離子膜出現(xiàn)水泡的原因及預(yù)防措施

劉丙臣，姜延?xùn)|

（山東大成農(nóng)化有限公司，山東 淄博255009）

山東大成農(nóng)化有限公司燒堿產(chǎn)能為10 萬t/a 離子膜燒堿，采用高電密自然循環(huán)電解槽4 臺，每臺電解槽共160 個單元槽片，并配套有真空脫氯系統(tǒng)，氯氣壓縮采用進口透平壓縮機壓縮氯氣；采用帶有經(jīng)濟器的氯氣螺桿壓縮機組進行氯氣液化。電解槽裝置自開車以來，裝置運行平穩(wěn)，所產(chǎn)32%離子膜燒堿、液氯、次氯酸鈉、工業(yè)鹽酸等產(chǎn)品優(yōu)級品率均為100%。

離子膜法氯堿生產(chǎn)工藝中，離子膜生產(chǎn)裝置的核心部件主要包括活性陽極、活性陰極、選擇性離子膜和陰陽端板，決定電解槽運行壽命的重要因素是價值昂貴離子交換膜。應(yīng)根據(jù)膜電化學(xué)特性正確使用離子膜，找出離子膜出現(xiàn)水泡的原因，延長膜的使用壽命，提高燒堿產(chǎn)量和質(zhì)量，降低電能消耗。

1 電解槽對離子膜的要求

（1）高度的化學(xué)和物理穩(wěn)定性。氯堿的電解條件惡劣，陽極側(cè)是強氧化劑—初生態(tài)氯、次氯酸根及酸性溶液。陰極側(cè)是高濃度NaOH，電解溫度85～89 ℃。離子膜必須在這樣的條件下保持其化學(xué)結(jié)構(gòu)不變，不被腐蝕、氧化，始終保持良好的電化學(xué)性能。而且物理性能好。薄而不易破裂，耐壓，有均一的強度和柔韌性，耐皺折，有足夠的機械強度；

（2）具有較低的膜電阻。離子交換膜不但要有很高的離子選擇透過性能，而且要具有較低的膜電阻，這2 項性能往往是互相抵觸的，因此，必須通過各種方法來求得電解能耗達到最低限度；

（3）具有低的電解質(zhì)擴散及水的滲透。在離子膜的兩側(cè)有濃度差，并存在不同的電解質(zhì)時，還會發(fā)生電解質(zhì)的擴散和水的滲透。而在這電解過程中Na+離子的遷移，總是伴隨著水的遷移，因為電解質(zhì)陽離子總是以水化離子形式遷移的，因此無論是電解質(zhì)的擴散量，還是水的滲透量必須控制在規(guī)定范圍來滿足電解條件；

（4）要有很高的離子選擇透過性。離子膜的離子選擇透過性能將影響電解槽的電流效率、直流電消耗和產(chǎn)品純度，電解槽所用的離子膜為陽離子交換膜，只能允許陽離子通過，不允許陰離子OH-及Cl-通過。如Cl-通過膜滲入陰極室就會影響NaOH 質(zhì)量，而且對電極有損壞；若OH-離子滲入陽極室則會降低陽極效率，使陽極產(chǎn)物氯氣純度降低，在當前要求電解液濃度很高的情況下，對離子膜的選擇透過性能要求就更高，否則無法獲得低能耗、高質(zhì)量的產(chǎn)品；

（5）具有足夠的強度與形狀穩(wěn)定性。離子膜要有足夠的強度，以使安裝使用過程中不會損壞，在電解過程中溫度高有壓力情況下和電極產(chǎn)生的氣泡劇烈沖擊，離子膜隨之振動，因此必須有足夠的強度和柔性。此外，還要求離子膜在不同條件下膨脹收縮率要低，以免由于膨脹而造成折皺或收縮而引起離子膜破裂；

（6）具有較低的價格。離子膜要有低的生產(chǎn)成本，低的銷售價格，才能有高的效益。

2 離子膜出現(xiàn)水泡的原因

（1）當陰極液流量過小、槽內(nèi)陰極液循環(huán)不暢、進槽堿液濃度偏高的不良情況發(fā)生時，都會造成陰極液（堿）的槽內(nèi)總體濃度或局部濃度過高，使膜的陰極側(cè)羧酸層相對于陽極側(cè)磺酸層的過度收縮、層間產(chǎn)生間隙，隨鈉離子交換而遷移的水分子會在膜內(nèi)積存而產(chǎn)生水泡；另外，在某些形式的電解槽運行過程中，由于雙金屬效應(yīng)，在膜的中部位置電極間的距離變小，在膜的上部分電解液的氣液比也會比其他地方大。這就造成了在膜的中部偏上的地方電流密度會略大于其他地方。質(zhì)量不良的電解槽，當電極網(wǎng)面不平時，同樣會造成電流密度分布不均勻的可能。電流密度高的地方出水泡的可能性要高于電流密度低的地方，而且氣液比大的上部分還有出現(xiàn)針孔的可能；

