離子膜極片涂層老化因素探析

劉 晶，盧建國(guó)，張樹峰

（內(nèi)蒙古億利化學(xué)工業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014300）

內(nèi)蒙古億利化學(xué)工業(yè)有限公司，為電石法PVC生產(chǎn)廠家，其氯堿部分為36萬(wàn)t/a離子膜燒堿，采用上海HVM 鹽水工藝及意大利伍德迪諾拉高密度復(fù)極式離子膜電解槽設(shè)計(jì)。有效離子膜面積為2.72 m2，電流密度為5.1 kA/m2，共計(jì)14臺(tái)電解槽，分為一、二2期，每臺(tái)電槽分為2個(gè)槽架可安裝166臺(tái)單元槽。電解槽初期開車時(shí)間為2007年10月，至今已運(yùn)行5年，經(jīng)過(guò)離子膜更換、極片重涂等工作，現(xiàn)將電解槽開車以來(lái)運(yùn)行情況及問(wèn)題進(jìn)行如下闡述。

1 電槽運(yùn)行情況回顧

該公司電解槽初始運(yùn)行共采用3種型號(hào)離子膜，分別為杜邦N982、N2030膜及旭硝子F8020膜。

1.1 電解槽開車時(shí)間

2007年10月24日電解一期4臺(tái)電解槽開車運(yùn)行，2008年5月6日全部14臺(tái)電解槽投入運(yùn)行，具體時(shí)間分別見表1、表2。

1.2 電解槽運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

（1）電解槽新槽初期投用槽電壓相對(duì)較高，運(yùn)行一段時(shí)間后，極片涂層性能趨于穩(wěn)定見表3。

表1 電解槽開車時(shí)間

表2 二期電槽送電時(shí)間

表3 初期滿負(fù)荷電壓對(duì)比表

（2）2007年10月開車后，電解槽電流逐步提升，槽電壓也隨之增長(zhǎng)，不同型號(hào)離子膜，槽電壓上漲程度不一致，其中旭硝子膜電壓較低，但在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)氯中含氧較其他2種膜稍高,不同型號(hào)電解槽氯中含數(shù)據(jù)比較見表4，不同型號(hào)離子膜運(yùn)行電壓對(duì)表見表5，電槽分析數(shù)據(jù)見表6。

表4 不同型號(hào)離子膜氯中含氧數(shù)據(jù)對(duì)比（以2010年5月一期數(shù)據(jù)為例）

從表5、表6可以看出離子膜運(yùn)行3年以后，電槽電壓上升，電流效率下降，氯氣純度下降，氯中含氧升高，電槽副反應(yīng)增加，集中表現(xiàn)為鹽水中氯酸鹽含量增加。

至2010年6月，受電解槽電壓較高影響，部分電槽已無(wú)法滿負(fù)荷運(yùn)行，嚴(yán)重影響堿產(chǎn)量及燒堿廠能耗指標(biāo)，因此，2010年11月開始，公司進(jìn)行離子膜更換工作。

1.3 換膜階段

2010年11月15日開始，公司開始對(duì)電解槽進(jìn)行逐臺(tái)換膜工作，至2011年12月完成11臺(tái)電解槽換膜工作，除二期C 槽外，其余均更換為旭硝子F8020SP 膜。

表5 不同型號(hào)離子膜運(yùn)行電壓對(duì)比表（采用13.8 kA下槽電壓數(shù)據(jù)）

表6 電解槽分析數(shù)據(jù)對(duì)比

換膜后槽電壓有所下降，以一期A 槽為例，滿負(fù)荷13.8 kA 運(yùn)行數(shù)據(jù)見表7。

表7 一期A槽換膜前后槽電壓對(duì)比表

由上表可見，電槽電壓雖有所下降，但幅度不是很明顯，且換膜后槽電壓上升仍較快，出槽鹽水氯酸鹽含量依然很高。于是從2011年6月開始，對(duì)槽電壓較高電解槽進(jìn)行加酸除理，以抑制副反應(yīng)，降低鹽水中氯酸鹽含量，提高氯氣純度。同時(shí)對(duì)電壓較高單元槽極片進(jìn)行檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極涂層厚度已下降至原涂層厚度的30%，需進(jìn)行極片重涂工作。

1.4 極片重涂階段

于2012年10月開始進(jìn)行極片重涂工作，至2013年12月已完成5臺(tái)電解槽極片重涂工作，重涂后電槽電壓數(shù)據(jù)見表8（為滿負(fù)荷13.8 kA 運(yùn)行下，電解槽平均電壓）。

表8 極片重涂前后槽電壓對(duì)比表 V

由表8可見，極片重涂運(yùn)行后依然出現(xiàn)較高槽電壓，待運(yùn)行正常后，槽電壓趨于穩(wěn)定，且電壓較低。

2 影響離子膜、極片壽命因素

回顧電解槽運(yùn)行情況，在運(yùn)行三年左右離子膜進(jìn)入老化期，運(yùn)行4年后極片進(jìn)入老化期，老化期均較為提前，綜合電槽運(yùn)行情況，總結(jié)出影響離子膜、極片涂層壽命主要為以下幾大因素。

2.1 操作原因

（1）初期開車時(shí)，人員操作水平較低，頻繁地開停車、升降電流都會(huì)使離子膜不斷地膨脹和收縮，造成膜物理松弛起皺褶，甚至鼓泡，造成膜性能下降，壽命縮短，同時(shí)電槽頻繁停車，亦會(huì)造成涂層壽命短；

