海水提溴技術的發展與研究現狀

林 源，王浩宇，周亞蓉，葉俊偉，寧桂玲

（大連理工大學化工學院，精細化工國家重點實驗室，遼寧大連116023）

海水提溴技術的發展與研究現狀

林 源，王浩宇，周亞蓉，葉俊偉，寧桂玲

（大連理工大學化工學院，精細化工國家重點實驗室，遼寧大連116023）

溴素是重要的化工原料之一，在阻燃劑、石油開采、殺菌劑、農藥、感光材料及醫藥等領域廣泛應用，其制備技術和應用價值受到國內外學者的高度重視。綜述了國內外溴素生產現狀和海水提溴的方法，介紹了空氣吹出法、水蒸氣蒸餾法、離子交換吸附法和膜分離法提溴技術的研究現狀，分析了各種方法的優缺點。簡述了超純溴的制備方法。提出了海水提溴的未來發展方向。

海水；溴；提取；純化

溴是最早從海水中發現并被分離的元素。溴作為一種重要的化工原料廣泛應用于阻燃劑、石油開采、殺菌劑、農藥、感光材料及醫藥等方面［1-4］。溴在海水中的儲量相當可觀，地表99%的溴均存在于海水中。海水中溴的質量分數約為6.5×10-5，而巖鹽礦中溴的質量分數僅有1×10-7，某些鹽湖水中溴的質量分數達到（2～12）×10-3。 由于天然鹽湖數量有限，因此，除了少數高濃度的鹽湖外，海水即成為提取溴的最大來源。海水提溴作為鹽鹵工業的重要分支，已經有半個多世紀的歷史，并取得了相當大的進展。溴的工業化生產基礎工藝是加熱含溴化鈉的鹵水，再用氯氣氧化為單質，最后用蒸汽或空氣從溶液中汽提出溴的粗品。2007年世界溴素的生產能力約60萬t，以色列以死海海水為原料提溴，美國從20世紀70年代起全部以天然鹵水為原料提溴，英、法、日等國家主要以海水為原料提溴。中國溴素的產能占世界的10%，約為6萬t/a，主要來源于山東省的地下鹵水溴資源，但遠不能滿足國內需求，每年仍必須進口大量溴素及溴化工產品。因此，充分利用海洋資源發展海水提溴具有重要的現實意義［5-7］。

1 海水提溴技術研究現狀

1.1 空氣吹出法

空氣吹出法是最早工業化的方法，適合從低濃度含溴溶液提取溴，是海水提溴的成熟的工業方法。將濃縮的海水用硫酸酸化后，通入氯氣氧化溴離子，酸性的海水抑制了氯、溴與水的反應。反應式如下：

生成的單質溴通入空氣吹出，實現與母液的分離，得到初步產品，但因濃度太低還需濃縮。工業上通過堿液吸收，溴發生歧化反應：

蒸餾得到最終產物。也有用SO2吸收的報道，通入SO2發生如下反應：

再用氯氣氧化，得到成品溴。空氣吹出法用于酸化海水的酸用量大，同時氯氣與水反應生成次氯酸，會導致溴的收率下降。空氣吹出法的收率為70%～80%。空氣吹出法對原料溴濃度要求不高，生產容易控制；但也有明顯的缺點，如設備投入大、流程復雜、能耗高［8］。

對于空氣吹出法中吹出工序吹脫率偏低、能耗高的缺點，劉有智等提出了超重力空氣吹出技術。在溴離子被氧化成游離溴后，利用超重力技術高度強化傳質的特點，將低濃度的游離溴吹脫至氣相，極大地增加了吹出過程的傳質效率。此法具有吹脫率高、床層壓降低、占地小、能耗低的優點，有良好的發展前景。 譚乃鈞等［9］在溫度為 25℃、pH為3.5、氣液體積比為80、高密度填料、超重力因子為143.75條件下，溴吹出率達到99.28%。

1.2 水蒸氣蒸餾法

水蒸氣蒸餾法原用于從鹽湖的苦鹵中提取溴，和空氣吹出法幾乎同時發展起來，對于濃度較高的原料液有很好的效果。該法使用氯氣做氧化劑直接將原料液的溴離子氧化，利用溴對水蒸氣的相對揮發度大的特點采用水蒸氣蒸餾，將蒸餾產物靜置分層，溴層經過精制得到成品。此法經過多年改進，收率可達90%，高于空氣吹出法，并且流程相對簡單；但是，預熱鹵水以及提供水蒸氣的耗能仍很大，并且對低濃度的海水效果不好［10］。近年來已經有不少的改進意見，例如：盧伯南等［11］提出的連續雙過程真空提溴技術，在低壓（41～83 kPa）下運行，可在保證產率的情況下節省大量氯氣、水蒸氣以及能源，并且設備造價大大降低。

