离子膜电解槽运行注意事项

隗 健，于昌国，张 铎，张小峰，王学军

（1.山东东岳高分子材料有限公司技术中心，山东淄博256401）

离子膜电解槽运行注意事项

隗 健，于昌国，张 铎，张小峰，王学军

（1.山东东岳高分子材料有限公司技术中心，山东淄博256401）

总结了电解槽运行中盐水质量、阴阳极液浓度、槽温、电流密度、压差、反向电流等各项操作指标对离子膜性能的影响。

盐水中杂质；电解液；槽温；电流密度；国产离子膜

离子膜在离子膜法烧碱生产中发挥关键作用，是氯碱装备的核心装置。离子膜能否长期稳定的高效运行，主要取决于各企业的生产操作等情况，但是在实际生产中如果工艺控制不当影响到离子膜性能，造成槽电压升高，电流效率下降使生产成本增加。随着现在装备技术的进步，国内多数厂家已经直接采用膜极距电解槽或高电密电解槽改膜极距，膜极距电解槽对工艺的各项控制指标有更高的要求。

国产离子膜由于有独特的树脂结构和加工工艺，使国产离子膜具有突出的盐水杂质耐受性。

1 盐水中杂质含量对膜的影响

1.1 杂质对膜的影响

盐水质量是影响离子膜性能的一个关键因素，不仅影响离子膜的寿命，而且影响槽电压和电流效率。盐水中的杂质对离子膜的影响是多方面的，离子膜具有良好的阳离子选择透过性，一价和二价离子较为活泼，一价离子通过的同时二价离子也会进入膜内，二价离子进入膜内的速度要慢于一价离子，膜内的pH值是从阳极到阴极慢慢升高的，越靠近阴极侧膜中的OH-含量越高，所以二价离子进入膜内后会与膜内反渗的OH-形成结晶堵塞膜内通道[1]。使离子膜的交换能力下降，使离子膜槽电压急剧升高，电流效率下降。当多种杂质以混合形式存在时对离子膜的性能的影响更是致命的。

1.2 TOC（总有机碳）对离子膜的影响

了阻止阴离子的能力，使槽电压上升，氯气纯度下降，电解槽内压力不稳影响膜的寿命，使膜的性能永久性下降，并且会对阳极涂层有很大影响，各种杂质对离子膜的影响见表1。

表1 各种杂质对离子膜的影响[1]

2 阴阳液浓度对离子膜的影响

2.1 阴极液浓度对离子膜的影响

阴极液中氢氧化钠溶液与电流效率的关系存在一个极大值，随着氢氧化钠浓度的升高，阴极一侧的含水率减少，固定离子浓度增加，电流效率随之增加，碱中的含盐量也随之下降。随氢氧化钠的浓度继续增加，膜中OH-浓度增大，含水率减少，膜收缩，使膜的通道变窄影响钠离子由阳极室向阴极室的移动，导致膜的电压降升高，槽电压也随之升高，电流效率也也随之下降[1]。

阳极液浓度的控制主要是调节好纯水加入量，生产中出现短时间停止向阴极室内加纯水，对离子膜性能的影响还不会太大，如果长时间停止，对离子膜的损伤是不可修复的。

2.2 阳极液浓度对离子膜的影响

淡盐水浓度降低，膜中的含水率也随之增高，OH-的反渗速度也增加，电流效率也随之下降。如果长时间在低的盐水浓度下运行，不仅出现电解水的现象，而且增加后的水量超过膜输送液体的能力，使磺酸层的含水量远远高于羧酸层，导致膜起泡，更严重的使膜分层。淡盐水浓度的降低使膜中随钠离子移动的水量增加，从而导致Cl-向阴极室的移动量增加，使碱中含盐量升高。盐水浓度过高时，使NaCl形成结晶，沉积在膜内，在洗槽时容易形成针孔。

