制氯防污方案。相對(duì)而言，本文所設(shè)計(jì)的電解海水制氯系統(tǒng)的不足之處在于離子交換膜電解槽對(duì)進(jìn)口海水的水質(zhì)要求較高，海水需預(yù)處理后才能夠用于電解使用。

3） 所設(shè)計(jì)的電解海水制氯防污裝置避免了電解產(chǎn)物氯氣與氫氣的混合，降低了裝置的安全風(fēng)險(xiǎn)，電流效率高，能耗低，可為海洋污損生物防治提供新的方法。