不同因素對離子膜電解槽電壓的影響

劉存玉

（淄博職業(yè)學院制藥與生物工程系，山東 淄博 255314）

離子膜電解槽的槽電壓是反映電解裝置運行狀況好壞的主要指標之一，直接影響電解產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。影響槽電壓的因素很多，主要涉及離子膜、電解液及其雜質(zhì)、陰陽極等，下面分別對這些因素加以概要分析。

1 離子膜

1.1 離子膜的內(nèi)在阻力

電解槽運行中的電壓降主要來源于電解反應，而來自于膜本身的電壓降（結(jié)構電壓）約占電解槽總電壓降的十分之一甚至更多。大多數(shù)氯堿離子膜是由組成和性能不同的2層膜壓制而成的，其中較薄的一層含有高密度的離子交換基團，對Na+有高度的選擇性而排斥OH-；較厚的一層主要起機械加固作用，但膜的大部分電壓降發(fā)生在該層。膜的一面或兩面都有涂層，以利于電解中氣體的釋放，同時有利于降低結(jié)構電壓。結(jié)構電壓的高低與離子膜類型、厚度、使用場合、制作材料和涂層有關。較厚的膜結(jié)構電壓較高，同樣的膜用于KCl電解往往比用于NaCl電解的結(jié)構電壓高，當涂層受到破壞時也會使結(jié)構電壓升高。

1.2 膜表面和膜中雜質(zhì)的沉積

陽極液（鹽水）和陰極液（堿液）中的雜質(zhì)能夠沉積在離子膜表面和內(nèi)部，堵塞離子交換通道，增加電解阻力，可使槽電壓升高，影響程度取決于雜質(zhì)類型和沉積位置。

1.2.1 來自于陽極液的雜質(zhì)

鹽水中常見雜質(zhì)有鈣、鎂和鎳，較為少見的是鋁、硅、鋇等。雜質(zhì)的溶解性往往決定其沉積位置：溶解性較低的雜質(zhì)的沉積位置更靠近離子膜的陽極側(cè)面，而溶解度較大的雜質(zhì)則可遷移到膜的陰極側(cè)面。

（1）鈣。Ca2+的可溶性相對較大，能夠進入膜內(nèi)較深的位置，趨于在陰極液側(cè)的膜表面內(nèi)沉積，破壞膜表面的連續(xù)性，降低了膜對陰離子的排斥能力，增加電解的電壓降。

（2）鎂。Mg2+趨于在膜陽極液側(cè)面沉積。如果鹽水Mg2+含量超標，使鎂在膜上的沉積量達到或超過0.01 g/dm3，就可使槽電壓升高 0.1～0.2 V。

（3）鎳。Ni的沉積引起的槽電壓上升最嚴重。當膜中鎳含量為0.001～0.002 g/dm3時，可使槽電壓升高0.1 V，含量在0.005 g/dm3時，槽電壓升高值甚至能達到0.3 V。工業(yè)上一般要求電解鹽水中鎳含量不高于1×10-5g/dm3，但即便是低到這個程度，其在膜中的逐漸沉積也會緩慢引起槽電壓的升高。

（4）鋁和硅。Al含量低于 1×10-4g/dm3，SiO2含量低于0.01 g/dm3時不會引起槽電壓升高，但更高的含量可能使電壓升高0.05～0.1 V。

（5）鋇。Ba通常是以高碘酸鋇的形式沉積的，存在2種沉積狀態(tài)：其一是以細小顆粒分散沉積在靠近膜的陽極面內(nèi)側(cè)；其二是以一條濃縮沉積帶形式在接近膜的陰極表面沉積。前者能使電壓升高0.05 V左右，后者一般僅影響電流效率。

（6）總有機碳。鹽水中總有機碳（TOC）含量應控制在0.01 g/dm3以下，含量過高可能對膜造成傷害，如果某種有機物含量達到使鹽水出現(xiàn)泡沫的程度，就會引起離子膜的部分脫水甚至機械損傷 （如鼓泡），使膜電阻增大。

1.2.2 來自于陰極液的雜質(zhì)

鐵、鎳和硅是陰極堿液中的常見雜質(zhì)。

Fe一般來源于鋼制陰極液循環(huán)管路或鋼制陰極板，而Ni常常由鎳陰極的腐蝕所產(chǎn)生。雜質(zhì)Si通常以氧化硅的形式存在，一般來自配堿用水。

