離子膜出現(xiàn)水泡的原因及預(yù)防措施

劉丙臣，姜延?xùn)|

（山東大成農(nóng)化有限公司，山東 淄博255009）

山東大成農(nóng)化有限公司燒堿產(chǎn)能為10 萬(wàn)t/a 離子膜燒堿，采用高電密自然循環(huán)電解槽4 臺(tái)，每臺(tái)電解槽共160 個(gè)單元槽片，并配套有真空脫氯系統(tǒng)，氯氣壓縮采用進(jìn)口透平壓縮機(jī)壓縮氯氣；采用帶有經(jīng)濟(jì)器的氯氣螺桿壓縮機(jī)組進(jìn)行氯氣液化。電解槽裝置自開(kāi)車以來(lái)，裝置運(yùn)行平穩(wěn)，所產(chǎn)32%離子膜燒堿、液氯、次氯酸鈉、工業(yè)鹽酸等產(chǎn)品優(yōu)級(jí)品率均為100%。

離子膜法氯堿生產(chǎn)工藝中，離子膜生產(chǎn)裝置的核心部件主要包括活性陽(yáng)極、活性陰極、選擇性離子膜和陰陽(yáng)端板，決定電解槽運(yùn)行壽命的重要因素是價(jià)值昂貴離子交換膜。應(yīng)根據(jù)膜電化學(xué)特性正確使用離子膜，找出離子膜出現(xiàn)水泡的原因，延長(zhǎng)膜的使用壽命，提高燒堿產(chǎn)量和質(zhì)量，降低電能消耗。

1 電解槽對(duì)離子膜的要求

（1）高度的化學(xué)和物理穩(wěn)定性。氯堿的電解條件惡劣，陽(yáng)極側(cè)是強(qiáng)氧化劑—初生態(tài)氯、次氯酸根及酸性溶液。陰極側(cè)是高濃度NaOH，電解溫度85～89 ℃。離子膜必須在這樣的條件下保持其化學(xué)結(jié)構(gòu)不變，不被腐蝕、氧化，始終保持良好的電化學(xué)性能。而且物理性能好。薄而不易破裂，耐壓，有均一的強(qiáng)度和柔韌性，耐皺折，有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；

（2）具有較低的膜電阻。離子交換膜不但要有很高的離子選擇透過(guò)性能，而且要具有較低的膜電阻，這2 項(xiàng)性能往往是互相抵觸的，因此，必須通過(guò)各種方法來(lái)求得電解能耗達(dá)到最低限度；

（3）具有低的電解質(zhì)擴(kuò)散及水的滲透。在離子膜的兩側(cè)有濃度差，并存在不同的電解質(zhì)時(shí)，還會(huì)發(fā)生電解質(zhì)的擴(kuò)散和水的滲透。而在這電解過(guò)程中Na+離子的遷移，總是伴隨著水的遷移，因?yàn)殡娊赓|(zhì)陽(yáng)離子總是以水化離子形式遷移的，因此無(wú)論是電解質(zhì)的擴(kuò)散量，還是水的滲透量必須控制在規(guī)定范圍來(lái)滿足電解條件；

（4）要有很高的離子選擇透過(guò)性。離子膜的離子選擇透過(guò)性能將影響電解槽的電流效率、直流電消耗和產(chǎn)品純度，電解槽所用的離子膜為陽(yáng)離子交換膜，只能允許陽(yáng)離子通過(guò)，不允許陰離子OH-及Cl-通過(guò)。如Cl-通過(guò)膜滲入陰極室就會(huì)影響NaOH 質(zhì)量，而且對(duì)電極有損壞；若OH-離子滲入陽(yáng)極室則會(huì)降低陽(yáng)極效率，使陽(yáng)極產(chǎn)物氯氣純度降低，在當(dāng)前要求電解液濃度很高的情況下，對(duì)離子膜的選擇透過(guò)性能要求就更高，否則無(wú)法獲得低能耗、高質(zhì)量的產(chǎn)品；

