Nafion 982WX膜的運(yùn)行特點(diǎn)

邱滿意，劉 霞

（揚(yáng)農(nóng)化工集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009）

Nafion 982WX膜的運(yùn)行特點(diǎn)

邱滿意，劉 霞

（揚(yáng)農(nóng)化工集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009）

介紹了揚(yáng)農(nóng)化工集團(tuán)有限公司6萬(wàn)t/a離子膜燒堿裝置的離子膜使用情況，分析了N982WX膜的運(yùn)行特點(diǎn)。

Nafion 982WX膜；抗污染；強(qiáng)度；生產(chǎn)成本

揚(yáng)農(nóng)化工集團(tuán)有限公司于2003年9月離子膜電解生產(chǎn)裝置投產(chǎn)運(yùn)行，目前，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)參數(shù)基本正常。電解槽是伍迪公司型號(hào)為BM2.7-112的自然循環(huán)電解槽，使用DuPont公司的Nafion系列膜，其特點(diǎn)是強(qiáng)度高的離子膜的膜壓較高，強(qiáng)度低的離子膜的膜壓較低，N982WX離子膜的強(qiáng)度與膜壓基本介于所有膜的中間。

基于上述情況，該公司在2008年3月A/B槽換膜之前，一直使用Nafion 982WX膜，其為磺酸/羧酸增強(qiáng)復(fù)合膜。從裝置運(yùn)行情況來(lái)看，N982WX膜有以下運(yùn)行特點(diǎn)：（1）比較適合在高電流密度下運(yùn)行；（2）抗污染能力強(qiáng)；（3）機(jī)械強(qiáng)度大，抗模不裂；（4）幾乎無(wú)針孔現(xiàn)象；（5）初期的膜壓略高，但是變化的趨勢(shì)平緩。

1 適合高電流密度下運(yùn)行

裝置運(yùn)行的電流密度比較高，最高為5.5 kA/m2，正常的運(yùn)行電流密度為4.6 kA/m2。總體來(lái)看，短時(shí)間內(nèi)頻繁升降電流，膜運(yùn)行的性能參數(shù)不佳，穩(wěn)定后，膜運(yùn)行性能參數(shù)有所恢復(fù)。但是在高電流密度下，對(duì)進(jìn)槽鹽水質(zhì)量要求較高，指標(biāo)見(jiàn)表1。

隨著電流密度的提高，進(jìn)槽鹽水的流量加大，在相同的時(shí)間里，若要求相同的膜面積上雜質(zhì)的沉淀量不變，只能提高進(jìn)槽鹽水質(zhì)量。假設(shè)二次鹽水中雜質(zhì)總量為1×10-6，并全部沉積在膜上，以膜的壽命3 年為限，陽(yáng)極液鹽水中的雜質(zhì) 200～250 kg/（d·m2），可以計(jì)算得出3年總共約有250 g/m2的雜質(zhì)沉積在膜上，膜的重量約為400 g/m2，由此可見(jiàn)，減少膜上雜質(zhì)最有效的方法是提高鹽水質(zhì)量。

鹽水二次精制采用的是雙塔工藝，在理論上可以滿足生產(chǎn)需要，但實(shí)際生產(chǎn)時(shí)不可避免有一次鹽水質(zhì)量波動(dòng)和異常情況，特別是在一次鹽水生產(chǎn)過(guò)程中過(guò)濾器出現(xiàn)異常情況時(shí)，會(huì)對(duì)二次鹽水的質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。

表1 不同電流密度下進(jìn)槽鹽水的質(zhì)量指標(biāo)

2 抗污染能力強(qiáng)

圖1為二次鹽水中鈣含量的統(tǒng)計(jì)情況。

從圖1中可以觀察到二次鹽水質(zhì)量有波動(dòng)，尤其是2006年3-5月，二次鹽水雜質(zhì)含量經(jīng)常超標(biāo)，有時(shí)候Ca2+的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60×10-9，但N982WX表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗污染能力。從電槽的反應(yīng)來(lái)看，總槽電壓（112個(gè)單元槽）上升約3 V左右。鹽水質(zhì)量得到優(yōu)化后，膜的運(yùn)行恢復(fù)正常，雖然槽電壓沒(méi)有下降，但是槽壓沒(méi)有繼續(xù)上升的趨勢(shì)。此時(shí)為了最大限度地降低對(duì)膜的危害，可以適當(dāng)降低電流密度來(lái)維持電槽的正常運(yùn)行，然后再檢查鹽水惡化的原因。杜邦公司要求碘指標(biāo)為200×10-9，而實(shí)際上一直維持在400×10-9以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了指標(biāo)的要求。二次鹽水中碘離子含量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖2。

