離子膜電解槽運行注意事項

隗 健，于昌國，張 鐸，張小峰，王學軍

（1.山東東岳高分子材料有限公司技術中心，山東淄博256401）

離子膜電解槽運行注意事項

隗 健，于昌國，張 鐸，張小峰，王學軍

（1.山東東岳高分子材料有限公司技術中心，山東淄博256401）

總結了電解槽運行中鹽水質量、陰陽極液濃度、槽溫、電流密度、壓差、反向電流等各項操作指標對離子膜性能的影響。

鹽水中雜質；電解液；槽溫；電流密度；國產離子膜

離子膜在離子膜法燒堿生產中發揮關鍵作用，是氯堿裝備的核心裝置。離子膜能否長期穩定的高效運行，主要取決于各企業的生產操作等情況，但是在實際生產中如果工藝控制不當影響到離子膜性能，造成槽電壓升高，電流效率下降使生產成本增加。隨著現在裝備技術的進步，國內多數廠家已經直接采用膜極距電解槽或高電密電解槽改膜極距，膜極距電解槽對工藝的各項控制指標有更高的要求。

國產離子膜由于有獨特的樹脂結構和加工工藝，使國產離子膜具有突出的鹽水雜質耐受性。

1 鹽水中雜質含量對膜的影響

1.1 雜質對膜的影響

鹽水質量是影響離子膜性能的一個關鍵因素，不僅影響離子膜的壽命，而且影響槽電壓和電流效率。鹽水中的雜質對離子膜的影響是多方面的，離子膜具有良好的陽離子選擇透過性，一價和二價離子較為活潑，一價離子通過的同時二價離子也會進入膜內，二價離子進入膜內的速度要慢于一價離子，膜內的pH值是從陽極到陰極慢慢升高的，越靠近陰極側膜中的OH-含量越高，所以二價離子進入膜內后會與膜內反滲的OH-形成結晶堵塞膜內通道[1]。使離子膜的交換能力下降，使離子膜槽電壓急劇升高，電流效率下降。當多種雜質以混合形式存在時對離子膜的性能的影響更是致命的。

1.2 TOC（總有機碳）對離子膜的影響

了阻止陰離子的能力，使槽電壓上升，氯氣純度下降，電解槽內壓力不穩影響膜的壽命，使膜的性能永久性下降，并且會對陽極涂層有很大影響，各種雜質對離子膜的影響見表1。

表1 各種雜質對離子膜的影響[1]

2 陰陽液濃度對離子膜的影響

2.1 陰極液濃度對離子膜的影響

陰極液中氫氧化鈉溶液與電流效率的關系存在一個極大值，隨著氫氧化鈉濃度的升高，陰極一側的含水率減少，固定離子濃度增加，電流效率隨之增加，堿中的含鹽量也隨之下降。隨氫氧化鈉的濃度繼續增加，膜中OH-濃度增大，含水率減少，膜收縮，使膜的通道變窄影響鈉離子由陽極室向陰極室的移動，導致膜的電壓降升高，槽電壓也隨之升高，電流效率也也隨之下降[1]。

陽極液濃度的控制主要是調節好純水加入量，生產中出現短時間停止向陰極室內加純水，對離子膜性能的影響還不會太大，如果長時間停止，對離子膜的損傷是不可修復的。

2.2 陽極液濃度對離子膜的影響

淡鹽水濃度降低，膜中的含水率也隨之增高，OH-的反滲速度也增加，電流效率也隨之下降。如果長時間在低的鹽水濃度下運行，不僅出現電解水的現象，而且增加后的水量超過膜輸送液體的能力，使磺酸層的含水量遠遠高于羧酸層，導致膜起泡，更嚴重的使膜分層。淡鹽水濃度的降低使膜中隨鈉離子移動的水量增加，從而導致Cl-向陰極室的移動量增加，使堿中含鹽量升高。鹽水濃度過高時，使NaCl形成結晶，沉積在膜內，在洗槽時容易形成針孔。

