降低離子膜電解槽電壓的方法

霍文靜

(石河子天域新實化工有限公司，新疆 石河子 832000)

隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，氯堿企業(yè)采用離子膜法裝置制備燒堿，大大提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，為提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益奠定良好的基礎(chǔ)。

1 離子膜工藝簡介

從一次鹽水送過來的精鹽水經(jīng)過樹脂塔進(jìn)行二次精制，精制后的鹽水通過高位槽送入電解槽。氯化鈉被電解成鈉離子和氯離子。氯離子在陽極室放電轉(zhuǎn)變?yōu)槁葰?。同時，鈉離子通過離子交換膜移到陰極室。陽極液被送到陽極循環(huán)槽，氯氣進(jìn)入陽極循環(huán)槽頂部，然后送到氯氫處理工序。淡鹽水從陽極循環(huán)槽排出并送到脫氯工序進(jìn)行脫氯。陰極液通過陰極高位槽，進(jìn)入電解槽的入口總管，產(chǎn)出氫氣和燒堿。液體被送到陰極循環(huán)槽，送到片堿工序，氫氣進(jìn)入陰極循環(huán)槽頂部，然后送到氫處理工序。

離子膜電解的化學(xué)方程式及原理如下。

總反應(yīng)式：

2NaCl+2H2O=Cl2↑+H2↑+2NaOH。

2 利用設(shè)備改造來降低電解槽電壓

離子膜電解槽的槽電壓升高與降低均受電解槽的結(jié)構(gòu)及離子膜的各種操作條件的影響。在離子膜電解槽生產(chǎn)過程中，降低電解槽電壓及電耗，提高電流效率，對整個燒堿生產(chǎn)具有重大意義。

石河子天域新實化工有限公司(以下簡稱“天域新實化工”)以前用有極距的電解槽，離子膜緊貼在陽極網(wǎng)面，與陰極網(wǎng)面大約有2 mm的距離。有極距電解槽槽電壓過高、電流效率下降過快，因此將有極距電解槽改為膜極距電解槽。電解槽陰陽極間距越小，單元槽電壓越低，電耗也越低，在相同的電流密度下，單元槽電壓比一般有極距單元槽電壓大約降0.15 V。

粘貼墊片時嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行。如果墊片位置粘貼不正確，膜易發(fā)生鹽泡，并易發(fā)生針孔。在涂抹膠及黏合劑時，如涂抹過多，流到電解網(wǎng)面附著在膜上，使電解性能下降，也會使槽電壓上升。

裝膜時也要特別注意，膜不能裝反，裝反的話會使整張膜發(fā)生水泡，電解時槽電壓會急劇上升。

換完膜后，電解崗位人員必須每天重新擠壓和鎖定電解槽，持續(xù)7天；每星期重新擠壓和鎖定電解槽，持續(xù)1個月；然后，每個月重新擠壓和鎖定電解槽。由于新墊片比舊墊片厚，彈性大，剛開始運行時，槽電壓會增加，經(jīng)過定期對新墊片的擠壓，越來越縮小極間距，使槽電壓降低。

3 工藝控制操作及注意事項

3.1 陰極液濃度

槽電壓與陰極液中NaOH濃度有關(guān)。隨著NaOH濃度的升高，NaOH含鹽量也隨之下降，膜的電阻隨NaOH濃度的提高而增加，使槽電壓上升。因此，長期穩(wěn)定地控制NaOH最佳濃度是非常重要的。經(jīng)過平時對陰極液濃度及槽電壓的對比和以往控制陰極液濃度的經(jīng)驗，可以得知，將陰極液質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在32.1%～32.4%時，觀察到的槽電壓是最低的，但如果質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過34%，則會使電流效率下降，槽電壓上升。

3.2 鹽水溫度及槽溫

進(jìn)入樹脂塔前鹽水一般控制在(60±5) ℃。低于這個溫度，槽電壓上升，樹脂塔中的螯合樹脂就會失去活性，樹脂的交換能力下降 ，電解液和膜的電阻會隨著它們溫度的上升而降低。

提高槽溫的辦法就是提高鹽水的溫度，溫度上升，使膜的孔隙增大，有利于提高膜和電解液的導(dǎo)電度，降低溶液電壓降，從而降低槽電壓。一般，槽溫上漲1 ℃，單槽電壓會降低10 mV。在實際電解中，在90 ℃時觀察到的槽電壓最低，但如果槽溫高于90 ℃時，水的蒸發(fā)量增加，導(dǎo)致氣液比率增加，使槽電壓上升。

