離子交換膜針孔的危害與預防措施

王世榮

（淄博職業學院，山東 淄博255314）

離子交換膜（以下簡稱離子膜）質量的優劣直接決定著離子膜電解槽運行壽命的長短和電解槽內各項經濟運行指標的優劣，也決定著離子膜燒堿生產成本的高低，影響著整個電解槽的整體工作狀態。離子膜上出現針孔是導致離子膜壽命縮短的致命因素。某離子膜燒堿生產企業在重涂電極涂層和換膜運行1 個月后出現了離子膜針孔，導致復極單元槽上的陽極鈦網出現了大約4 mm×6 mm 孔洞問題，結合電解槽運行工藝參數，分析查找到異常現象的原因，結合實際生產運行情況提出了相應的預防措施。

1 離子膜的功能與選擇要求

離子膜在離子膜燒堿生產過程中的作用是允許陽極室內的Na+通過陽離子交換通道，輸送到陰極室內與H2O 電離的OH-結合，生成NaOH，同時，也阻止陰極室內的NaOH 反遷移回陽極室內，這層陽離子交換膜同時還起著阻止陽極室產生的強氧化性氯氣和陰極室產生的強還原性氫氣二者發生混合爆炸的作用。所以它既是離子膜電解槽燒堿生產操作過程中的陰極室與陽極室的分隔隔膜，又是陰陽極室發生電化學反應的實現離子遷移的通道。

2 離子膜出現針孔的現狀與原因分析

2.1 復極式離子膜電解槽出現的問題

某企業對復極式電解槽在位運行了6 年后，對復極單元槽極板的陰陽極網涂層進行了表面重涂，以降低其發生電化學反應的析氫和析氯電極電位。在重涂后采用了新的離子膜，安裝上位試運行1 個月后發現，1#電解槽第56 片陽極室內的氯氣純度偏低，含氧量升高，其中的氣體雜質也偏高，其具體分析結果見表1。

表1 1#電解槽第56片陽極室與相鄰單元槽陽極室內的混合氣體組成對比表

根據表1 中第56 片陽極室氯中含氧偏高，主要原因是陽極液中的NaClO3含量偏高所致。導致陽極液中NaClO3的原因分析如下：

陽極室溶液中的反應為：（1）生成的氯氣在電解液中（陽極液）的物理溶解，Cl2（g）→Cl2；（2）生成的氯氣與從陰極室反滲過來的氫氧化鈉的反應

由此斷定該復極單元槽的離子膜出現了針孔，導致陰極室內的NaOH 通過該針孔反滲透到陽極室內造成的NaClO3含量偏高。

對1#電解槽采取了停車拆卸檢查處理，并逐一檢查各復極單元槽的極板網面的情況，當檢查到第56 片單元槽的陽極鈦網時，發現了在網面上有一個非常明顯的腐蝕孔洞，大約有4 mm×6 mm 大小，位置在距上邊的密封面大約600 mm 處，據右邊密封面大約700 mm 處，見圖1。如果修補后不能達到技術要求，還可能會導致整個復極單元槽報廢。

圖1 離子膜電解槽單元槽鈦網腐蝕情況示意圖

2.2 離子膜出現針孔的主要原因

2.2.1 電解槽設計上存在的問題

在離子膜法電解氯化鈉水溶液過程中，隨著局部電流密度增加，使Na+在陽極液中與離子膜內遷移速度的不平衡性，會使膜面內的水分子被迫離解，由離解的H+透過膜層傳導電流，即產生所謂的極化現象，使離子膜受到不同程度的損害，一旦產生氣泡破裂，就很容易產生氣孔。

電解槽中的陽極網袋設計上不利于新生成的氯氣的釋放，滯留在陽極室內的氯氣，能與來自陰極室濃差擴散來的NaOH 反應，而在離子膜內生成氯化鈉晶體，能引起膜內出現水泡、針孔和龜裂等，使膜的電化性能迅速下降。

2.2.2 電解槽在制作上存在的問題

電解槽在制作時可能存在電解槽上的密封面不平整，有坑洼和麻點，特別是網面上有可能出現筋骨與網面焊接時出現的焊點毛刺，網面比較大，有時局部上的焊點毛刺會導致膜穿孔。

2.2.3 膜在安裝過程中出現的問題

當膜在安裝過程中出現被兩極網板緊緊夾住或兩極板不平時，兩極板都會造成膜的損傷。另外，由于墊片過軟，在緊固螺栓時，墊片面積增大而使膜產生伸展，嚴重時也會導致膜產生龜裂現象；安裝膜時，膜在兩極板間串動，也易出現針孔[1]。

2.2.4 電解槽本身在運轉過程的質量問題

電解槽在運行一段時間后，有可能會出現加強筋與極板電極在高溫下出現開焊現象，陰陽極面突起或凹陷，導致焊點開焊，開焊處容易產生毛刺，在電解槽陰、陽極室壓差波動較大的情況下，會對離子膜造成針孔。