2.3 進槽鹽水和燒堿的流量控制

生產中一定控制淡鹽水濃度，調節好進槽鹽水流量和進槽鹽水濃度，鹽水流量和鹽水濃度要互相調節。電解槽在電解過程中產生的熱量，主要還是由電解液帶走，必須保持電解液有充分的流動，帶走電解槽多余的熱量。燒堿流量控制一般都是根據槽型確定的固定量。現在的電解槽中為保護離子膜性能還對鹽水流量和燒堿流量設定連鎖，當流量進槽鹽水流量和燒堿停止時會出現一定時間的延時，如果延時時間到還沒有恢復流量，電解槽自動斷電以保護離子膜。

城鎮化與人類居住方式上的聚集特點、文明歷史進程和人類生產力與經濟生活發展的集聚方式密切相關。在農村城鎮化進程中，從實踐的角度來看，農村的學校教育是城鎮化進程中不可忽視的重要部分，要提升我國的城鎮化質量和水平，就要從農村學校教育入手進行發展和改善，以實現城鄉的協調發展。

3 陽極液加酸量對電解槽的影響

陽極液中的OH-通過離子膜向陽極室反滲，與陽極室中的氯發生一系列副反應。這些反應導致陽極上析氯的消耗，使電流效率下降。

電解槽內加酸過量，離子膜全氟羧酸在有-COONa存在情況下，具有優良的性能，如果羧酸基變成-COOH型，離子膜質子化失去導電性能，Na+不能通過，膜中的H+和OH-反應形成水，在膜上產生水泡，嚴重會使膜分層[1]。如果停止加酸，陽極室中的游離氯和氯酸鹽含量會升高，嚴重時會腐蝕陽極涂層。

電解槽正常生產時一般要求出口淡鹽水pH在3～5。設置電解槽連鎖裝置，當槽電壓高于一定值后，電解槽自動斷電。

4 電解槽溫度對離子膜的影響

電解槽溫度一般控制在85～90℃，在此范圍內隨著溫度的升高將使膜的空隙增大，提高膜的導電度，電解液及膜的電阻都將下降，槽電壓會逐漸降低；如果槽溫偏低，導致電壓升高，電流效率下降，會使離子膜永久性損傷；如果槽溫高于90℃以上，電解液趨向沸騰，水的蒸發量增加，導致汽/水比例增加，使槽電壓升高，加劇膜的惡化，同時也增加電解槽的腐蝕和涂層的鈍化[2]。

溫度上升將使膜發生膨脹，Cl-的活動系數也有所增加，使Cl-向陰極的擴散系數增大，堿中含鹽量也隨之上升。

5 電流密度和電流分布不均對離子膜的影響

電解槽在過低的電流密度下運行，OH-的擴散泄露比率逐漸增加，導致電流效率降低。低的電流密度和低槽溫會使電解液的電導率過低；低的電導率會使膜過載或是發熱，使電流分布不均；離子膜局部的電流密度過大或分布不均勻，會造成膜內部水遷移量增加，使膜內壓升高，造成膜起泡；電流分布不

均，會使陰極液和陽極液的濃度在槽內不均勻，造成膜局部電流過高，影響電流效率和槽電壓；電流密度過低還會使堿液含鹽和氯酸鹽的量增高；電流密度過高超過極限電流密度，會使膜的電流效率降低，電壓上升，會使膜內部受損，影響離子膜壽命。

隨著電流密度的升高，膜電阻及電位隨之升高，電場對氯離子的吸引力也會隨之增強，從而使氯離子向陰極一側的移動增加了困難。

6 電解槽壓差對離子膜性能的影響

電解槽的壓差控制一定要穩定，增加電解槽壓力，電解液中氣體體積縮小，因發生起泡引起電解液電阻下降，電解槽電壓降低，電耗減少[3]。如果出現操作失誤，造成負壓差過小，引起槽電壓升高，膜因震動而損傷，可能會造成大的事故。正壓差將使陽極網永久變形，極距增大，槽電壓升高。

