离子膜和电解槽性能的主要影响因素

离子膜和电解槽性能的主要影响因素
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离子膜法烧碱装置的技术改造
沈阳化工股份有限公司(以下简称“沈阳化工”)5万t/a离子膜法烧碱生产装置于1995年3月21日正式开车。

在装置运行过程中，对原设计不完善的地方进行了大量改进，取得了一定的成效。

1.1
增加第3台树脂塔
在装置运行初期，进槽盐水钙离子、镁离子的质量分数之和平均达2.6×10-8，超出了进槽盐水工艺控制指标要求(ω(Ca2++Mg2+)≤2×10-8)，这将会缩短离子膜的使用寿命，使槽电压升高，电流效率下降。

通过认真分析二次精制系统，对盐水跟踪取样分析，决定再上1台螯合树脂塔，保证两塔串联运行，另一塔再生，增大离子交换容量，并适当延长再生酸洗、碱洗时间。

改进后，进槽盐水钙离子、镁离子质量分数之和基本可控制在1.5×10-8以内，其他金属离子及盐水中的悬浮物均大幅度减少。

1.2
改变氯气盐水换热工艺
将氯气盐水换热器改在一次盐水加热器之前，利用氯气的余热，加热一次盐水温度达到57℃，然后根据实际情况控制盐水温度，降低汽耗。

1.3
真空装置系统冷却水由工业水改为纯水
离子膜真空系统冷却器的作用是冷却真空系统的氯水，以保证真空泵正常运行，保证物理脱氯效果。

原冷却水为工业水，硬度大，易结垢，容易堵塞滤网，导致真空泵停泵检修。

将冷却水改为纯水，减少了真空泵的检修次数。

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影响离子膜运行性能的主要因素
2.1
盐水质量对离子膜性能的影响
(1)盐水中金属离子含量的影响。

过量的钙离子在短期内会导致离子膜电流效率下降(降至85%)和电压上升，长时间会造成离子膜过早失效，其破坏机制是生成的碳酸钙晶体沉淀覆盖在阴极侧膜的羧基聚合物表面，离子膜表面产生凹坑和孔洞。

镁离子含量超标时，槽电压上升严重，但不影响电流效率。

其他金属离子对离子膜的影响机制与钙镁离子相同。

这就要求钙离子、镁离子质量分数之和低于2×10-8，锶离子、钡离子均低于10-6，铁离子低于10-6，镍离子低于10-8，锰离子低于5×10-8。

(2)总有机碳(TOC)的影响。

进槽盐水中存在的过量TOC会造成电解电压升高和电流效率下降。

TOC直接覆盖在阳极活性涂层上导致活性消失，同时造成电流分布不平衡而影响离子膜的使用寿命。

(3)阳极液浓度的影响。

日常生产中，阳极液：中氯化钠质量浓度必须保持在200-220g/L
之间。

如果阳极液NaCl的浓度太低，水和钠离子结合太多，水的电解将增强。

阴极室OH-反渗透，导致电流效率下降；且阳极液中的氯离子扩散到阴极室，导致碱中含盐增多。

更严重的是，在低NaCl质量浓度情况(低于50g/L)下运行，离子交换膜会严重起泡、分离，直到永久性损坏。

如果淡盐水中氯化钠质量浓度大于230g/L，离子膜电阻也增大，水迁移能力下降，特别在高电流低温度情况下，离子膜交换能力容易过载，使槽电压上升。

(4)阴极液NaOH浓度的影响。

当阴极液NaOH的浓度上升时，离子膜的含水率降低，离子膜内固定的离子浓度随之上升，离子膜的交换容量变大，电流效率上升。

但随着NaOH浓度的继续升高，由于OH-的反渗透作用，离子膜中的OH-浓度也增大。

当NaOH的质量分数超过35%时，离子膜中的OH-浓度起决定性作用。

NaOH的质量分数每上升1%，槽电压就会上升0.014 V，如果OH-反渗透到阳极侧，会与阳极液中溶解的氯发生副反应，导致电流效率明显下降，同时使氯中含氧量升高。

