离子膜电解槽的腐蚀形式及防止方法

离子膜电解槽的腐蚀形式及防止方法
摘要：本文简单介绍了离子膜电解槽的电解反应原理和离子膜电解槽的类型，分析了离子膜电解槽形成几种腐蚀形式的原因及防止方法。

关键词：离子膜电解槽腐蚀形式防止方法
一、离子膜电解槽电解反应的基本原理
离子膜电解槽电解反应的基本原理是将电能转换为化学能，将盐水电解，生成NaOH、Cl2、H2，如图1所示，在离子膜电解槽阳极室（图示左侧），盐水在离子膜电解槽中电离成Na+和Cl-，其中Na+在电荷作用下，通过具有选择性的阳离子膜迁移到阴极室（图示右侧），留下的Cl-在阳极电解作用下生成氯气。

阴极室内的H2O电离成为H+和OH-，其中OH-被具有选择性的阳离子挡在阴极室与从阳极室过来的Na+结合成为产物NaOH，H+在阴极电解作用下生成氢气[1]。

图1 离子膜电解槽电解反应的基本原理示意图
二、离子膜电解槽的类型
离子膜电解槽按照单元槽的结构形式不同，分为单极式离子膜电解槽和复极式离子膜电解槽。

单极式离子膜电解槽是指一个单元槽上只有一种电极，即单元槽是阳极单元槽或阴极单元槽，不存在一个单元槽上既有阳极又有阴极的情况。

复极式离子膜电解槽是指在一个单元槽上，既有阳极又有阴极（每台离子膜电解槽的最端头的端单元槽除外），是阴阳极一体的单元槽[2]。

三、离子膜电解槽通常的腐蚀形式及防止方法
离子膜电解装置（主要指单元槽，阴、阳极液进、出口总管等）通常存在三种腐蚀，即：化学腐蚀、间隙腐蚀、泄漏电流腐蚀[3]。

1.离子膜电解槽化学腐蚀产生原因及防止方法
化学腐蚀主要是阴阳极系统不同的化学介质对材料的腐蚀。

在阴极系统中，主要是90℃的32%（质量分数）NaOH对材料的腐蚀，在阴极系统，各公司选用的材料大致有三种：镍（Ni）、不锈钢（SUS310S或00Cr25Ni20）和非金属材料（CPVC、PVC+FRP、PEFE、PFA等），但在既要耐NaOH腐蚀又要导电的部位（如阴极盘、阴极筋板、阴极网等），最好还是使用镍（Ni）材料，因为Ni 既有良好的耐碱腐蚀性，又是电阻较低的材料。

在输送NaOH液体的部位，可采用SUS310S、非金属材料或钢衬里材料（如总管、包括阴极液进出口总管）。

在阳极系统中，世界各公司都无一例外地选用了耐腐蚀性能最好的金属材料—钛（Ti），当然在阳极液输送管等部位也有选用CPVC+FRP增强树脂等非金属
材料。

在离子膜电解装置中，Ti材料在通常使用情况下，其电位接近钝化区，通过溶液中的Cl2溶解后生成的次氯酸或次氯酸例子的氧化作用，来维持钝态。

Cl2+H2O→HCl+HClO
HClO+OH-→ClO-+H2O
因此，离子膜电解装置的阳极系统中，钛（Ti）材料表面有流动的含Cl2电解质溶液部位，有很高的耐腐蚀性，几乎是不腐蚀的。

2.离子膜电解槽间隙腐蚀产生原因及防止方法
2.1 间隙腐蚀产生的原因
在离子膜电解装置阳极系统的密封面部位，极易发生间隙腐蚀，其原因为：在单元槽阳极密封面部位，垫片与钛金属表面之间有时会形成很小间隙，电解质溶液进入间隙中，此间隙中溶液是不能流动的，因此，通过Cl2溶解生成氧化剂的量受到限制。

其反应过程：
Ti→Ti4++4e-
Ti4++4H2O→TiO2·H2O+4H+
锐态矿型水合氧化钛不能作为钝态膜，同时所产生的氢离子在原电池中还被还原为氢原子，消耗氧化剂，并在钛金属中溶解发生氢脆。

这样的腐蚀一旦产生便会急剧地进行，这样的腐蚀就是我们常说的间隙腐蚀。

顾名思义，缝隙腐蚀产生的部位，是在能存留电解质溶液又不能流动的太表面缝隙中，比如离子膜单元槽阳极密封面、阳极侧进出口总管的法兰密封面、所有阳极液进出口接管的钛法兰密封面等处[4]。

