離子膜電解槽電壓升高因素的探討

黃堯生

（廣西柳化氯堿有限公司，廣西 柳州 545600）

離子膜電解槽在生產中會經常發生電壓升高的現象，廣西柳化氯堿有限公司離子膜燒堿采用4臺設計能力為10萬t/a的ZMBCH2.7型電解槽及2臺設計能力為5萬t/a日本旭化成NCZ型零極距離子膜電解槽，通過對這幾臺電解槽的研究，進行槽電壓升高因素分析。

1 槽電壓構成

離子膜電解槽的電壓組成部分較為復雜，具體由膜電壓、理論分解電壓、陽極過（陰極過）電壓、金屬導體電壓及溶液電壓組成。對槽電壓起到決定作用的因素主要是電流及電流密度，堿液濃度，氣相壓力及氯氫壓差，鹽水的質量、濃度、pH值，電槽溫度等都是屬于其工藝控制范疇。

2 槽電壓升高的影響因素

2.1 鹽水中的雜質

Ca2+、Mg2+、Fe3+、TOC、ClO-3、SO2-4、Sr2+、Al3+、Ni3+、I-、Ba2+、SiO2和 SS等都屬于鹽水中的含有雜質，對槽電壓來說，不同雜質的影響各不相同。如離子膜衡酸表層上的氫氧化物及各種形式的沉淀物對槽電壓的影響就十分明顯，而對電解電流效率及槽電壓有同樣影響作用的雜質停留在羧酸表層，不會產生這么明顯的效果。

Fe3+、Ni3+等都是對槽電壓影響較大，對離子膜產生影響極大的為Ca2+、Mg2+，鈣離子可以用氫氧化鈣的形式在陰極側膜的羧基聚合物表面進行沉淀，膜表面此時便會產生孔洞和凹坑。以氫氧化鎂形式在離子膜陽極側進行沉淀鎂離子，會使槽電壓快速升高，所以應當將鹽水中的Mg2+進行含量控制，工藝要求明確規定，Ca2++Mg2+在槽鹽水中不得超過0.020×10-6。也有相關文獻記載，鹽水中的Fe3+質量超過 0.05×10-6，Ni3+超過 0.01×10-6時，槽電壓會出現明顯的升高現象，當鹽水中的Al3+大于0.1×10-6，Si4+超過10×10-6時，所產生的沉淀物槽電壓也有明顯升高的趨勢。

槽電壓的離子膜電壓水平一旦因鹽水質量問題造成電壓升高，就難以在異常消除后再恢復到之前水平，所以一定要在生產管理上加強戒備，提高對鹽水質量的保障作用。

2.2 電解槽壓差

對電槽壓差進行適當保持對降低電壓有很多好處。因為一般陽極液的氣液比比陰極液大，所以鹽水電阻通常要比燒堿電阻高，3.5～4.5 kPa為生產中嚴格控制電槽壓差，讓離子膜向陽極一側下壓，從而使獲得的槽電壓值較低。手冊中記載的陽極液與陰極液的電阻率分別為 1.90 Ω·cm 和 0.83 Ω·cm。由于壓差不足，或者負壓差現象的產生都會造成槽電壓的明顯升高，如果負壓差過大，還會導致離子膜產生撕裂現象。

2.3 氯氣、氫氣的壓力變化

在電解時，氯氣為電槽陽極區產物，氫氣為陰極區產物，產生對槽電壓影響作用的是氣泡。目前，一種方法是在離子膜的磺酸層和羧酸層進行無機惰性涂料的表層涂抹，或者用機械打磨的辦法，讓離子膜的表面變得更加粗化，這種親水性處理方法可以讓氫氣和氯氣所產生的氣泡避免過多的黏連在膜上，這樣便消除了氣泡所帶來的影響；另一種方法可以在工藝控制中，對較高的氫氣及氯氣進行有效控制，讓其縮小氣泡體積，以此來降低槽電壓。通過觀察發現，氣相壓力每增加5 kPa，便可觀察到不超過0.010 V的槽電壓下降。

