降低离子膜电解槽电压的方法

霍文静

(石河子天域新实化工有限公司，新疆 石河子 832000)

随着我国科学技术的快速发展，氯碱企业采用离子膜法装置制备烧碱，大大提高了生产效率和生产质量，降低企业生产成本，为提高企业的经济效益奠定良好的基础。

1 离子膜工艺简介

从一次盐水送过来的精盐水经过树脂塔进行二次精制，精制后的盐水通过高位槽送入电解槽。氯化钠被电解成钠离子和氯离子。氯离子在阳极室放电转变为氯气。同时，钠离子通过离子交换膜移到阴极室。阳极液被送到阳极循环槽，氯气进入阳极循环槽顶部，然后送到氯氢处理工序。淡盐水从阳极循环槽排出并送到脱氯工序进行脱氯。阴极液通过阴极高位槽，进入电解槽的入口总管，产出氢气和烧碱。液体被送到阴极循环槽，送到片碱工序，氢气进入阴极循环槽顶部，然后送到氢处理工序。

离子膜电解的化学方程式及原理如下。

总反应式：

2NaCl+2H2O=Cl2↑+H2↑+2NaOH。

2 利用设备改造来降低电解槽电压

离子膜电解槽的槽电压升高与降低均受电解槽的结构及离子膜的各种操作条件的影响。在离子膜电解槽生产过程中，降低电解槽电压及电耗，提高电流效率，对整个烧碱生产具有重大意义。

石河子天域新实化工有限公司(以下简称“天域新实化工”)以前用有极距的电解槽，离子膜紧贴在阳极网面，与阴极网面大约有2 mm的距离。有极距电解槽槽电压过高、电流效率下降过快，因此将有极距电解槽改为膜极距电解槽。电解槽阴阳极间距越小，单元槽电压越低，电耗也越低，在相同的电流密度下，单元槽电压比一般有极距单元槽电压大约降0.15 V。

粘贴垫片时严格按照操作规程进行。如果垫片位置粘贴不正确，膜易发生盐泡，并易发生针孔。在涂抹胶及黏合剂时，如涂抹过多，流到电解网面附着在膜上，使电解性能下降，也会使槽电压上升。

装膜时也要特别注意，膜不能装反，装反的话会使整张膜发生水泡，电解时槽电压会急剧上升。

换完膜后，电解岗位人员必须每天重新挤压和锁定电解槽，持续7天；每星期重新挤压和锁定电解槽，持续1个月；然后，每个月重新挤压和锁定电解槽。由于新垫片比旧垫片厚，弹性大，刚开始运行时，槽电压会增加，经过定期对新垫片的挤压，越来越缩小极间距，使槽电压降低。

3 工艺控制操作及注意事项

3.1 阴极液浓度

槽电压与阴极液中NaOH浓度有关。随着NaOH浓度的升高，NaOH含盐量也随之下降，膜的电阻随NaOH浓度的提高而增加，使槽电压上升。因此，长期稳定地控制NaOH最佳浓度是非常重要的。经过平时对阴极液浓度及槽电压的对比和以往控制阴极液浓度的经验，可以得知，将阴极液质量分数控制在32.1%～32.4%时，观察到的槽电压是最低的，但如果质量分数超过34%，则会使电流效率下降，槽电压上升。

3.2 盐水温度及槽温

进入树脂塔前盐水一般控制在(60±5) ℃。低于这个温度，槽电压上升，树脂塔中的螯合树脂就会失去活性，树脂的交换能力下降 ，电解液和膜的电阻会随着它们温度的上升而降低。

提高槽温的办法就是提高盐水的温度，温度上升，使膜的孔隙增大，有利于提高膜和电解液的导电度，降低溶液电压降，从而降低槽电压。一般，槽温上涨1 ℃，单槽电压会降低10 mV。在实际电解中，在90 ℃时观察到的槽电压最低，但如果槽温高于90 ℃时，水的蒸发量增加，导致气液比率增加，使槽电压上升。