（2）當陽極液（鹽水）流量過小、相對電流密度過大、進槽鹽水本身濃度較低、槽內(nèi)陽極液循環(huán)不暢等不良情況發(fā)生時，都會造成陽極液（鹽水）的槽內(nèi)總體濃度或局部濃度過低，使膜的陽極側(cè)磺酸層相對于陰極側(cè)羧酸層的過度收縮、層間產(chǎn)生間隙，低濃度的陽極液（鹽水）含水量高，隨鈉離子交換而遷移的水分子增加，會在膜內(nèi)積存而產(chǎn)生水泡；

（3）當陽極液酸度多大時，離子膜會被酸化，使膜的陽極側(cè)磺酸層組織被破壞，磺酸層膨脹、羧酸層收縮，兩層分離，在分離處出現(xiàn)水泡，使膜產(chǎn)生水泡；

（4）陽極液溫差過大時，膜兩面?zhèn)鹊氖湛s差異過大，膜產(chǎn)生分層，隨鈉離子交換而遷移的水分子在膜內(nèi)積存而產(chǎn)生水泡；

（5）膜兩側(cè)壓差不良使膜受振動，出現(xiàn)針孔。而正壓差過大時產(chǎn)生水泡；

（6）出現(xiàn)了負壓差，膜磨損出現(xiàn)針孔。微小的水泡長時間后也會發(fā)展成針孔；

（7）正壓差過大，在膜與陽極過分壓緊的部分鹽水供應(yīng)出現(xiàn)了問題。在這個部分實際上是電解了很稀的鹽水，這是會產(chǎn)生水泡的。同時，在這個地方一部分水被電解，產(chǎn)生的氫離子使得膜被酸化，從而加劇了水泡生成。

3 離子膜出現(xiàn)水泡的預(yù)防措施

（1）控制好進槽堿液流量和濃度，進槽堿液濃度不能偏高。進槽陰極液循環(huán)流量一般控制為單元槽數(shù)乘以0.3 m2，陰極堿液濃度是由電解槽的運行電流、電解電流效率、純水的加入量、進槽堿液流量和濃度等運行條件來決定的。在電流升降的過程中，DCS 系統(tǒng)會根據(jù)運行電流和出槽堿液濃度串級控制適量純水從堿液高位槽至電解槽之間的循環(huán)管路加入。正常運行時上述陰極液循環(huán)可以保證出槽堿液濃度控制在工藝要求的30%～32%左右；送到額定電流后，純水的加入量根據(jù)在線密度計的測定值進行控制。而當堿液濃度過高或過低時，一般是循環(huán)管路系統(tǒng)的陰極循環(huán)量或純水添加量異常所致，過高的堿液濃度也是造成膜起泡的重要原因之一；

（2）控制進槽鹽水的流量和濃度，進槽鹽水濃度穩(wěn)定在290～300 g/L。保證出槽陽極液中NaCl 的質(zhì)量濃度穩(wěn)定在210～220 g/L，至少不低于190 g/L。入槽鹽水酸度控制在＜0.15 mol/L，出槽鹽水pH 值控制在2.5～4.5；

（3）盡可能減少開停車次數(shù)和短時間調(diào)整運行電流。在正常操作過程中，離子膜水的滲透處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，若頻繁開停車和調(diào)整運行電流，離子膜難以建立穩(wěn)定的平衡，引起膜內(nèi)含水量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，縮短膜的使用壽命；

（4）合理控制陰、陽兩側(cè)壓差，避免出現(xiàn)負壓差。高電密自然循環(huán)離子膜電解槽的運行壓力和壓差是靠氣相壓力來控制的。在開停車階段和正常運行時，應(yīng)正確利用氯氫壓力調(diào)節(jié)閥，使電解陰極系統(tǒng)壓力始終大于陽極壓力，保證槽內(nèi)陰陽極室壓差在4 kPa 左右。過大的壓差會使極網(wǎng)變型、極距增大、離子膜受損和電壓上升甚至發(fā)生重大的設(shè)備安全事故。而反向壓差更會使槽溫和電壓大幅上升及造成膜和陰極網(wǎng)的損傷，過高的壓力和壓差以及反向壓差都會引起連鎖緊急停車。壓差連鎖高高值和低低值是電解界區(qū)陰陽極系統(tǒng)壓差控制設(shè)定值加減5 kPa；

（5）逐步調(diào)整離子膜裝置工藝技術(shù)參數(shù)，控制指標的準確性，結(jié)合生產(chǎn)實際修改，使之更適合生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

離子膜是離子膜電解槽中最核心的部件之一，學(xué)會正確操作使用離子膜很重要。離子膜價格昂貴，如何延長離子膜使用壽命，提高燒堿產(chǎn)量和質(zhì)量，提高電流效率，降低燒堿成本，對每個企業(yè)說都是至關(guān)重要的。