2.4 電槽溫度

電槽溫度對槽電壓的影響是十分明顯的，90℃以下時，溫度每次得到升高，都會讓離子膜的膜孔變大，也會加大其導電性。槽電壓下降時，溫度一般每上升1℃，槽電壓就會降低約0.010V；一般在90℃以上溫度的情況下，因為有大量的水蒸發量存在導致電解液氣液比得到升高，也就提升了槽電壓值。

75～90℃為旭硝子膜比較適合的電槽溫度，86～90℃是杜邦膜的適宜溫度，在電流密度及電流不同的情況下，想要實現槽電壓的較低狀態，必須經過一定操作溫度的深入確定才可以得到最佳值。在實際生活及生產中，通常都需要與電槽壓力的影響規律相互結合，于電流較低時進行電槽溫度的控制，最好在85～86℃，若是高電流下，最好控制在87℃上下，這時的槽電壓控制效果是最好的狀態。

2.5 淡鹽水pH值

進槽鹽水加酸可以中和陰極側遷移到陽極的OH-，減少電解副反應，從而起到降低氯氣中含氧量，使電解效率得到保證。通過加速試驗得到結論，當淡鹽水pH值＞2的時候，加酸量是漸漸提升的，這時的槽電壓會出現輕微升高的現象，進一步加酸到pH值＜2的時，離子膜會因為過量的酸而導致酸化，羧酸層也會因此而產生收縮氧化，這時的磺酸層和羧酸層之間是剝離關系，槽電壓出現急速上升，7天時間就上升了30%。

排除用戶對氯氣純度需求的基礎前提，讓電槽加酸量保持到較低狀態，這樣不但可以減少鹽酸的消耗，還能保持槽電壓的較低值。但需要說明的是，這個時候一定要對陽極出口鹽水加強分析，在停車檢修的時候必須要對電槽的陽極涂層進行仔細的檢查，因為有時加酸不夠也會造成電極的腐蝕現象，一定要避免這種情況的發生。

2.6 鹽水濃度和燒堿濃度

燒堿及鹽水濃度可以對離子膜產生影響，主要是離子膜內的含水量會因鹽水及燒堿濃度的變化而變化，從而產生對槽電壓的影響。

200～220 g/L是淡鹽水中所需控制的NaCl質量濃度范圍，如果偏高的話，離子膜會發生收縮，離子膜因為含水量降低而導致槽電壓升高，如果偏低（＜170 g/L），水會橫穿磺酸層轉移到離子膜內，從而產生水泡，水泡的產生時間過久就會對離子膜帶來不良影響，造成其破損。進槽鹽水通常不宜過高或過低，如果情況不佳，可以采用鹽水流量調整的應急措施，讓電槽生產達到維持穩定的狀態。

一般情況下，1%的燒堿質量變化會對槽電壓產生0.014～0.030 V的影響，燒堿的濃度如果過高，會損失其經濟性，離子膜還會因此而收縮，帶來槽電壓的升高現象。離子膜會因為時間的推移而發生劣化，一定要及時對陰極液進行補水調整，從而在燒堿質量得到保證的同時，將槽電壓穩定下來。

3 總結

通過對該公司槽電壓的研究與分析得出具體結論如下。

（1）對離子膜生產來說，其重點控制內容之一是槽電壓，該公司通過對離子膜電槽開車的長期探索，通過經驗的累積，電槽管理水平得到了明顯提高。目前該公司的電槽單元電壓基本保持在較低水平，情況比較穩定，電流密度為4 kA/m2，單元電壓低于2.96 V。

（2）加強管理是解決槽電壓升高的根本途徑，為減少生產的波動以及對工藝控制進行優化，應當對電槽壓力及溫度的各項指標都進行嚴格控制。

（3）對槽電壓的影響因素中，鹽水的質量問題作用很大，一定要做好原鹽方面的控制，對于分析檢測、樹脂塔監控等一次鹽水生產方面的環節，也應當做好定期檢查工作，將樹脂補充完善。

（4）對于槽電壓的異常情況，在處理上應采取停車膜試漏檢查、槽電壓生產中監控、人工定期手測普查及儀表實時測量監控相結合的辦法，效果較好。