（2）開車過(guò)程中壓差調(diào)節(jié)失誤，離子膜反向貼近陰極極片，亦會(huì)造成離子膜損傷，壽命降低。

2.2 鹽水質(zhì)量影響

（1）因樹脂塔故障或進(jìn)塔鹽水控制不當(dāng)?shù)仍?，造成進(jìn)槽鹽水鈣鎂離子含量超標(biāo)，在離子膜內(nèi)形成氫氧化物沉淀，影響離子膜壽命，增加槽電壓；

（2）采用氯化鋇除硝工藝，易造成鹽水中鋇離子增加，影響離子膜壽命的同時(shí)會(huì)在陽(yáng)極涂層表面形成絕緣層，降低陽(yáng)極涂層活性。

雖然未發(fā)現(xiàn)TOC 超標(biāo)現(xiàn)象，但若鹽水中TOC含量增加，則會(huì)在電解槽中被氧化成氯碳化合物，使陽(yáng)極液產(chǎn)生泡沫，阻礙了陽(yáng)極室產(chǎn)生氣體的流動(dòng)以及電解液分布，造成離子膜脫液，導(dǎo)致離子膜損傷，同時(shí)會(huì)覆蓋陽(yáng)極涂層，降低陽(yáng)極的活性區(qū)域，限制氯離子接近陽(yáng)極，增加氧氣的產(chǎn)生，縮短陽(yáng)極涂層使用壽命。

2.3 電槽安裝操作影響

（1）電槽組裝工作對(duì)電槽正常運(yùn)行起著尤為重要的作用，組裝不當(dāng)或未按照要求用扭力扳手按方位進(jìn)行螺栓緊固，均易造成電槽泄漏，停槽；

（2）檢修過(guò)程中單元槽拆卸，未能對(duì)極片進(jìn)行認(rèn)真清洗，導(dǎo)致涂層上部存在鹽結(jié)晶，亦會(huì)造成極片腐蝕；

（3）單元槽陰陽(yáng)極進(jìn)液管進(jìn)液空隙較小，單元槽組裝時(shí)，未對(duì)進(jìn)液管進(jìn)行認(rèn)真沖洗檢查，或鹽水質(zhì)量不合格造成進(jìn)液空隙堵塞。導(dǎo)致電槽運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)斷液現(xiàn)象，同樣對(duì)離子膜、涂層損傷較大。

2.4 雜散電流影響

電槽運(yùn)行中，若電槽支架或管道等部位絕緣不良，會(huì)產(chǎn)生雜散電流，除造成鹽水流量計(jì)讀數(shù)顯示波動(dòng)，干擾正常操作外，會(huì)造成電流效率下降，且易造成金屬管道、設(shè)備腐蝕，頻繁開停車維修，減少離子膜、涂層壽命[1]。

電槽停車時(shí)要尤為重視極化整流器的按時(shí)投用，避免發(fā)生原電池反應(yīng)，導(dǎo)致涂層脫落。

2.5 離子膜、極片涂層老化互相影響

離子膜針孔、損壞造成堿進(jìn)入陽(yáng)極室，會(huì)造成陽(yáng)極涂層腐蝕，反之極片涂層老化，涂層會(huì)出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，脫落雜質(zhì)進(jìn)入離子膜沉積，同樣會(huì)造成離子膜損傷。因此，合理安排離子膜更換及極片重涂工作，對(duì)提高離子膜、極片壽命尤為重要。

3 合理安排離子膜更換、涂層重涂時(shí)間

離子膜、電極涂層活性問(wèn)題直接決定電解槽電壓高低，是影響電解槽經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素，參照該公司近4年來(lái)燒堿月產(chǎn)量相近的電槽交流電耗，可得出2010年10月后，更換離子膜、電槽加酸等措施雖對(duì)電耗上升起到一定緩解作用，但后期隨著陽(yáng)極涂層脫落現(xiàn)象嚴(yán)重，電耗上升速率加劇，且新更換離子膜亦受到一定程度的損傷，電解槽交流電耗對(duì)比表見表9。

表9 電解槽交流電耗對(duì)比表

因此，在電解槽運(yùn)行中，不僅要嚴(yán)格控制單元組裝質(zhì)量及進(jìn)槽鹽水質(zhì)量合格，同時(shí)要尤為關(guān)注離子膜、極片活性情況，即通過(guò)關(guān)注電壓變化情況，判斷離子膜運(yùn)行情況，對(duì)電壓出現(xiàn)偏離的單元槽進(jìn)行及時(shí)拆卸并解體檢查；認(rèn)真觀察陽(yáng)極液出液顏色，曾出現(xiàn)陽(yáng)極液出液發(fā)紅現(xiàn)象，后經(jīng)拆槽檢查后，判斷為陽(yáng)極涂層脫落；認(rèn)真觀察拆開后陽(yáng)極極片涂層，必要可進(jìn)行涂層厚度檢測(cè)，極片重涂前期，部分陽(yáng)極極片涂層脫落嚴(yán)重，明顯可見極片材質(zhì)裸露于外部。根據(jù)檢查結(jié)果合理安排換膜和重涂時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

離子膜電解槽運(yùn)行過(guò)程中，要加強(qiáng)電解槽管理工作，不僅需要嚴(yán)格控制鹽水指標(biāo)，而且需對(duì)電解槽組裝、離子膜、極片運(yùn)行情況等多方面綜合考慮，統(tǒng)籌安排，確保電解槽經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高使用壽命。

［1］方 度，蔣蘭蓀，吳正德.氯堿工藝學(xué).北京：化學(xué)工業(yè)出版社出版，1990：81－84.