2.3 进槽盐水和烧碱的流量控制

生产中一定控制淡盐水浓度，调节好进槽盐水流量和进槽盐水浓度，盐水流量和盐水浓度要互相调节。电解槽在电解过程中产生的热量，主要还是由电解液带走，必须保持电解液有充分的流动，带走电解槽多余的热量。烧碱流量控制一般都是根据槽型确定的固定量。现在的电解槽中为保护离子膜性能还对盐水流量和烧碱流量设定连锁，当流量进槽盐水流量和烧碱停止时会出现一定时间的延时，如果延时时间到还没有恢复流量，电解槽自动断电以保护离子膜。

城镇化与人类居住方式上的聚集特点、文明历史进程和人类生产力与经济生活发展的集聚方式密切相关。在农村城镇化进程中，从实践的角度来看，农村的学校教育是城镇化进程中不可忽视的重要部分，要提升我国的城镇化质量和水平，就要从农村学校教育入手进行发展和改善，以实现城乡的协调发展。

3 阳极液加酸量对电解槽的影响

阳极液中的OH-通过离子膜向阳极室反渗，与阳极室中的氯发生一系列副反应。这些反应导致阳极上析氯的消耗，使电流效率下降。

电解槽内加酸过量，离子膜全氟羧酸在有-COONa存在情况下，具有优良的性能，如果羧酸基变成-COOH型，离子膜质子化失去导电性能，Na+不能通过，膜中的H+和OH-反应形成水，在膜上产生水泡，严重会使膜分层[1]。如果停止加酸，阳极室中的游离氯和氯酸盐含量会升高，严重时会腐蚀阳极涂层。

电解槽正常生产时一般要求出口淡盐水pH在3～5。设置电解槽连锁装置，当槽电压高于一定值后，电解槽自动断电。

4 电解槽温度对离子膜的影响

电解槽温度一般控制在85～90℃，在此范围内随着温度的升高将使膜的空隙增大，提高膜的导电度，电解液及膜的电阻都将下降，槽电压会逐渐降低；如果槽温偏低，导致电压升高，电流效率下降，会使离子膜永久性损伤；如果槽温高于90℃以上，电解液趋向沸腾，水的蒸发量增加，导致汽/水比例增加，使槽电压升高，加剧膜的恶化，同时也增加电解槽的腐蚀和涂层的钝化[2]。

温度上升将使膜发生膨胀，Cl-的活动系数也有所增加，使Cl-向阴极的扩散系数增大，碱中含盐量也随之上升。

5 电流密度和电流分布不均对离子膜的影响

电解槽在过低的电流密度下运行，OH-的扩散泄露比率逐渐增加，导致电流效率降低。低的电流密度和低槽温会使电解液的电导率过低；低的电导率会使膜过载或是发热，使电流分布不均；离子膜局部的电流密度过大或分布不均匀，会造成膜内部水迁移量增加，使膜内压升高，造成膜起泡；电流分布不

均，会使阴极液和阳极液的浓度在槽内不均匀，造成膜局部电流过高，影响电流效率和槽电压；电流密度过低还会使碱液含盐和氯酸盐的量增高；电流密度过高超过极限电流密度，会使膜的电流效率降低，电压上升，会使膜内部受损，影响离子膜寿命。

随着电流密度的升高，膜电阻及电位随之升高，电场对氯离子的吸引力也会随之增强，从而使氯离子向阴极一侧的移动增加了困难。

6 电解槽压差对离子膜性能的影响

电解槽的压差控制一定要稳定，增加电解槽压力，电解液中气体体积缩小，因发生起泡引起电解液电阻下降，电解槽电压降低，电耗减少[3]。如果出现操作失误，造成负压差过小，引起槽电压升高，膜因震动而损伤，可能会造成大的事故。正压差将使阳极网永久变形，极距增大，槽电压升高。