（5）具有足夠的強(qiáng)度與形狀穩(wěn)定性。離子膜要有足夠的強(qiáng)度，以使安裝使用過(guò)程中不會(huì)損壞，在電解過(guò)程中溫度高有壓力情況下和電極產(chǎn)生的氣泡劇烈沖擊，離子膜隨之振動(dòng)，因此必須有足夠的強(qiáng)度和柔性。此外，還要求離子膜在不同條件下膨脹收縮率要低，以免由于膨脹而造成折皺或收縮而引起離子膜破裂；

（6）具有較低的價(jià)格。離子膜要有低的生產(chǎn)成本，低的銷售價(jià)格，才能有高的效益。

2 離子膜出現(xiàn)水泡的原因

（1）當(dāng)陰極液流量過(guò)小、槽內(nèi)陰極液循環(huán)不暢、進(jìn)槽堿液濃度偏高的不良情況發(fā)生時(shí)，都會(huì)造成陰極液（堿）的槽內(nèi)總體濃度或局部濃度過(guò)高，使膜的陰極側(cè)羧酸層相對(duì)于陽(yáng)極側(cè)磺酸層的過(guò)度收縮、層間產(chǎn)生間隙，隨鈉離子交換而遷移的水分子會(huì)在膜內(nèi)積存而產(chǎn)生水泡；另外，在某些形式的電解槽運(yùn)行過(guò)程中，由于雙金屬效應(yīng)，在膜的中部位置電極間的距離變小，在膜的上部分電解液的氣液比也會(huì)比其他地方大。這就造成了在膜的中部偏上的地方電流密度會(huì)略大于其他地方。質(zhì)量不良的電解槽，當(dāng)電極網(wǎng)面不平時(shí)，同樣會(huì)造成電流密度分布不均勻的可能。電流密度高的地方出水泡的可能性要高于電流密度低的地方，而且氣液比大的上部分還有出現(xiàn)針孔的可能；

（2）當(dāng)陽(yáng)極液（鹽水）流量過(guò)小、相對(duì)電流密度過(guò)大、進(jìn)槽鹽水本身濃度較低、槽內(nèi)陽(yáng)極液循環(huán)不暢等不良情況發(fā)生時(shí)，都會(huì)造成陽(yáng)極液（鹽水）的槽內(nèi)總體濃度或局部濃度過(guò)低，使膜的陽(yáng)極側(cè)磺酸層相對(duì)于陰極側(cè)羧酸層的過(guò)度收縮、層間產(chǎn)生間隙，低濃度的陽(yáng)極液（鹽水）含水量高，隨鈉離子交換而遷移的水分子增加，會(huì)在膜內(nèi)積存而產(chǎn)生水泡；

（3）當(dāng)陽(yáng)極液酸度多大時(shí)，離子膜會(huì)被酸化，使膜的陽(yáng)極側(cè)磺酸層組織被破壞，磺酸層膨脹、羧酸層收縮，兩層分離，在分離處出現(xiàn)水泡，使膜產(chǎn)生水泡；

（4）陽(yáng)極液溫差過(guò)大時(shí)，膜兩面?zhèn)鹊氖湛s差異過(guò)大，膜產(chǎn)生分層，隨鈉離子交換而遷移的水分子在膜內(nèi)積存而產(chǎn)生水泡；

（5）膜兩側(cè)壓差不良使膜受振動(dòng)，出現(xiàn)針孔。而正壓差過(guò)大時(shí)產(chǎn)生水泡；

（6）出現(xiàn)了負(fù)壓差，膜磨損出現(xiàn)針孔。微小的水泡長(zhǎng)時(shí)間后也會(huì)發(fā)展成針孔；

（7）正壓差過(guò)大，在膜與陽(yáng)極過(guò)分壓緊的部分鹽水供應(yīng)出現(xiàn)了問(wèn)題。在這個(gè)部分實(shí)際上是電解了很稀的鹽水，這是會(huì)產(chǎn)生水泡的。同時(shí)，在這個(gè)地方一部分水被電解，產(chǎn)生的氫離子使得膜被酸化，從而加劇了水泡生成。

