离子膜电解槽电压升高原因剖析

刘存玉

（淄博职业学院，山东 淄博 255013）

离子膜电解槽电压升高原因剖析

刘存玉

（淄博职业学院，山东 淄博 255013）

结合出现电压升高故障的离子膜电解槽实例，对影响离子膜电解槽槽电压升高的因素进行了分析并提出了预防措施。

离子膜；电解槽；电压升高；原因

1 电解槽故障及检验

在离子膜电解生产装置中，槽电压是反映电解装置运行状况的一个主要指标，槽电压的高低直接影响到单位产品的电耗。下面通过1台电解槽电压升高的情况，分析其原因和操作中的注意事项。

该装置是由英国原帝国化学公司引进的FM21-SP型单极电解槽组成的，其正常运行时的单槽电压为3.2~3.3 V。在装置投入运行约半年后，发现其中1台电解槽的槽电压开始出现偏高现象，并且在几个月时间内就比运行初期升高约0.3 V，明显超出正常允许范围。

拆解该台电解槽后，发现其阳极垫片存在严重损坏情况，有不少阳极垫片和3对阴极垫片可能已无法使用。在有些离子膜上也发现漏点。

对离子膜进行外观检查、电子显微镜扫描分析、小型电解槽试验、杂质定性定量分析；对垫片进行外观检查。

2 检验结果

（1）对离子膜的外观检查发现，其大部分区域有明显锈迹，并且有1条从痕迹上看比较清晰的 “干湿”分界线出现在膜上部约三分之一位置。在离子膜处于盐水进料口位置的上部区域，存在数条很明显的褶皱，有的皱褶边缘上分布着大小不一的气泡。而在离子膜与阴极液接触的侧面上，有大量鼓泡出现，鼓泡呈局部带状分布，带宽约为0.04 m，位于离子膜下边缘以上高约0.14 m处（恰好与上述分界线位置相符）。

另从该片膜的不同位置，有代表性地选取5片小样，用电子显微扫描法分别进行检查，发现存在以下情况。

a.在5片小样中有4片有脱水现象，且在盐水进口附近位置离子膜脱水最严重。有的膜不但有鼓泡，甚至还有脱层现象。

b.通过电子显微镜扫描法对离子膜表面杂质进行半定量分析，表明在其中1片膜样的与阳极液接触侧面处于盐水进口区的上部位置存在钛污染。另有1片小样同一侧面上也发现有少量钛。扫描发现，在膜的同一侧面未检测到其他污染物。

定量分析离子膜的杂质含量。首先，将受损离子膜取样，用适当溶剂溶解后，测定其中总杂质（包括附着在膜表面的杂质和渗入膜内部的杂质）含量，再折算为单位面积的杂质含量。分析结果见表1。由于在约7个月之前曾更换过出现漏点的离子膜，并对其做过此种分析，故也将其分析结果（对比膜）列于表中。

表1 膜中杂质定量分析结果 mg/m3

分析结果表明，与对比膜相比，受损离子膜中各杂质含量几乎都增加了，并且有些杂质增加量还十分明显，远超预期值。特别是钛含量大幅增加，说明膜曾经在持续偏高的压力差下运行。而其他杂质含量增加，特别是钙、镁、铁、镍和硅等，也都会对槽电压和电流效率产生不利影响。

再从受损离子膜不同部位有代表性地取数片膜作为样本，装于试验电解槽中，在标准操作条件下，通电运行该电解槽，考察槽电压和电流效率指标，并与同型号离子膜的相应标准数据作对比。运行试验结果见表2。

表2 试验电解槽运行结果

试验结果显示，样1和样2、样3的膜样相比，槽电压显著升高，电流效率明显降低。而样1取自离子膜在盐水进口处部分，实际上，膜恰好在此区域脱水严重。而在膜的与阳极液接触的一面存在严重镍污染，也是使槽电压升高的主要原因之一。