生產中一定要控制好電解槽壓差，特別是出現特殊情況停車，控制好壓力，防止出現負壓差，造成大的安全事故。

7 反向電流對電解槽的影響

電解槽每次緊急斷電后，就會產生反向電流，這是因為停車后在電解槽陽極室充滿活性氯及次氯酸根，在陽極上氯氣被還原成氯離子，同時陰極金屬被氧化形成原電池，陰極為原電池正極，陽極為原電池負極，由此產生反向電流。反向電流產生很容易引起電極涂層脫落，涂層脫落后附著在膜上，堵塞膜通道，造成槽電壓升高。反向電流可以使水分子反向移動，膜內含水量減少，導致膜起泡，反向電流還會使氯化鈉沉積在膜內形成結晶，洗槽時很容易形成針孔[4]。

現在各電解槽公司針對反向電流的腐蝕均在采取措施。如氯工程的電解槽增加了極化電流裝置，并設置連鎖，出現斷電后，極化電流自動投入。目前，極化電流系統已經是大多數氯堿裝置的標準配置。

8 減少開停車次數

電解槽在運行中盡量減少開停車的次數，在電解槽開停車中，容易造成電解槽陰陽極壓差控制不穩定，離子膜容易出現大的波動造成膜出現針孔。電解槽陰陽極液的濃度、溫度、槽內的氣液比例都會發生變化，會造成電流分布不均勻，膜各位置的溫度不一，造成離子膜各部位水的遷移量不均勻，離子膜起泡或形成針孔，對離子膜造成損傷。

9 國產離子膜

國產離子膜采用具有自主知識產權的專利技術，在構造上具有獨特的優勢，主要組成均為全氟磺酸膜層、全氟羧酸膜層和增強網布。國產膜的全氟磺酸樹脂和全氟羧酸樹脂的接觸層為漸變的無明顯界面的穿插滲透結構，全氟磺酸和羧酸在界面處形成分子級別的混合過渡，具有獨特成膜加工工藝，大大提高了兩層之間的結合牢固度，賦予了國產離子優異的抗剝離起泡性能。通過層間結構的優化設計和樹脂匹配，賦予離子膜以突出的鹽水雜質耐受性。

國產離子膜通過在多種槽型，多臺套的工業化安全穩定運行，目前國產離子膜已經工業化安裝運行44個月，并經歷過各種操作環境，且各項指標均能達到如期效果，證明國產離子膜已經完全適合氯堿裝置的運用。

10 結語

目前，國內氯堿裝置正在向膜極距槽發展，很多企業正在把高電密槽向膜極距槽改造。新上項目直接采用膜極距電解槽。在操作方面，膜極距電解槽對鹽水質量、槽壓差、陽極加酸等操作指標要求極高。平穩安全的運行才能發揮出膜極距槽的優勢。

國產離子膜的工業化應用，打破了國外公司壟斷的局面，極大提升了氯堿行業的產業安全性。

［1］程殿斌，陳伯森，史孝奎．離子膜法制堿生產技術．北京：化學工業出版社，2008．

［2］尹聰．減緩離子膜電效下降延長離子膜經濟壽命．2012全國燒堿行業技術年會論文集，2012，（5）：110－112．

［3］嚴秀英．淺談影響離子膜運行的因素以及氯堿工業的幾項新技術．2012年全國燒堿行業技術年會論文集，2012，（5）：121－123．

［4］王學軍，王婧．氯堿膜中的全氟羧酸層及其運行機理研究．2013年全國燒堿行業技術年會論文集，2013，（5）：89－96．

Matters needing attention in operation of ionic membrane electrolyzer

WEI Jian，YU Chang-guo，ZHANG Duo，ZHANG Xiao-feng，WANG Xue-jun
（Technology Center of Shandong Dongyue Polymer materials Co.，Ltd.，Zibo 256401，China）

The effects of operation parameters on the properties of ion exchange membrane were introduced，including the quality of brine，cathode and anode liquid concentration，bath temperature，current density，pressure and reverse current.

impurities；electrolyte；cell temperature；current density；domestic ion-exchange membrane

TQ114.26

B

1009－1785(2015)04-0020-03

2014-05-04