3 離子膜出現(xiàn)水泡的預(yù)防措施

（1）控制好進(jìn)槽堿液流量和濃度，進(jìn)槽堿液濃度不能偏高。進(jìn)槽陰極液循環(huán)流量一般控制為單元槽數(shù)乘以0.3 m2，陰極堿液濃度是由電解槽的運(yùn)行電流、電解電流效率、純水的加入量、進(jìn)槽堿液流量和濃度等運(yùn)行條件來(lái)決定的。在電流升降的過(guò)程中，DCS 系統(tǒng)會(huì)根據(jù)運(yùn)行電流和出槽堿液濃度串級(jí)控制適量純水從堿液高位槽至電解槽之間的循環(huán)管路加入。正常運(yùn)行時(shí)上述陰極液循環(huán)可以保證出槽堿液濃度控制在工藝要求的30%～32%左右；送到額定電流后，純水的加入量根據(jù)在線密度計(jì)的測(cè)定值進(jìn)行控制。而當(dāng)堿液濃度過(guò)高或過(guò)低時(shí)，一般是循環(huán)管路系統(tǒng)的陰極循環(huán)量或純水添加量異常所致，過(guò)高的堿液濃度也是造成膜起泡的重要原因之一；

（2）控制進(jìn)槽鹽水的流量和濃度，進(jìn)槽鹽水濃度穩(wěn)定在290～300 g/L。保證出槽陽(yáng)極液中NaCl 的質(zhì)量濃度穩(wěn)定在210～220 g/L，至少不低于190 g/L。入槽鹽水酸度控制在＜0.15 mol/L，出槽鹽水pH 值控制在2.5～4.5；

（3）盡可能減少開(kāi)停車次數(shù)和短時(shí)間調(diào)整運(yùn)行電流。在正常操作過(guò)程中，離子膜水的滲透處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，若頻繁開(kāi)停車和調(diào)整運(yùn)行電流，離子膜難以建立穩(wěn)定的平衡，引起膜內(nèi)含水量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，縮短膜的使用壽命；

（4）合理控制陰、陽(yáng)兩側(cè)壓差，避免出現(xiàn)負(fù)壓差。高電密自然循環(huán)離子膜電解槽的運(yùn)行壓力和壓差是靠氣相壓力來(lái)控制的。在開(kāi)停車階段和正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)正確利用氯氫壓力調(diào)節(jié)閥，使電解陰極系統(tǒng)壓力始終大于陽(yáng)極壓力，保證槽內(nèi)陰陽(yáng)極室壓差在4 kPa 左右。過(guò)大的壓差會(huì)使極網(wǎng)變型、極距增大、離子膜受損和電壓上升甚至發(fā)生重大的設(shè)備安全事故。而反向壓差更會(huì)使槽溫和電壓大幅上升及造成膜和陰極網(wǎng)的損傷，過(guò)高的壓力和壓差以及反向壓差都會(huì)引起連鎖緊急停車。壓差連鎖高高值和低低值是電解界區(qū)陰陽(yáng)極系統(tǒng)壓差控制設(shè)定值加減5 kPa；

（5）逐步調(diào)整離子膜裝置工藝技術(shù)參數(shù)，控制指標(biāo)的準(zhǔn)確性，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際修改，使之更適合生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

離子膜是離子膜電解槽中最核心的部件之一，學(xué)會(huì)正確操作使用離子膜很重要。離子膜價(jià)格昂貴，如何延長(zhǎng)離子膜使用壽命，提高燒堿產(chǎn)量和質(zhì)量，提高電流效率，降低燒堿成本，對(duì)每個(gè)企業(yè)說(shuō)都是至關(guān)重要的。