2.2 间隙腐蚀的防止方法
防止间隙腐蚀的对策：在离子膜电解装置中，目前常用的方法有三种，随着材料技术的新发展，今后还会有新的方法出现。

方法一：在钛密封面处涂微量贵金属并进行烧结的技术能有效防止间隙腐蚀。

目前常采用的贵金属为钌（Ru），将RuCl3盐酸水溶液涂覆在打磨、清洗干净的钛表面，在空气中和高温烧烤条件下（钛加温到暗红色），使RuCl3转化成金红石结构的RuO2，同时钛表面也形成金红石结构的氧化钛，通过调节加热温度和时间使钛密封面表面形成适当厚度的金红石型氧化保护膜，致密坚固，无电离子传导性，有很好的防止间隙腐蚀的作用。

这种处理方法的优点是价格低，不足之处是在加热时大型结构件会发生变形，同时在长期使用中，钛表面的保护膜一旦被划伤碰破，很快就会产生间隙腐蚀。

方法二：在钛结构的密封面处采用含有贵金属元素的钛合金材料，目前常用的有钛钯合金材料和钛钼镍合金材料。

采用这一材料结构的机理，就是在钛材中添加贵金属钯（Pd），与钛金属元素形成局部钝态电流电池，使钛（Ti）阳极极化达到钝态电位，从而不产生电化学腐蚀（间隙腐蚀）。

采用这种方法的优点是加工、组装方便，不用对工件表面进行加热，因而也就不会有受热变形问题，更主要的是这种结构不怕吊装、运输，特别是更换密封垫的划伤，能稳定地保持防间隙腐蚀的性能。

它的不足之处是相应的材料费用要贵一些，制造成本高一些。

方法三：采用耐腐蚀性好的材料，这就要求选择适合氯碱介质的非金属材料，同时要在结构方面解决好导电问题，目前尚存在一定的难度。

3.离子膜电解槽泄漏电流产生原因及防止方法
3.1泄漏电流产生原因
离子膜电解槽有槽内短路杂散电流和槽外对地两种泄漏电流，零电位在最中间一个单元槽时，无对地泄漏电流，零电位偏移时才有。

对于离子膜电解槽来说，由于每个单元槽在电解的过程中，均有一个相对的槽电压，所以，单元槽对于零电位有一定的电动势，在这种电动势的作用下，若有金属导体或具有导电离子的电解液，就会发生电流自高电动势的部位流向低电动势的部位，从而形成泄漏电流。

离子膜电解槽的总管是接地的，处于零电位，单元槽虽然和总管之间不存在金属导电连接，但通过进出口软管中的阴阳极电解液，可以形成泄漏电流[5]。

3.2 泄漏电流防止方法
3.2.1 复极式离子膜电解槽防止方法
复极式离子膜电解槽在防止泄漏电流腐蚀方面采取以下几种方法：
3.2.1.1整台电解装置的单元槽有良好的绝缘；
3.2.1.2在单台离子膜电解槽的氧化区（即高电位区）采用外加牺牲电极；
3.2.1.3在电解液总管内增加牺牲电极；
3.2.1.4整台离子膜电解槽的总管具有良好的接地装置；
3.2.1.5有效控制零电位的漂移。

3.2.2 单极式离子膜电解槽防止方法
单极式离子膜电解槽在防止泄漏电流腐蚀方面采取以下几种方法：
3.2.2.1整台电解装置的阴阳极单元槽有良好的绝缘；
3.2.2.2在单台离子膜电解槽中，不同组的单元槽外加不同的牺牲电极；
3.2.2.3整台离子膜电解槽的循环系统管路上外加牺牲电极；
3.2.2.4每台离子膜电解槽均安装有碱液滴流器（断电器）；
3.2.2.5有效控制零电位的漂移。

四、结论
离子膜电解制烧碱是目前国内外最先进的生产烧碱的方法，为了确保离子膜电解槽的安全、稳定运行，必须深入了解离子膜电解槽产生各种腐蚀的原因及防止方法，才能够有效地避免离子膜电解槽发生化学腐蚀、间隙腐蚀或泄漏电流等影响正常生产的情况。

参考文献
[1] 聂巨亮. 离子膜电解工艺[J]. 河北化工，2010，33（6）：53-54.
[2] 朱海峰，侯利杰，梅冬. 离子膜烧碱生产的防腐技术[J]. 中国氯碱，2005，（8）：33-34.。