1.3 離子交換樹脂法

離子交換法是20世紀50年代隨著合成樹脂的發展而興起的方法，經過近60 a的發展，目前已經有了完整的工業流程。此法選用的樹脂通常為201×7型強堿性離子交換樹脂。理論研究［12］表明，該樹脂對溴的最大吸附量為2.489 4 mg/mL，吸附率可達到98%。此法的工藝流程：將海水濃縮酸化，通入氯氣氧化（由于201×7型樹脂僅在溴為游離態單質時才能有較高的吸附性，因此需要通入氯氣氧化），吸附達到飽和的樹脂用二氧化硫水溶液再生，并將游離溴用鹽酸洗脫，實現溴的富集，得到初步產品，再經過精制，得到成品溴。

此法優點在于不受原料濃度的限制，對溫度不敏感，能耗要低于傳統的空氣吹出法和水蒸氣蒸餾法，設備投資小，并且收率在80%左右。此法的關鍵在于找到抗氧化、壽命長、吸附效率高的樹脂。目前已經有很多牌號的樹脂被證明適合用于海水提溴，如國外的 Amerlite IRA-400、Deacidite FF、Dowex-l、Duolite-A-42等樹脂，國內的牌號為D201、D201BR的樹脂。此法于20世紀90年代即已實現工業化生產；但是，此法提溴的后續工藝較為復雜，因此限制了其大規模工業化應用。也有以聚丙烯腈纖維化學改性制得的含有偕胺肟基螯合纖維為原料，經Hg（NO3）2溶液化學處理，制得陰離子交換纖維，用于海水中吸附溴的報道。此種纖維對溴離子有很好的交換、吸附能力，且具有交換速度快、交換性能好、再生處理便利和重現性好等優點，交換率在90%以上。目前此方法還沒有工業化［13］。

1.4 膜分離法

膜分離法是目前的研究熱點，相比于傳統方法，膜分離法不涉及相變，能耗低，裝置簡單，容易自動控制，設備投資少。從20世紀60年代起，以反滲透膜的出現為標志，膜分離法走向工業化。在海水提溴方面主要有氣膜法和液膜法。氣膜經過多年的發展，從早期的聚丙烯平板膜發展到聚丙烯中空纖維膜、聚四氟乙烯平板膜和目前最新研究的聚偏氟乙烯中空纖維膜。已有文獻報道了利用聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維疏水膜進行鼓氣膜吸收（ABMA）海水提溴實驗。 在 22 ℃下，在鼓氣強度為 500 mol/（m2·h）、溴濃度為10 mmol/L的實驗室模擬條件下，0.15 mm厚的PVDF膜的脫溴率約89.5%，溴吸收率約68.6%，膜的有效溴通量約 0.41 kg/（m2·h）。 試驗中，PVDF中空纖維疏水膜經含溴濃鹽水浸泡123 d后，其孔徑和強度未發生明顯變化，疏水性未降低，是良好的海水提溴膜材料［14-15］。 吳丹等［16］對工藝流程和參數做了優化，在吸收液溫度為80℃時對溴的脫除率大于90%，吸收率和回收率達到99.6%和89%。

膜法提溴的工業化進程初見成果。據報道，天津長蘆于2005年12月建立起百噸級氣態膜法提溴裝置，完成了氣態膜提溴傳質分離技術、高效能膜組件的設計與加工、膜分離過程的污染控制技術、提高溴質量技術與工藝的優化等，和空氣吹出法相比每年減少1×106kW的電力消耗和1×109m3含氯溴尾氣的排放，創造了良好的經濟及環境效益。

液膜法與氣膜法類似，具有高效、低污染的優點，同時沒有氣膜法對膜疏水性要求高、存在滲透蒸餾過程導致損失的缺點。文獻［17-18］報道了用液膜法從海水提溴的實驗研究。將煤油與表面活性劑L-113A、硫酸鈉混合并攪拌，制得乳化液膜，與海水混合分離溴。乳化液膜經破乳、油水分離，對水相的溴進行測定。結果表明一次分離效果達到98%，海水中溴質量分數僅有1.3%。但是，由于此法工藝復雜，需制乳、提取、破乳等多道工序，乳化液膜的穩定性變數太多，難以控制，以及乳化劑選用的潛在污染，導致未能順利工業化。