生产中一定要控制好电解槽压差，特别是出现特殊情况停车，控制好压力，防止出现负压差，造成大的安全事故。

7 反向电流对电解槽的影响

电解槽每次紧急断电后，就会产生反向电流，这是因为停车后在电解槽阳极室充满活性氯及次氯酸根，在阳极上氯气被还原成氯离子，同时阴极金属被氧化形成原电池，阴极为原电池正极，阳极为原电池负极，由此产生反向电流。反向电流产生很容易引起电极涂层脱落，涂层脱落后附着在膜上，堵塞膜通道，造成槽电压升高。反向电流可以使水分子反向移动，膜内含水量减少，导致膜起泡，反向电流还会使氯化钠沉积在膜内形成结晶，洗槽时很容易形成针孔[4]。

现在各电解槽公司针对反向电流的腐蚀均在采取措施。如氯工程的电解槽增加了极化电流装置，并设置连锁，出现断电后，极化电流自动投入。目前，极化电流系统已经是大多数氯碱装置的标准配置。

8 减少开停车次数

电解槽在运行中尽量减少开停车的次数，在电解槽开停车中，容易造成电解槽阴阳极压差控制不稳定，离子膜容易出现大的波动造成膜出现针孔。电解槽阴阳极液的浓度、温度、槽内的气液比例都会发生变化，会造成电流分布不均匀，膜各位置的温度不一，造成离子膜各部位水的迁移量不均匀，离子膜起泡或形成针孔，对离子膜造成损伤。

9 国产离子膜

国产离子膜采用具有自主知识产权的专利技术，在构造上具有独特的优势，主要组成均为全氟磺酸膜层、全氟羧酸膜层和增强网布。国产膜的全氟磺酸树脂和全氟羧酸树脂的接触层为渐变的无明显界面的穿插渗透结构，全氟磺酸和羧酸在界面处形成分子级别的混合过渡，具有独特成膜加工工艺，大大提高了两层之间的结合牢固度，赋予了国产离子优异的抗剥离起泡性能。通过层间结构的优化设计和树脂匹配，赋予离子膜以突出的盐水杂质耐受性。

国产离子膜通过在多种槽型，多台套的工业化安全稳定运行，目前国产离子膜已经工业化安装运行44个月，并经历过各种操作环境，且各项指标均能达到如期效果，证明国产离子膜已经完全适合氯碱装置的运用。

10 结语

目前，国内氯碱装置正在向膜极距槽发展，很多企业正在把高电密槽向膜极距槽改造。新上项目直接采用膜极距电解槽。在操作方面，膜极距电解槽对盐水质量、槽压差、阳极加酸等操作指标要求极高。平稳安全的运行才能发挥出膜极距槽的优势。

国产离子膜的工业化应用，打破了国外公司垄断的局面，极大提升了氯碱行业的产业安全性。

［1］程殿斌，陈伯森，史孝奎．离子膜法制碱生产技术．北京：化学工业出版社，2008．

［2］尹聪．减缓离子膜电效下降延长离子膜经济寿命．2012全国烧碱行业技术年会论文集，2012，（5）：110－112．

［3］严秀英．浅谈影响离子膜运行的因素以及氯碱工业的几项新技术．2012年全国烧碱行业技术年会论文集，2012，（5）：121－123．

［4］王学军，王婧．氯碱膜中的全氟羧酸层及其运行机理研究．2013年全国烧碱行业技术年会论文集，2013，（5）：89－96．

Matters needing attention in operation of ionic membrane electrolyzer

WEI Jian，YU Chang-guo，ZHANG Duo，ZHANG Xiao-feng，WANG Xue-jun
（Technology Center of Shandong Dongyue Polymer materials Co.，Ltd.，Zibo 256401，China）

The effects of operation parameters on the properties of ion exchange membrane were introduced，including the quality of brine，cathode and anode liquid concentration，bath temperature，current density，pressure and reverse current.

impurities；electrolyte；cell temperature；current density；domestic ion-exchange membrane

TQ114.26

B

1009－1785(2015)04-0020-03

2014-05-04