生产中常采用在阳极室内加盐酸调整pH值的方法提高阳极电流效率，降低阳极液中的氯酸盐和氯中含氧量。

(5)阴极液循环量减少的影响。

阴极液循环量的减少，容易使阴极液中的氢氧化钠浓度上升，当氢氧化钠质量分数在45%-50%时，将导致电压上升，并破坏离子膜。

2.2
气体压力变化对离子膜性能的影响
阳极室的氯气和阴极室的氢气之间压差变化不能太大，以免离子膜不能贴在阳极侧。

随着气体压差的大波动，离子膜来回震动，与单元槽反复摩擦，离子膜因受到机械磨损，局部出现撕裂或强度降低。

因此要把阴极室、阳极室的压差控制在一定范围，让阴极室的压力大于阳极室的压力，使离子膜压紧在阳极上。

电解槽气体压差正压过大，将使阳极永久变形，极距增大，电压上升，离子膜损坏。

电解槽出现负压时，不仅槽电压上升，而且使贴向阳极的离子膜反贴向阴极，阴极表面的镍和其他沉积物就会污染膜。

为了避免膜和电解槽因阴阳极的气体压差波动大而受损，可设置连锁保护。

2.3
温度对离子膜性能的影响
电流密度一定，在操作范围内适当提高温度，会使阴极侧离子膜的空隙增大，从而提高钠离子的迁移率，即提高电流效率，有助于槽电压降低。

一般要求温度不低于65℃，槽温上升10℃，槽电压可降低50～100mV。

但槽温不能太高，如果高于92℃，会产生大量水蒸气而使槽电压升高。

当电流密度下降时，为了取得最高电梳效率，槽温必须相应降低，但不能太低。

温度过低，离子膜内的-COO-与Na+结合，生成-COONa+，使离子交换容量下降。

同时，阴极侧的膜因得不到水和钠离子而脱水，其结构发生不可逆的改变，对OH-反渗透的阻力减弱，从而造成电流效率下降，以后即使提高温度，离子膜的性能也难以恢复。

因此在生产中根据电流密度，槽温控制在70-90℃。

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影响电解槽运行性能的主要因素
3.1
电流分布对电解槽性能的影响
离子膜单元电解槽设计存在缺陷或者是电解槽阴阳极活性面不光滑，均会造成电流分布不均。

而电流分布影响电流效率、槽电压和离子膜的寿命。

电流分布不均匀时，不但会造成阳极液NaCl和NaOH浓度不均，还会使膜局部过电流或单元槽尖端放电，不同程度损坏离子膜，尤其在高电流密度情况下，发生这种情况的可能性更大。

3.2
电极涂层对电解槽性能的影响
电极涂层受损会使槽电压升高，通常表现在电极涂层表面污染或由于长期电解作用而自然损失。

涂层表面污染主要原因是钡盐和二氧化锰沉积在电极表面导致活性下降，槽电压上
升。

短路和突然断电产生的反向电流导致活性成分腐蚀或氧化。

电解槽断电停车后，如果极化电送的不及时，电解槽的阴阳极将形成原电池，并在两槽间形成与正常电流相反的电流。

而反方向的电流将直接影响涂层的寿命，使活性电极失去活性，降低电解槽寿命。

并且将会使阴极液、阳极液中的电解质相互扩散和水反方向迁移扩散，导致离子膜起泡。

3.3
装置开车、停车频繁对电解槽性能的影响
装置开车、停车频繁，不但对离子膜损害较大，而且由于电流的频繁冲击，极大地损害了阴极、阳极的活性；在没有启动极化装置的情况下，尤为严重。

在动力电失电的情况下，无法转换淡盐水，电解槽上部空间有一定浓度的氯气，因不能及时置换淡盐水，在阳极上的氯原子还原成氯离子，氯离子渗透到阳极侧，碱中含盐量升高。

同时阴极上发生金属氧化而形成电池，阴极腐蚀，离子膜阴极侧污染，膜电阻增大，电压上升，对电压影响是不可逆的。

2007年ZMBCH-2.7型复极式离子膜电解槽实际运行工艺参数见表1。

表1
2007
4
结
语
从以上论述可知，影响离子膜和电解槽运行性能的因素很多。

表1可以看出盐水质量、电流、电压、槽温等变化不大的情况下，槽电压是波动上升的。

这就要求技术人员了解电解槽结构、原理，熟悉工艺流程和工艺条件。

减少无计划开车、停车，保持生产平稳有序，以减少对离子膜和活性电极的损害，最大限度地发挥装置设计能力，降低能源消耗和生产成本，提高经济效益。