降低離子膜電解槽電壓的方法

霍文靜

(石河子天域新實化工有限公司，新疆 石河子 832000)

隨著我國科學技術的快速發展，氯堿企業采用離子膜法裝置制備燒堿，大大提高了生產效率和生產質量，降低企業生產成本，為提高企業的經濟效益奠定良好的基礎。

1 離子膜工藝簡介

從一次鹽水送過來的精鹽水經過樹脂塔進行二次精制，精制后的鹽水通過高位槽送入電解槽。氯化鈉被電解成鈉離子和氯離子。氯離子在陽極室放電轉變為氯氣。同時，鈉離子通過離子交換膜移到陰極室。陽極液被送到陽極循環槽，氯氣進入陽極循環槽頂部，然后送到氯氫處理工序。淡鹽水從陽極循環槽排出并送到脫氯工序進行脫氯。陰極液通過陰極高位槽，進入電解槽的入口總管，產出氫氣和燒堿。液體被送到陰極循環槽，送到片堿工序，氫氣進入陰極循環槽頂部，然后送到氫處理工序。

離子膜電解的化學方程式及原理如下。

總反應式：

2NaCl+2H2O=Cl2↑+H2↑+2NaOH。

2 利用設備改造來降低電解槽電壓

離子膜電解槽的槽電壓升高與降低均受電解槽的結構及離子膜的各種操作條件的影響。在離子膜電解槽生產過程中，降低電解槽電壓及電耗，提高電流效率，對整個燒堿生產具有重大意義。

石河子天域新實化工有限公司(以下簡稱“天域新實化工”)以前用有極距的電解槽，離子膜緊貼在陽極網面，與陰極網面大約有2 mm的距離。有極距電解槽槽電壓過高、電流效率下降過快，因此將有極距電解槽改為膜極距電解槽。電解槽陰陽極間距越小，單元槽電壓越低，電耗也越低，在相同的電流密度下，單元槽電壓比一般有極距單元槽電壓大約降0.15 V。

粘貼墊片時嚴格按照操作規程進行。如果墊片位置粘貼不正確，膜易發生鹽泡，并易發生針孔。在涂抹膠及黏合劑時，如涂抹過多，流到電解網面附著在膜上，使電解性能下降，也會使槽電壓上升。

裝膜時也要特別注意，膜不能裝反，裝反的話會使整張膜發生水泡，電解時槽電壓會急劇上升。

換完膜后，電解崗位人員必須每天重新擠壓和鎖定電解槽，持續7天；每星期重新擠壓和鎖定電解槽，持續1個月；然后，每個月重新擠壓和鎖定電解槽。由于新墊片比舊墊片厚，彈性大，剛開始運行時，槽電壓會增加，經過定期對新墊片的擠壓，越來越縮小極間距，使槽電壓降低。

3 工藝控制操作及注意事項

3.1 陰極液濃度

槽電壓與陰極液中NaOH濃度有關。隨著NaOH濃度的升高，NaOH含鹽量也隨之下降，膜的電阻隨NaOH濃度的提高而增加，使槽電壓上升。因此，長期穩定地控制NaOH最佳濃度是非常重要的。經過平時對陰極液濃度及槽電壓的對比和以往控制陰極液濃度的經驗，可以得知，將陰極液質量分數控制在32.1%～32.4%時，觀察到的槽電壓是最低的，但如果質量分數超過34%，則會使電流效率下降，槽電壓上升。

3.2 鹽水溫度及槽溫

進入樹脂塔前鹽水一般控制在(60±5) ℃。低于這個溫度，槽電壓上升，樹脂塔中的螯合樹脂就會失去活性，樹脂的交換能力下降 ，電解液和膜的電阻會隨著它們溫度的上升而降低。

提高槽溫的辦法就是提高鹽水的溫度，溫度上升，使膜的孔隙增大，有利于提高膜和電解液的導電度，降低溶液電壓降，從而降低槽電壓。一般，槽溫上漲1 ℃，單槽電壓會降低10 mV。在實際電解中，在90 ℃時觀察到的槽電壓最低，但如果槽溫高于90 ℃時，水的蒸發量增加，導致氣液比率增加，使槽電壓上升。