3.3 電流密度對槽電壓的影響

槽電壓降直接受到電流密度的影響，一般來說，槽電壓與電流密度成正比，一張離子膜的面積為2.7 m2，電流密度為4.5 m2/kA，則理想電流為2.7×4.5=12.15 (kA)。如果超過了極限電流密度(電流密度為5.5 m2/kA)，不僅使電壓上升，電流效率下降，而且易使膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到損壞。電流密度不僅影響膜的電壓降，而且影響陽極和陰極的過電壓，影響溶液及導(dǎo)體的電壓降，總的效果是，隨著電流密度的升高，槽電壓也會逐漸升高。

3.4 鹽水中的雜質(zhì)

進(jìn)入電解槽的鹽水質(zhì)量是離子膜制堿技術(shù)的關(guān)鍵，其對離子膜的壽命、槽電壓和電流效率及產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的影響。

離子膜二次鹽水的樹脂塔是為了進(jìn)一步去除精鹽水中的雜質(zhì)，電解時，它們會透過離子交換膜，會同陰極室反遷移過來的OH-反應(yīng)生成不溶性的氫氧化物沉淀，堵塞離子膜，使膜電阻增加，槽電壓上升，膜性能惡化和壽命的縮短。

對膜影響最明顯的是鈣鎂離子，少量的Fe+2和Fe+3主要對槽電壓有影響，對電流效率影響不大，但當(dāng)鹽水中鈣鎂鐵等雜質(zhì)含量增加時，可以明顯地觀察到電流效率下降。長期的鈣鎂鐵等雜質(zhì)含量超過指標(biāo)，將造成膜性能不可逆的惡化，從而縮短膜的使用壽命。因此，在生產(chǎn)中加強(qiáng)檢測能力，提供合格的鹽水(ρ(Ca2+)≤0.02 mg/L，ρ(Mg2+)≤0.02 mg/L，ρ(Fe3+)≤0.02 mg/L)。

3.5 陽極液濃度及pH值

陽極液濃度偏低時會導(dǎo)致電流效率下降，堿含鹽量上升，當(dāng)濃度過低時，膜的含水率增高，導(dǎo)致OH-反滲速度增加，離子膜將會出現(xiàn)鼓泡，過多的鼓泡則導(dǎo)致槽電壓上升和電流效率的下降，如濃度低至某一極限，離子膜則會發(fā)生膨脹、分層，出現(xiàn)針孔，導(dǎo)致膜遭到破壞。陽極液的控制指標(biāo)為205～230 g/L，但是在平時的操作中觀察的陽極液濃度一般控制在210～215 g/L時，槽電壓為最佳值。

當(dāng)今工業(yè)化用的離子膜，絕大多數(shù)是全氟磺酸和全氟羧酸復(fù)合膜。全氟羧酸在有Na+存在的情況下，具有優(yōu)良的性能，如果羧酸基變成了H+型，它就不能作為離子膜工作了，因此必須使陽極液pH值控制在2～4之間，否則膜內(nèi)部就要因發(fā)生水泡而受到破壞，使膜電阻上升，槽電壓就要急劇升高，所以，陽極液加酸不能過量，將陽極液出口酸度控制在0.005 0 mg/L以下，且在單槽電流為4.1 kA以下時，加酸閥自動關(guān)閉，停止加酸。

3.6 電槽壓力及壓差

通過提高電解槽壓力，電解液氣體體積縮小，因氣泡發(fā)生而引起的電解液電阻下降，電解槽電壓降低。壓差有效的降低槽電壓，相反的，負(fù)壓差增加槽電壓，每片增加0.4～0.5 V，在實際操作中，陰極室和陽極室的壓差是4 kPa。若壓差超額，正壓差高于95 kPa時，將使陽極永久變形，極距增大，電壓上升；若壓差過小，不僅易使槽電壓上升，而且，壓差波動頻繁，使膜受到振動而損傷，特別是開停車時，由于操作不當(dāng)，最易出現(xiàn)負(fù)壓差，膜就會緊貼到陰極網(wǎng)面，使膜受到摩擦而損壞，槽電壓上升。所以平時操作中維持壓差在40 kPa左右。

4 結(jié)語

離子膜電解槽的操作關(guān)鍵是使離子膜能夠長期穩(wěn)定地保持較高的電流效率和較低的槽電壓，進(jìn)而穩(wěn)定直流電耗，延長離子膜的使用壽命，盡量避免非計劃停車的次數(shù)，將各項參數(shù)指標(biāo)控制在合格范圍內(nèi)，不因誤操作而使膜受到嚴(yán)重的損傷，同時也能提高產(chǎn)品質(zhì)量。