在電解停車期間，F(xiàn)e和Ni的離子很有可能在膜內(nèi)產(chǎn)生離子交換，結(jié)果使得重新開車后的槽電壓出現(xiàn)升高，升高值和膜所吸收的這些離子的數(shù)量有關。Si伴隨電解過程的進行進入離子膜，若還有Al存在，則會加重其在膜的沉積，可使槽電壓升高0.05～0.1 V。若陰極液中存在具有表面活性作用的有機物，則可能使陰極液產(chǎn)生泡沫，也會損傷離子膜。此類有機化合物的來源可能是某些塑料材質(zhì)的過濾器、樹脂涂層的浸出物，甚至配制用水中的細菌或霉菌。

1.3 離子膜的機械損傷

（1）鼓泡。在一定堿液濃度下溫度過高或鹽水濃度過低時，可造成離子膜2層局部分離而出現(xiàn) “水泡”。在正常操作狀態(tài)，直徑0.001～0.002 m的水泡不會引起電壓上升，大的水泡可使電壓升高達0.05 V；

（2）針孔。針孔一般是指直徑0.001 m以內(nèi)的貫穿離子膜的小孔，鼓泡也是產(chǎn)生針孔的主要原因。若出現(xiàn)針孔的范圍不大，則對電壓無明顯影響；

（3）離子膜脫水。為了使離子交換能夠進行，離子膜中保持有一定的水分。如過高的堿濃度、過高的鹽濃度和過低的溫度，能夠使膜的含水量降低到在膜的內(nèi)部出現(xiàn)鹽結(jié)晶的程度，這就是膜的脫水。膜的脫水對膜造成永久性破壞，使電解阻力增大，并引起電流效率下降；

（4）離子膜腫脹。當堿液濃度降低時，膜會吸收水分產(chǎn)生膨脹。在正常的濃度范圍內(nèi)，這一膨脹過程是可逆的，不會對離子膜造成明顯損害。但是，如果堿液濃度過低，尤其當溫度也過高時，離子膜會發(fā)生過度膨脹，即“腫脹”?！澳[脹”是不可逆的，能夠?qū)δぴ斐捎谰眯該p害，進而增加電解通過膜的電壓降。

1.4 離子交換基團損失

當陽極液pH太低時，離子膜中的離子交換基團會被質(zhì)子化（即Na+被H+置換），某些金屬陽離子雜質(zhì)也會對膜造成類似的破壞引起一定程度的電壓上升。

2 電解液

陽極液（鹽水）和陰極液（堿液）在電解槽內(nèi)的液層厚度、溫度和濃度對槽電壓均有影響，見表1。

表1 陽極液和陰極液對槽電壓的影響

陽極液和陰極液中的雜質(zhì)可通過在離子膜表面或內(nèi)部的沉積（如前所述），或在電極上的沉積等使槽電壓升高。

3 陽極

制作離子膜電解槽陽極的基底材料是鈦，在表面涂有某種活性金屬氧化物。某些有機物或金屬（鋇、鐵等），以及鹽水中的雜質(zhì)都能在陽極上沉積，可使陽極上的活性點失效；鹽水中氫氧化物含量高也會將涂層溶解掉，這些都會使陽極過電壓升高。其中，氫氧化物濃度高可由以下原因?qū)е拢耗び嗅樋住翰钸^大、電槽不緊等。陽極的鈦基質(zhì)可因機械損傷或腐蝕發(fā)生鈍化，從而也會引起陽極過電壓上升。

4 陰極

離子膜電解槽陰極制作材料可以是碳鋼 （適用于濃度＜25%NaOH的生產(chǎn)）、不銹鋼、鎳或活化鎳。

在電流密度為3 kA/m2時，活化鎳陰極的設計過氫電壓比普通鎳陰極低0.2 V左右。汞和鉛等重金屬可使陰極中毒，由此可導致其過電壓升高。其他因素如雜質(zhì)鐵等在陰極表面的沉積、臟污、反向電流造成的陰極失活，都能使其過電壓升高。

5 電接觸點

當電解槽的電接觸點 （電極連接件和槽內(nèi)接點等）因氧化、腐蝕、臟污等出現(xiàn)接觸不良時，會增大觸點電阻，引起槽電壓升高。

6 結(jié)語

盡管影響離子膜電解槽電壓的因素很多，但其中大部分是可控或可避免的。這就要求嚴格按規(guī)定進行操作和維護，對運行中出現(xiàn)的異常狀況及時發(fā)現(xiàn)、及時處理，從而最大限度地減少甚至消除槽電壓的升高及其對生產(chǎn)的不良影響，延長膜和電解槽的正常使用壽命。