3.3 電流密度對槽電壓的影響

槽電壓降直接受到電流密度的影響，一般來說，槽電壓與電流密度成正比，一張離子膜的面積為2.7 m2，電流密度為4.5 m2/kA，則理想電流為2.7×4.5=12.15 (kA)。如果超過了極限電流密度(電流密度為5.5 m2/kA)，不僅使電壓上升，電流效率下降，而且易使膜的內部結構受到損壞。電流密度不僅影響膜的電壓降，而且影響陽極和陰極的過電壓，影響溶液及導體的電壓降，總的效果是，隨著電流密度的升高，槽電壓也會逐漸升高。

3.4 鹽水中的雜質

進入電解槽的鹽水質量是離子膜制堿技術的關鍵，其對離子膜的壽命、槽電壓和電流效率及產品質量有著重要的影響。

離子膜二次鹽水的樹脂塔是為了進一步去除精鹽水中的雜質，電解時，它們會透過離子交換膜，會同陰極室反遷移過來的OH-反應生成不溶性的氫氧化物沉淀，堵塞離子膜，使膜電阻增加，槽電壓上升，膜性能惡化和壽命的縮短。

對膜影響最明顯的是鈣鎂離子，少量的Fe+2和Fe+3主要對槽電壓有影響，對電流效率影響不大，但當鹽水中鈣鎂鐵等雜質含量增加時，可以明顯地觀察到電流效率下降。長期的鈣鎂鐵等雜質含量超過指標，將造成膜性能不可逆的惡化，從而縮短膜的使用壽命。因此，在生產中加強檢測能力，提供合格的鹽水(ρ(Ca2+)≤0.02 mg/L，ρ(Mg2+)≤0.02 mg/L，ρ(Fe3+)≤0.02 mg/L)。

3.5 陽極液濃度及pH值

陽極液濃度偏低時會導致電流效率下降，堿含鹽量上升，當濃度過低時，膜的含水率增高，導致OH-反滲速度增加，離子膜將會出現鼓泡，過多的鼓泡則導致槽電壓上升和電流效率的下降，如濃度低至某一極限，離子膜則會發生膨脹、分層，出現針孔，導致膜遭到破壞。陽極液的控制指標為205～230 g/L，但是在平時的操作中觀察的陽極液濃度一般控制在210～215 g/L時，槽電壓為最佳值。

當今工業化用的離子膜，絕大多數是全氟磺酸和全氟羧酸復合膜。全氟羧酸在有Na+存在的情況下，具有優良的性能，如果羧酸基變成了H+型，它就不能作為離子膜工作了，因此必須使陽極液pH值控制在2～4之間，否則膜內部就要因發生水泡而受到破壞，使膜電阻上升，槽電壓就要急劇升高，所以，陽極液加酸不能過量，將陽極液出口酸度控制在0.005 0 mg/L以下，且在單槽電流為4.1 kA以下時，加酸閥自動關閉，停止加酸。

3.6 電槽壓力及壓差

通過提高電解槽壓力，電解液氣體體積縮小，因氣泡發生而引起的電解液電阻下降，電解槽電壓降低。壓差有效的降低槽電壓，相反的，負壓差增加槽電壓，每片增加0.4～0.5 V，在實際操作中，陰極室和陽極室的壓差是4 kPa。若壓差超額，正壓差高于95 kPa時，將使陽極永久變形，極距增大，電壓上升；若壓差過小，不僅易使槽電壓上升，而且，壓差波動頻繁，使膜受到振動而損傷，特別是開停車時，由于操作不當，最易出現負壓差，膜就會緊貼到陰極網面，使膜受到摩擦而損壞，槽電壓上升。所以平時操作中維持壓差在40 kPa左右。

4 結語

離子膜電解槽的操作關鍵是使離子膜能夠長期穩定地保持較高的電流效率和較低的槽電壓，進而穩定直流電耗，延長離子膜的使用壽命，盡量避免非計劃停車的次數，將各項參數指標控制在合格范圍內，不因誤操作而使膜受到嚴重的損傷，同時也能提高產品質量。