3.3 电流密度对槽电压的影响

槽电压降直接受到电流密度的影响，一般来说，槽电压与电流密度成正比，一张离子膜的面积为2.7 m2，电流密度为4.5 m2/kA，则理想电流为2.7×4.5=12.15 (kA)。如果超过了极限电流密度(电流密度为5.5 m2/kA)，不仅使电压上升，电流效率下降，而且易使膜的内部结构受到损坏。电流密度不仅影响膜的电压降，而且影响阳极和阴极的过电压，影响溶液及导体的电压降，总的效果是，随着电流密度的升高，槽电压也会逐渐升高。

3.4 盐水中的杂质

进入电解槽的盐水质量是离子膜制碱技术的关键，其对离子膜的寿命、槽电压和电流效率及产品质量有着重要的影响。

离子膜二次盐水的树脂塔是为了进一步去除精盐水中的杂质，电解时，它们会透过离子交换膜，会同阴极室反迁移过来的OH-反应生成不溶性的氢氧化物沉淀，堵塞离子膜，使膜电阻增加，槽电压上升，膜性能恶化和寿命的缩短。

对膜影响最明显的是钙镁离子，少量的Fe+2和Fe+3主要对槽电压有影响，对电流效率影响不大，但当盐水中钙镁铁等杂质含量增加时，可以明显地观察到电流效率下降。长期的钙镁铁等杂质含量超过指标，将造成膜性能不可逆的恶化，从而缩短膜的使用寿命。因此，在生产中加强检测能力，提供合格的盐水(ρ(Ca2+)≤0.02 mg/L，ρ(Mg2+)≤0.02 mg/L，ρ(Fe3+)≤0.02 mg/L)。

3.5 阳极液浓度及pH值

阳极液浓度偏低时会导致电流效率下降，碱含盐量上升，当浓度过低时，膜的含水率增高，导致OH-反渗速度增加，离子膜将会出现鼓泡，过多的鼓泡则导致槽电压上升和电流效率的下降，如浓度低至某一极限，离子膜则会发生膨胀、分层，出现针孔，导致膜遭到破坏。阳极液的控制指标为205～230 g/L，但是在平时的操作中观察的阳极液浓度一般控制在210～215 g/L时，槽电压为最佳值。

当今工业化用的离子膜，绝大多数是全氟磺酸和全氟羧酸复合膜。全氟羧酸在有Na+存在的情况下，具有优良的性能，如果羧酸基变成了H+型，它就不能作为离子膜工作了，因此必须使阳极液pH值控制在2～4之间，否则膜内部就要因发生水泡而受到破坏，使膜电阻上升，槽电压就要急剧升高，所以，阳极液加酸不能过量，将阳极液出口酸度控制在0.005 0 mg/L以下，且在单槽电流为4.1 kA以下时，加酸阀自动关闭，停止加酸。

3.6 电槽压力及压差

通过提高电解槽压力，电解液气体体积缩小，因气泡发生而引起的电解液电阻下降，电解槽电压降低。压差有效的降低槽电压，相反的，负压差增加槽电压，每片增加0.4～0.5 V，在实际操作中，阴极室和阳极室的压差是4 kPa。若压差超额，正压差高于95 kPa时，将使阳极永久变形，极距增大，电压上升；若压差过小，不仅易使槽电压上升，而且，压差波动频繁，使膜受到振动而损伤，特别是开停车时，由于操作不当，最易出现负压差，膜就会紧贴到阴极网面，使膜受到摩擦而损坏，槽电压上升。所以平时操作中维持压差在40 kPa左右。

4 结语

离子膜电解槽的操作关键是使离子膜能够长期稳定地保持较高的电流效率和较低的槽电压，进而稳定直流电耗，延长离子膜的使用寿命，尽量避免非计划停车的次数，将各项参数指标控制在合格范围内，不因误操作而使膜受到严重的损伤，同时也能提高产品质量。