电流密度是离子膜电解槽性能的最终考验

石泽峰

摘  要：离子膜法电解食盐水是氯碱产品的主要生产方式之一，随着氯碱工业离子膜技术的不断改进，离子膜电解槽的电流密度不断提高，增大了生产能力，降低了生产成本。但是，高电流密度加快了气体的生成速率，使产生的气体在槽顶部滞留，极易发生膜针孔效应。

关键词：电流密度;氯碱生产离子膜电解槽主要性能之一;

一、电解循环方式与结构设计

电解工艺循环方式是区分电解装置类型的另外一个重要表征，可分为强制循环、外部自然循环。为了获得良好的电化学反应状态和优良的电解性能，不同的电流密度和不同反应室结构需与相应的工艺循环方式相匹配。

离子膜电解槽发展初期的近20年，复极式离子膜电解槽多采用强制循环工艺，每台电解槽均设置有阴、阳极液循环罐和大流量循环泵。强制循环工艺的阳极反应系统，每个阳极电解室中，除了根据盐水的分解率和电化当量加入电解反应所需的饱和盐水之外，还将有数倍的淡盐水被循环泵一同送入电解室，形成淡盐水的大流量循环，使槽内的介质具有足够的流速，使产生并聚集在电极表面影响反应条件的氯气得以更快的析出并快速冲散，使温度传导和离子交换速度得以满足，从而大大减小了反应室内的浓差梯度和温差梯度以及有效降低影响反应效率和电解电压的气液比。

在阴极反应系统，阴极表面产生的氢气泡密度极小，飘逸性极强，可对介质形成较强的气举作用，使介质的流动性较好，电极表面反应条件远远优于阳极侧。但在强制循环系统中，为了使离子膜两侧的流场状态更加平衡，除了反应所需的有限的定量纯水注入之外，仍需有与阳极室匹配的碱液循环量，以保证阴、阳极室适度和稳定压差，保证离子膜在有极距结构条件下仍得以贴附在阳极网面。由于强制循环工艺装置每台电解槽均需要配置阴阳极循环槽和大流量循环泵，反应室进口压力及槽内液相压力很高，循环泵和循环管路系统的噪声和能耗很高，管路振动和压力波动也较高。要使膜两侧阴阳极室的正向压差始终得以保持，需要控制槽内和系统的氯氢压差值达15kPa或更高，对离子膜和电极网的强度都需要有很高的要求，离子膜和电极要厚实，加之制造精度所需的阴阳极极距，反应电压和吨碱电耗相对较高。由于大面积反应室对传质、传热和传速的要求较高，受电解槽的活性阴极技术、膜的制造技术、反应结构技术以及工艺控制技术等方面条件的制约，早期强制循环复极式离子膜电解槽的运行电流密度一般只能在3kA/m2左右，万吨装置需要近百个电解单元，装置制造成本也很高，大型强制循环生产装置的结构和工艺技术在氯碱行业已经基本被弃用现代主流是自然循环形式。

二、离子膜的选型，整流柜的选型及整体电解槽选型都要综合考虑

电耗在离子膜法生产烧碱成本中占的比重很大，为降低生产成本，首先要从降低电耗入手，找出影响电耗的因素。影响电耗的因素有槽电压和电流效率，要想降低电耗就要降低槽电压和提高电流效率。生产操作中可以控制的影响离子膜电解槽电压的主要因素为（1）电流密度;（2）碱浓度;（3）盐水中杂质; （4）阴、阳极液循环量;（5）温度;（6）阳极液浓度;（7）电解槽压力和压差;（8）阳极液pH值;（9）开、停车次数（10）整体配套设计水平及设计理念。

1. 电流密度

电流密度与膜电压降的关系看出，在1.5-4.0 kA/m2这一常用电流密度范围内，二者呈直线关系，即随着电流密度增加，槽电压也逐渐升高，也就导致了电耗的增加，但是电流效率也会提高。所以在正常生产中，要综合考虑，以期达到降低电耗的目的。一般生产中以控制电流密度不要超过电解槽及离子膜的最高电流密度是最经济的。

膜电压降直接受电流密度的影响。一般情况下，膜电压降应正比于电流密度，并呈直线关系。稍稍偏离直线关系，在1.5～4.0l m2这一常用电流密度范围内，呈直线关系。如氯化钠水溶液电解，高浓度，电解温度需要保证82℃以上，膜的表面附近一般不会产生浓差极化现象。电流密度不仅影响膜的电压降，还影响气泡效应、阳极及阴极的过电位和溶液及导体的电压降。总的效果是，电流密度升高，槽电压也逐渐升高。可见，虽然槽电压与电流密度呈正比关系，但随着膜结构性能的改变，电压曲线的斜率发生了变化，导致膜电压降的下降。

2.槽电压和槽电流之间的关系

如果其他变量保持不变，槽电压和槽电流两者之间的关系可表達如下：

E 1 ： 电流I 1 时的槽电压

E 2 ： 标准电流I 2 时的槽电压I 2 （10.8 KA）

E 0 ： 常量 （2.42 V）

t 1 ： 操作温度

t 2 ： 标准温度 （90 °C）

通常取10.8 KA作为标准电流（I 2 = 10.8 KA） ，

取90 °C作为标准温度（t 2 = 90 °C）。

阴极液浓度为32%时E 0 大约是2.42伏。

线型的梯度（如图II-7所示）它取决于其他参数，如膜，阳极和阴极。

电解槽电流密度增加后会使得阳极寿命缩短，并且造成整流器由于负荷的增大容易调停，并且电流密度增大后槽压升高，对电极的耗电有影响，并且在一定程度上增大了电解槽的危险性，特别是对离子膜的损伤较大对于电流密度的提高必须有充分的试验基础和理论基础！

三、结语

当前主流电解槽以复极槽为主，如德国伍德，日本氯工程，日本旭化成，中国北化机等，电流密度不断提高，普遍达到5KA/M2暂时无法突破6.0KA/M2由于电解槽及离子膜不断探索提高电流密度，因为电流密度提高碱产量将增加，碱产量增加对于生产成本冲抵非常明显，因离子膜电解槽在中国发展近40年，现在能源管控有了新的配套标准，作为能耗大户电解工艺必定要提高电流密度，相信在不久将来能开发出能耗低的电解装备。

参考文献：

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