不同因素对离子膜电解槽电压的影响

刘存玉

（淄博职业学院制药与生物工程系，山东 淄博 255314）

离子膜电解槽的槽电压是反映电解装置运行状况好坏的主要指标之一，直接影响电解产品的生产成本。影响槽电压的因素很多，主要涉及离子膜、电解液及其杂质、阴阳极等，下面分别对这些因素加以概要分析。

1 离子膜

1.1 离子膜的内在阻力

电解槽运行中的电压降主要来源于电解反应，而来自于膜本身的电压降（结构电压）约占电解槽总电压降的十分之一甚至更多。大多数氯碱离子膜是由组成和性能不同的2层膜压制而成的，其中较薄的一层含有高密度的离子交换基团，对Na+有高度的选择性而排斥OH-；较厚的一层主要起机械加固作用，但膜的大部分电压降发生在该层。膜的一面或两面都有涂层，以利于电解中气体的释放，同时有利于降低结构电压。结构电压的高低与离子膜类型、厚度、使用场合、制作材料和涂层有关。较厚的膜结构电压较高，同样的膜用于KCl电解往往比用于NaCl电解的结构电压高，当涂层受到破坏时也会使结构电压升高。

1.2 膜表面和膜中杂质的沉积

阳极液（盐水）和阴极液（碱液）中的杂质能够沉积在离子膜表面和内部，堵塞离子交换通道，增加电解阻力，可使槽电压升高，影响程度取决于杂质类型和沉积位置。

1.2.1 来自于阳极液的杂质

盐水中常见杂质有钙、镁和镍，较为少见的是铝、硅、钡等。杂质的溶解性往往决定其沉积位置：溶解性较低的杂质的沉积位置更靠近离子膜的阳极侧面，而溶解度较大的杂质则可迁移到膜的阴极侧面。

（1）钙。Ca2+的可溶性相对较大，能够进入膜内较深的位置，趋于在阴极液侧的膜表面内沉积，破坏膜表面的连续性，降低了膜对阴离子的排斥能力，增加电解的电压降。

（2）镁。Mg2+趋于在膜阳极液侧面沉积。如果盐水Mg2+含量超标，使镁在膜上的沉积量达到或超过0.01 g/dm3，就可使槽电压升高 0.1～0.2 V。

（3）镍。Ni的沉积引起的槽电压上升最严重。当膜中镍含量为0.001～0.002 g/dm3时，可使槽电压升高0.1 V，含量在0.005 g/dm3时，槽电压升高值甚至能达到0.3 V。工业上一般要求电解盐水中镍含量不高于1×10-5g/dm3，但即便是低到这个程度，其在膜中的逐渐沉积也会缓慢引起槽电压的升高。

（4）铝和硅。Al含量低于 1×10-4g/dm3，SiO2含量低于0.01 g/dm3时不会引起槽电压升高，但更高的含量可能使电压升高0.05～0.1 V。

（5）钡。Ba通常是以高碘酸钡的形式沉积的，存在2种沉积状态：其一是以细小颗粒分散沉积在靠近膜的阳极面内侧；其二是以一条浓缩沉积带形式在接近膜的阴极表面沉积。前者能使电压升高0.05 V左右，后者一般仅影响电流效率。

（6）总有机碳。盐水中总有机碳（TOC）含量应控制在0.01 g/dm3以下，含量过高可能对膜造成伤害，如果某种有机物含量达到使盐水出现泡沫的程度，就会引起离子膜的部分脱水甚至机械损伤 （如鼓泡），使膜电阻增大。

