不同离子膜在不同型号电解槽上的运行测试

杨茂勤，刘丁丁 ，白虎雄，贺永斌，张静

(陕西北元化工集团股份有限公司，陕西 榆林 719319)

陕西北元化工集团股份有限公司(以下简称“陕西北元”)拥有80万t/a烧碱生产装置，共4条生产线，分别采用意大利伍德迪诺拉四、五、六代离子膜电解槽。陕西北元引进的离子膜有杜邦离子膜N2030WX/N-2040WX/N2050WX、旭化成离子膜F-6801/F-6803和旭硝子离子膜F-8080系列。离子膜电解槽运行电耗占整个氯碱生产成本的70%，槽电压运行指标直接决定着烧碱生产成本的高低。电解槽如果没有升级换代及良好的管理模式，将会出现一系列负面问题，主要表现为：32%烧碱产量下降，电流效率下降；直流电耗偏高，单元槽槽电压高；电解槽安全稳定性下降，单元槽半壳泄漏概率增加，更换单元槽作业频繁；产品质量下降，烧碱中杂质增多，氯气中氧含量增大。因此选择匹配电解槽槽型的离子膜至关重要。

1 杜邦N2030WX/N2040WX/N2050WX膜四代电解槽运行电压对比

根据伍德四代电解槽单元槽半壳重涂周期，为了取得较好的经济效益，陕西北元更换了不同系列杜邦离子膜。分别将杜邦N2030WX/N2040WX/N2050WX离子膜安装在了相同的四代电解槽上，由于3台电解槽半壳重涂为同一厂家、同一批次，因此槽电压差异就在于膜的差异。现提取运行1～45个月的数据，在6.0 kA/m2的电流密度和相同运行周期进行膜电压数据分析比较。由图1可知：3种离子膜前3个月槽电压运行过程槽电压均降低，在运行了33个月后槽电压整体持上涨趋势。N2050WX比N2040WX槽电压低84 mV，N2050WX比N2030WX平均槽电压低93 mV，N2040WX比N2030WX平均槽电压低9 mV，离子膜单元槽电压平均涨幅速率为N2030WX 2.61 mV/月、N2040WX 2.64 mV/月、N2050WX 1.55 mV/月。由此得出N2050WX系列离子膜单元槽槽电压相对较低、上涨速率较小，对应的电耗会更低、更加安全高效。

图1为相同电流密度下同型号电解槽上不同离子膜运行槽电压对比。

图1 相同电流密度下同型号电解槽上不同离子膜运行槽电压对比Fig.1 Cell voltage of the same type of electrolyzerswith different types of ion-exchange membraneoperating under the same current density

2 F6801/N2030WX/F6803/F8080离子膜同一电解槽运行槽电压比较

将N2030WX/F6801/F6803/F8080四种离子膜安装在同一四代电解槽上，则单元槽电压的差异就是膜电压的差异(未考虑离子膜分布在电解槽高电位区所造成的差异)。通过对比运行45个月的槽电压数据(见下图2)比较可知，离子膜单元槽电压平均涨幅速率为：N2030WX 3.133 mV/月、F6801 2.578 mV/月、F6803 2.622 mV/月、F8080 1.022 mV/月，即VF8080

图2为相同电流密度下同一台电解槽上不同离子膜运行槽电压的对比。

图2 在相同电流密度下同一台电解槽上不同离子膜运行槽电压对比Fig.2 Cell voltage of the same electrolyzerswith different types of ion-exchange membraneoperating under the same current density

3 N2050WX离子膜在四、五、六代电解槽槽电压比较

将离子膜(N2050WX)分别组装在伍德四、五、六代电解槽上，在相同电流密度下进行性能测试数据对比(详见图3)。

图3 相同电流密度下相同离子膜在不同电解槽上的槽电压对比Fig.3 Cell voltage of different electrolyzerswith the same type of ion-exchange membraneoperating under the same current density

对图3进行分析可知：在6.0 kA/m2的超高电流密度情况下，首次开车时V6th=2.967 V、V5th=3.117 V、V4th=3.229 V，六代电解槽较五代电解槽平均单元槽槽电压低150 mV，六代电解槽较四代电解槽平均单元槽槽槽电压低262 mV，五代电解槽较四代电解槽平均单元槽槽槽电压低112 mV；六代电解槽运行3个月后槽电压逐渐下降，持续运行9个月后电解槽单元槽槽电压运行维持稳定；四代五代电解槽运行前三月槽电压逐渐下降，3-6个月五代电解槽槽电压上涨较快，21-27个月期间四代电解槽单元槽槽电压上涨较快，整体呈现出V6th

4 N2050WX与F6803离子膜在相同型号电解槽运行对比

(1) 将N2050WX与F6803两种离子膜在五代电解槽进行运行比较，由于两台五代电解槽为不同厂家重新涂层，通过槽电压数据(见下图4)比较分析，槽电压数据表现差异较大，整体表现出槽电压运行表现不佳。

图4 相同电流密度下同一台电解槽上不同离子膜的槽电压对比Fig.4 Cell voltage of the same electrolyzerswith different types of ion-exchange membraneoperating under the same current density

(2) 同样将N2050WX与F6803 2种离子膜在四代电解槽进行运行比较，运行数据详见图5。

图5的2台四代电解槽为相同厂家重新涂层，且涂层批次一致。通过图5运行单元槽槽电压数据比较分析可知：杜邦N2050WX离子膜前6个月运行期间平均单元槽槽电压均下降，F6803离子膜平均单元槽槽电压持续缓慢上涨。运行至27个月，2种离子膜槽电压上涨至一致数据。在前21个月运行期间，杜邦N2050WX离子膜单元槽槽电压均低于F6803离子膜，杜邦N2050WX离子膜单元槽槽电压21个月以后槽电压上涨较快。

5 测试结论

(1) 杜邦N2030WX/N2040WX/N2050WX离子膜在四代电解槽上运行时，杜邦N2050WX系列离子膜单元槽电压更低、更安全高效。

(2) F6801/N2030WX/F6803/F8080离子膜在同一电解槽运行时，F8080离子膜平均槽电压数据相对稳定，涨幅小，能耗低。

(3) N2050WX离子膜在四、五、六代电解槽上运行时，在六代电解槽上运行更安全、经济、稳定。

(4) N2050WX与F6803离子膜在相同型号电解槽运行时，因涂层厂家不同，涂层影响槽电压导致不能有效核算，N2050WX与F6803离子膜在四代、五代电解槽运行结果截然相反。需要进一步在离子膜4年生命周期内跟踪单元槽平均槽电压运行状况。

6 结语

通过陕西北元对不同离子膜的各种运行测试可知：离子膜的正确选择可以获得更低膜电阻和更高的电流效率，最终达到降低电解直流电耗的目的，因此氯碱企业选择适合公司电解槽不同生命周期内电解槽离子膜至关重要。随着离子膜的不断发展，离子膜具有了更高的机械强度、稳定性和更低的槽电压以及更高的电流效率，进一步提高了膜的抗杂质离子污染和抗起泡能力，使膜能更好地适应高电流密度下的长时间运行，适用于更广泛的NaOH浓度和温度运行范围。所以，下一步最新一代高性能离子膜的适时引进，对离子膜电解具有重要的意义。