2.2.5 電解槽在運行操作過程中出現的問題

（1）陽極液中的金屬離子Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Ba2+會與陰極室內反滲透過來的OH-生成氫氧化物沉淀物，存在于膜內，形成微孔，導致高分子物形態的物理性損壞、折裂、穿孔等，如果生產控制過程中氯氣波動頻繁，會造成離子膜的抖動，局部與極片接觸過多產生磨損而形成針孔；（2）電解槽在停車時產生的反向電流，即停車時的“電池效應”，可以使NaCl 晶體沉積于膜內，NaCl 晶體在停車洗槽時，能溶解成小洞，在操作不穩定時，極易造成物理性損壞，出現針孔；（3）電解槽運行時間長了，活性陰極上的非活性焊點上易沉積的磁粉，因沉積的磁粉呈樹枝狀，向著陽極生長，有時也會刺破離子膜[2]；（4）電解槽經常開、停車時，會因為電解槽內溫度變化頻繁，使膜膨脹和收縮，造成膜的物理松弛，使膜的電流效率下降，膜的收縮，使膜起皺，電解氣相物有可能浸入膜的皺紋內，堵塞部分有效表面，導致電阻增大，槽電壓上升，膜起皺紋，加上開、停車時會出現壓差不穩定，易出現的正壓差或負壓差，使膜出現針孔或物理性損壞[1]。

3 離子膜產生針孔的危害

（1）陰極室內高濃度的NaOH 會通過膜的針孔反遷至陽極室內，損壞陽極使陽極涂層剝落，進而造成陽極網袋的腐蝕損壞，該企業電解槽陽極網腐蝕出現孔洞的現象，就是基于此原因而造成的[3]；

（2）使氯氣通過針孔反竄至陰極室內，腐蝕陰極，縮短陰極的使用壽命；

（3）導致氯中含氫升高。如果氯中含氫量達到爆炸極限時，在氯氣處理系統或電解槽中容易發生爆炸事故；

（4）在膜針孔處，單元槽墊片會受到NaClO 的強腐蝕，造成單元槽局部泄漏；

（5）造成燒堿中含鹽量偏高，會導致產品含鹽不合格，降低產品規格。

4 預防離子膜產生針孔的措施

（1）針對電解槽設計上存在的問題，應設計使膜面上陽極液以湍流形式流動的單元槽結構形式，增強極板內流體流動的循環設置。將電解槽的網袋設計成有利于釋放新生成氯氣的結構，增大電極放電的比表面積，降低氯氣在陽極室內的滯流時間，避免氯氣與從陰極室反滲過來的NaOH 反應，生成NaCl晶體停止在膜內。陽極應為整體材料，要盡量減少焊點；陰極材料不能太薄，以免變形傷害離子膜；

（2）電解槽在制作時應使密封面平整，不能有坑洼和麻點，特別是網面上不能出現筋骨與網面焊接時出現的焊點毛刺現象，如果有毛刺，要用電銑刀打磨或用槌敲之，直到手感光滑為止；

（3）當膜在安裝過程中，出現被兩極網板緊緊夾住或兩極板不平時，應將兩極板現行分開，重新整理好膜，再開始附膜，以避免造成膜損傷。另外由于墊片過軟，導致膜產生龜裂現象，要更換合格墊片；安裝膜時，膜在兩極板間串動時，要小心將兩極板分開，重新整理好并附膜，要輕拿輕放，不能使膜發生串動；

（4）出現加強筋與極板電極在高溫下出現開焊現象，陰陽極面突起或凹陷，導致焊點開焊，開焊處容易產生毛刺，要及時停車進行檢修電解槽極板或更換合格的極板；

（5）嚴格控制入槽鹽水的Ca2+、Mg2+等的雜質含量，嚴禁招標；電解槽在停車時要及時送上極化電流，以保護電解槽的極板不受電化腐蝕；利用停車檢修的時間檢查陰極網上是否沉積磁粉，如果有，要及時進行清理[2]。

加強電解槽的綜合管理，提高動態管理水平，盡量減少異常停車次數，延長電解槽穩定運行時間。

5 結語

離子膜電解槽的管理水平體現在生產運行過程的方方面面。針對離子膜出現針孔問題，要結合入槽鹽水和入槽堿液的質量、陰、陽極室內的壓差恒定控制、整流電流的穩定輸出等方面進行綜合管理，提高崗位人員操作技能水平和技術管理水平，從根本上避免或減少離子膜針孔問題的出現。

［1］程殿彬.離子膜法制堿生產技術.北京：化學工業出版社，2003：154－162.

［2］楊善厚.離子膜法制堿技術中膜損傷的原因及預防措施.中國氯堿，2011，（1）：7－9.

［3］張玉萍，鞠 鶴，蔡天曉.外加電流陰極保護用鈦陽極.裝備環境工程，2011，（5）：96－98.