极室溶液体积对膜电解再生烟气脱硫吸收液的影响的基础实验研究

摘 要：本试验在确定出操作最佳流速和最佳电压后，进行循环试验以考察单阳膜电解不同模拟脱硫吸收富液在不同阳极液体积时的基本规律和再生效果。通过试验测定模拟液的亚硫酸根、总硫酸根含量、电流、水温，pH值、电导率等参数，然后根据试验数据计算出钠碱的再生效率（电流效率）、迁移率、电耗等，最后通过列表作图分析数据可发现：增大阳极液体积可提高阴极脱硫富液再生效果。

关键词：钠碱 烟气脱硫 单阳膜电解 硫再生

目前，脱硫技术发展较快，但普遍都存在着投资大、运行费用高、设备易结垢等缺点。因此，基于环境污染状况及更加严格的环境要求，探索有效减排烟气中的SO2、回收硫资源、降低治污成本的新方法势在必行。本试验着眼于研究单阳离子交换膜电解再生钠碱脱硫富液，解吸回收SO2，为实现低成本高效率脱硫奠定了基础。

1 膜电解再生机理

如图1-1所示，将脱硫富液（主要成分为NaHSO3、Na2SO3）泵入阴、阳极室。在电场力的作用下，阳极液中的Na+、H+透过阳离子交换膜进入阴极室，而HSO3-、SO32-、和OH-等阴离子虽受电场力作用，被阳离子交换膜阻碍不能通过。

在阴阳极板和极室中，发生如下电化学反应：

1.阴极室反应：

阴极板：

（1-1）

阴极室：

（1-2）

阴极板发生的析氢反应，将使阴极室pH值上升，过量的OH-与HSO3-反应生成SO32-，使Na2SO3含量不断增大，NaHSO3含量不断减少，吸收富液逐渐变成Na2SO3和NaOH的混合液，恢复了对SO2的吸收能力，从而得到再生可送入吸收塔循环利用。电极反应中的H+由水的电解反应、阳极液迁移而来。

2.阳极室反应：

阳极板：

（1-3）

（1-4）

（1-5）

阳极室：

（1-6）

（1-7）

（1-8）

（1-9）

阳极板发生氧化反应放出O2，电解出的H+使阳极室pH值下降；同时，部分HSO3-和SO32-直接在阳极板上发生氧化反应变成HSO4-和S042-，也有小部分被阳极析出的O2氧化成HSO4-和SO42-。随着电解的进行，阳极室脱硫富液转化为NaHSO3，H2SO3和Na2SO4的混合液，pH降低到一定程度即可用以解吸SO2气体回收硫资源。

2 实验装置

2.1 单向实验装置图

图2-1 膜点解试验装置示意

注：1、2-阴、阳极原液槽，3、4-阴、阳极处理液槽，5、6-耐腐蚀泵，

7、8-流量计，9-膜电解装置， 11-直流电源。

2.2 循环实验装置图

图2-2 膜点解试验装置示意

注：1-直流电源，2、3-耐腐蚀泵，4-阴极循环槽，2.3 实验所配药品

阴阳极液：模拟钠碱脱硫吸收富液。主要由亚硫酸钠和亚硫酸氢钠构成，按实验方案配制成不同浓度和组成。

3 主要分析项目及测定方法

3.1 主要测定与分析参数

（1）槽压、电流；

（2）阴阳极室液温度；

（3）阴阳极室液、阴阳极出口液pH值；

（4）阴阳极室硫酸根、亚硫酸根含量；

（5）阴阳极室液、阴阳极出口液电导率；

（6）阴阳极室液、阴阳极出口液钠离子浓度；

（7）膜电解再生电流效率与电耗；

（8）钠碱再生效率。

3.2 测定方法

3.2.1 亚硫酸根浓度的测定

在亚硫酸钠溶液中加入过量的碘，利用亚硫酸的还原性将碘还原为碘离子，过量的碘用硫代硫酸钠反滴定，根据硫代硫酸钠的用量可知过量的碘量，从而可以求出氧化亚硫酸钠所用碘量，进而求出亚硫酸钠含量。方程式如下：

3.2.2 亚硫酸根和硫酸根总量的测定

硫酸根常用测定方法有：重量法、比色法、光度法、EDTA容量法、离子色谱法、茜素红S（53，56）测定法等。

离子色谱和EDTA容量法是较合适的方法，但由于实验水样过多、浓度大，使用离子色谱进行测定，需稀释2000倍以上，操作复杂、耗时多。而且亚硫酸根与硫酸根在色谱柱内保留时间相近，不易分离，双峰融合或产生拖峰现象，测定不准确。因此，本试验采用EDTA容量法。

3.2.3 钠离子浓度的测定

测定仪器与试剂：pXS-215离子活度计，pHs-3B型数显酸度计，氯化钠、氯化钾、二异丙铵、氯化氨、氨水，以上试剂均为分析纯。

结论

通过试验研究，得到结论如下：

（1）阳极液体积变化对单阳膜电解的影响

不同阳极液体积时电流密度变化不大，但随阳极液体积的增大，电导率、阴极pH的变化幅度和电流效率都增大，阴离子浓度变化幅度和电耗减小，阳极pH，温度则随体积倍数出现波浪式变化。增加阳极脱硫富液体积有利于再生。

（2）最佳运行参数

通过单项基础试验确定的最佳运行参数为：槽压：3.0V，流速：2.73cm/min（即流量：0.5LPM）；配置模拟液的钠硫比：r=0.806；阴极液体积：4L；阳极液体积：12L。以循环试验再生效果确定了循环电解终点：电解1.5h后阴极出口pH可达6.5，阳极出口pH可达2.0～5.0，电流效率高于80%。

（3）水分子的伴渗

单阳膜电解运行中，水分子的伴渗现象显著。可观察到在循环效果试验中两极室的溶液体积有明显的变化：阴极液体积增大，阳极液体积减小。因为随着阳离子透过阳离子交换膜，水分子以水合离子的形式或迁移离子的夹带作用而透过膜。当流速、溶液浓度、起始pH增大时，溶液体积变化量亦增大。因此电解过程中参数的选择、储液槽的设计容积都应考虑水伴渗的影响。水分子的伴渗作用也是阳极钠离子迁移率总是高于阴极钠离子迁移率的重要原因之一。

参考文献

1 郝吉明、王书肖、陆永琪编著.燃煤二氧化硫污染控制技术手册.化学工业出版社2001

2 杨圣春、胡大明、陶国军.燃煤电站脱硫技术与经济分析.安徽电气工程职业技术院学报，2004.9（3）

3 李传炽 .烟气脱硫技术及脱硫石膏的应用.新型建筑材料 ，1999（9）