（2）分别对该电解槽损坏的阳极垫片和阴极垫片进行外观检查，发现阳极垫片存在严重腐蚀的区域处于盐水平衡口位置，腐蚀方式符合典型的次氯酸侵蚀特征。垫片在其他位置也有轻微腐蚀现象，但尚在正常范围之内。阳极垫片的聚四氟乙烯材质的防护材料未见明显损伤，情况正常。对阴极垫片进行检查，发现其情况类似于阳极垫片的检查结果。在阴极垫片处于盐水平衡口位置区域，也存在一定程度的符合次氯酸盐侵蚀特征的腐蚀现象，阴极垫片的其余部分腐蚀情况也没有超出正常允许范围。

另检查阳极垫片和阴极垫片的机械性能指标均未超标。

3 讨论

现将发现的问题对槽电压的影响、可能的产生原因及纠正措施进一步作如下分析。

3.1 离子膜的机械损伤

离子膜的机械损伤包括鼓泡、脱水、针眼等情形，而鼓泡又是出现针眼的重要原因。严重的鼓泡能使槽电压升高达50 mV，小范围针眼则对槽电压影响不大。膜的脱水会使电解阻力增大，进而使槽电压升高。

本故障电解槽中的离子膜出现明显的脱水层、鼓泡现象，并在离子膜表面出现“干湿”分界线。这说明电解槽在运行时的盐水强度偏低，并且也曾存在持续性液位偏低的开车状态。所以，必须严格按照规定的操作要求，对每台电解槽的盐水强度进行监测，保证其处于正常范围之内。盐水进料管路阻塞，是造成电解槽以持续性偏低的液位运行的主要原因，这对离子膜和电解槽本身危害甚大，必须加以避免。

3.2 电解槽操作压力差

本故障电解槽中离子膜的钛杂质含量超高，原因是电解槽曾经在连续高差压下运行。运行压力差过高，对膜和电极都造成伤害，从而引起槽电压升高。所以，除了要保证电解装置压力控制系统运转良好以外，还应当密切监测氯气和氢气的压力，以防止差压过高，特别是持续的差压过高现象的出现。

3.3 离子膜受杂质污染程度

故障电解槽的离子膜中的污染杂质总含量在较短时间内会出现异常增加，其中除了由高差压引起钛含量超标外，还说明进料盐水质量不稳定，盐水中的杂质含量过高。各种杂质沉积在离子膜表面，或渗透到离子膜内部，阻碍电解过程中离子的正常迁移，使槽电压升高。高质量的进料盐水是保证电解装置平稳、高效运行的重要因素。

3.4 阴阳极垫片的损坏状况

故障电解槽垫片出现腐蚀损害，可归结于电解槽因紧固程度不够所造成泄漏物料之间发生反应产生的次氯酸盐。尽管垫片本身的损伤对槽电压没有多大直接影响，但由垫片损坏而造成的离子膜和电极的损害则有可能使槽电压严重升高。所以，必须保证电解槽密封良好，防止泄漏的发生。

影响离子膜电解槽电压升高，不仅仅限于上述因素。其他如离子膜类型、电解槽结构以及温度压力等操作条件等都会对槽电压产生影响。对各项工艺操作规程的严格执行，是将槽电压控制在最佳范围之内的基本保证，能延长离子膜和电解槽的使用寿命，降低生产成本，使离子膜电解技术的优越性得到充分发挥的基本措施。

Anatomy of reasons for cell voltage increase of chloro-alkali ion membrane electrolyser

LIU Cun-yu
（Zibo Vocational Institute,Zibo 255013,China）

With an ion membrane eleltrolyser having abnormal cell voltage increase during operation as an example,a number of reasons for cell voltage increase were analyzed,and preventive measures that should be take were put forward.

ion membrane;electrolyser;cell voltage increase;reason

TQ114.26+2

B

1009－1785(2011)12-0018-02

2011-08-18