為克服此缺點，張慧峰等［19］分別以疏水性的單殼程-雙管程聚丙烯中空纖維膜組件和親水性的聚砜中空纖維膜組件，進行了中空纖維封閉液膜（HFCLM）和流動液膜（HFFLM）提溴過程的研究。使用單殼程-雙管程的膜組件，有機溶劑靜止處于組件殼程，原料液和吸收液分別循環流過組件不同管程。發現采用聚丙烯中空纖維膜組件的封閉液膜傳質阻力集中于原料液相，采用聚砜中空纖維膜組件的流動液膜傳質阻力集中于煤油相。

1.5 其他方法

其他方法，如：用苯胺或苯酚與氧化海水生成的游離溴反應生成沉淀以富集溴的沉淀法；氯氣氧化后不用空氣吹出或水蒸汽蒸餾，而用四氯化碳等溶劑萃取，之后加入碳酸鈉等，收集溴化鈉精制得到溴的萃取法；使用JA-2吸附劑，以反應AgCl+Br-→AgBr+Cl-為理論基礎的吸附法［20］，以及電解、電吸附、空氣氧化、濃氧化性酸氧化等多種方法。但是，這些方法都有難以克服的困難，沒能實現工業化生產。

2 高純溴的制備技術研究

工業制備的成品溴純度約為99.5%，通常含有氯離子雜質以及被氯、溴氧化后的有機雜質。在一些特殊場合，如充入溴化錫的鹵素燈需要光譜純的溴，因此需要對工業溴進行進一步純化。一種傳統方案是濃硫酸法，使用蒸餾塔，預先除氯后的粗溴從塔底進入，濃硫酸以大約2∶1的體積比從塔頂噴淋以促進逆流混合。鍋爐間接加熱到60℃，溴蒸氣用水逆流接觸，然后用濃硫酸室溫脫水，此時雜質殘留質量分數由 1 ×10-2降低為（3～5）×10-5［34］。 另一種方案是多次蒸餾，粗溴先于35～70℃除去大部分水，產物進行二次蒸餾或者三次蒸餾，三次蒸餾后產物含氯質量分數為 2.5×10-5、含水質量分數為 3×10-5、含其他雜質質量分數為7×10-7。也有反復在400～500℃高溫處理，使溴反復汽化冷凝，達到除去雜質的目的。以上方法對設備要求高，操作復雜，限制了大規模工業化應用。中國有高真空低溫純化法的實驗報道，在原料中加入溴化鈉除去游離氯，進而加熱到850℃除去有機雜質，使用5個真空反應器，第一個反應器中加入高氯酸鎂干燥劑，除去原料中的水分；后4個反應器均抽真空，并逐級降低溫度，實驗選擇低至液氮溫度（-196℃）、真空下雜質分壓遠低于低溫下溴蒸氣的分壓時，溴低溫冷凝，雜質留在上個反應器中，最終得到超高純溴，所有雜質質量分數共計1×10-7。此法流程復雜，需要低溫冷阱和高真空，因此阻礙了工業化應用。

3 結語

從海水提溴發展來看，經過數十年的發展，在技術和工藝上已經取得了巨大成就，傳統的提溴方法經過幾十年的完善仍然有著生命力，以膜分離為主的新的方法正在發展壯大。但高純溴的制備仍然有很多困難，值得廣大科研人員關注。更為重要的是，溴素可用于加工高技術含量、高附加值的無機和有機溴系列產品。因此推廣高效低耗能的新型海水提溴方法和高純溴制備技術，是中國充分利用豐富的溴資源的必由之路。

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Research and development status of bromine extracting technique from sea water

Lin Yuan，Wang Haoyu，Zhou Yarong，Ye Junwei，Ning Guiling
（State Key Laboratory of Fine Chemicals,School of Chemical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116023，China）

Bromine is one of the important chemical materials.It has been widely used in the fields of flame retardants，oil exploration，fungicides，pesticides,photographic materials，and pharmaceutical etc..Bromine′s preparation technology and potential value are highly attached by domestic and foreign scholars.The status of bromine production and extraction methods from sea water，including air stripping method，steam distillation method，ion exchange adsorption method，and membrane separation method at home and abroad were briefly introduced.The advantages and disadvantages of those methods were compared.Meanwhile，the preparation method of ultrapure bromine was briefly described.Finally，the future development direction of extracting bromine from sea water was suggested.

sea water；bromine；extraction；purification

TQ124.5

A

1006-4990（2012）09-0005-03

2012-04-12

林源（1964— ），女，本科，工程師，主要從事無機化學與化工研究。

聯 系 人：寧桂玲

聯系方式：ninggl@dlut.edu.cn