1.2.2 来自于阴极液的杂质

铁、镍和硅是阴极碱液中的常见杂质。

Fe一般来源于钢制阴极液循环管路或钢制阴极板，而Ni常常由镍阴极的腐蚀所产生。杂质Si通常以氧化硅的形式存在，一般来自配碱用水。

在电解停车期间，Fe和Ni的离子很有可能在膜内产生离子交换，结果使得重新开车后的槽电压出现升高，升高值和膜所吸收的这些离子的数量有关。Si伴随电解过程的进行进入离子膜，若还有Al存在，则会加重其在膜的沉积，可使槽电压升高0.05～0.1 V。若阴极液中存在具有表面活性作用的有机物，则可能使阴极液产生泡沫，也会损伤离子膜。此类有机化合物的来源可能是某些塑料材质的过滤器、树脂涂层的浸出物，甚至配制用水中的细菌或霉菌。

1.3 离子膜的机械损伤

（1）鼓泡。在一定碱液浓度下温度过高或盐水浓度过低时，可造成离子膜2层局部分离而出现 “水泡”。在正常操作状态，直径0.001～0.002 m的水泡不会引起电压上升，大的水泡可使电压升高达0.05 V；

（2）针孔。针孔一般是指直径0.001 m以内的贯穿离子膜的小孔，鼓泡也是产生针孔的主要原因。若出现针孔的范围不大，则对电压无明显影响；

（3）离子膜脱水。为了使离子交换能够进行，离子膜中保持有一定的水分。如过高的碱浓度、过高的盐浓度和过低的温度，能够使膜的含水量降低到在膜的内部出现盐结晶的程度，这就是膜的脱水。膜的脱水对膜造成永久性破坏，使电解阻力增大，并引起电流效率下降；

（4）离子膜肿胀。当碱液浓度降低时，膜会吸收水分产生膨胀。在正常的浓度范围内，这一膨胀过程是可逆的，不会对离子膜造成明显损害。但是，如果碱液浓度过低，尤其当温度也过高时，离子膜会发生过度膨胀，即“肿胀”。“肿胀”是不可逆的，能够对膜造成永久性损害，进而增加电解通过膜的电压降。

1.4 离子交换基团损失

当阳极液pH太低时，离子膜中的离子交换基团会被质子化（即Na+被H+置换），某些金属阳离子杂质也会对膜造成类似的破坏引起一定程度的电压上升。

2 电解液

阳极液（盐水）和阴极液（碱液）在电解槽内的液层厚度、温度和浓度对槽电压均有影响，见表1。

表1 阳极液和阴极液对槽电压的影响

阳极液和阴极液中的杂质可通过在离子膜表面或内部的沉积（如前所述），或在电极上的沉积等使槽电压升高。

3 阳极

制作离子膜电解槽阳极的基底材料是钛，在表面涂有某种活性金属氧化物。某些有机物或金属（钡、铁等），以及盐水中的杂质都能在阳极上沉积，可使阳极上的活性点失效；盐水中氢氧化物含量高也会将涂层溶解掉，这些都会使阳极过电压升高。其中，氢氧化物浓度高可由以下原因导致：膜有针孔、压差过大、电槽不紧等。阳极的钛基质可因机械损伤或腐蚀发生钝化，从而也会引起阳极过电压上升。

4 阴极

离子膜电解槽阴极制作材料可以是碳钢 （适用于浓度＜25%NaOH的生产）、不锈钢、镍或活化镍。

在电流密度为3 kA/m2时，活化镍阴极的设计过氢电压比普通镍阴极低0.2 V左右。汞和铅等重金属可使阴极中毒，由此可导致其过电压升高。其他因素如杂质铁等在阴极表面的沉积、脏污、反向电流造成的阴极失活，都能使其过电压升高。

5 电接触点

当电解槽的电接触点 （电极连接件和槽内接点等）因氧化、腐蚀、脏污等出现接触不良时，会增大触点电阻，引起槽电压升高。

6 结语

尽管影响离子膜电解槽电压的因素很多，但其中大部分是可控或可避免的。这就要求严格按规定进行操作和维护，对运行中出现的异常状况及时发现、及时处理，从而最大限度地减少甚至消除槽电压的升高及其对生产的不良影响，延长膜和电解槽的正常使用寿命。