碘對(duì)膜的影響主要是降低電流效率，以碘酸根（IO-3）存在于陽(yáng)極側(cè)的膜上，并在膜內(nèi)以高碘酸根存在（IO-4），以陰離子形式累積，超過(guò)1×10-6能與鈉形成沉淀，低于1×10-6能與鋇、鈣形成沉淀，隨著時(shí)間的推移，槽電壓會(huì)上升。但是從運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，膜對(duì)碘有一定的耐受性。總之，在陽(yáng)離子和陰離子雜質(zhì)的共同影響下，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與外方公司的理論公式比對(duì)槽電壓的變化趨勢(shì)。

理論上，根據(jù)外方提供的單元槽電壓計(jì)算公式：

式中：V0=2.48 V （DN 槽）；Kf為常數(shù) （90℃以下為0.15 V）；I為電流密度，kA/m2。

根據(jù)外方公司提供數(shù)據(jù)，按陰/陽(yáng)極極電壓上升20～30 mV/a，膜電壓上升 30～35 mV/a 計(jì)算，取陰/陽(yáng)極極壓上升20 mV/a，膜電壓上升30 mV/a，2003年10月至2008年1月，約四年半期間總槽電壓可上升25.2 V，平均每年上升5.0～6.0 V。

2003年與2004年數(shù)據(jù)比較，同等電流密度上升的槽電壓（112單元槽）維持在6 V左右（新槽開(kāi)車(chē)數(shù)據(jù)槽壓低）2005年2月槽電壓360 V，2006年3月槽電壓364 V，同比上升4 V。

以上2年，槽電壓上升的幅度基本與理論上升的槽電壓相等，說(shuō)明電槽的運(yùn)行情況基本上是正常的。但是2006年因1-5月二次鹽水質(zhì)量多次出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，致使槽電壓上升3 V，自6月以后，鹽水質(zhì)量趨于穩(wěn)定，槽壓基本上無(wú)上升趨勢(shì)。從目前統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，膜已經(jīng)運(yùn)行4.5年，總槽電壓（112單元槽）約上升22.5 V（這里面包含陰/陽(yáng)極片老化造成電壓上升和膜上的雜質(zhì)造成電壓上升），與理論上槽電壓上升相當(dāng)。

3 機(jī)械強(qiáng)度大，抗撕裂能力強(qiáng)

離子膜不但要發(fā)揮其優(yōu)良的電化學(xué)性能，還要有良好的機(jī)械性能。膜運(yùn)行的環(huán)境是高溫、高電流、有氣體的劇烈沖擊；陽(yáng)極側(cè)是高純度的氯氣、氯水，陰極側(cè)是高溫、強(qiáng)堿，有時(shí)還要承受氯氣、氫氣壓差頻繁波動(dòng)，緊急停車(chē)時(shí)的劇烈沖擊等。N982WX膜獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，適用于上述諸多惡劣的條件，最主要的原因?yàn)槟さ谋旧磔^厚 （這就是運(yùn)行初期槽電壓比同類(lèi)膜壓較高的原因），強(qiáng)度高，從安全角度分析是很有必要的。該公司在離子膜運(yùn)行初期，因?yàn)檎鳌㈦娖鳌x表、設(shè)備等原因，平均每年有12次左右的緊急停車(chē)，造成膜不斷地在陰／陽(yáng)極間振動(dòng)、摩擦。同時(shí)頻繁地升降電流，升降電槽溫度，每次停車(chē)后再開(kāi)車(chē)，電槽的各項(xiàng)參數(shù)并沒(méi)有太大的變化。目前，隨著對(duì)裝置的逐步認(rèn)識(shí)，每一年非計(jì)劃停車(chē)3次左右。

4 無(wú)針孔現(xiàn)象

一般離子膜運(yùn)行二三年之后經(jīng)常大面積出現(xiàn)針孔現(xiàn)象，有時(shí)嚴(yán)重腐蝕槽體和陰陽(yáng)極片。而杜邦N982WX膜，從電解槽解體來(lái)看，陰陽(yáng)極的涂層無(wú)損傷，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)膜泄漏現(xiàn)象，電槽的堿中含鹽平均為35×10-6左右，氯中含氫為零，陽(yáng)極液的pH值維持在4.2左右 （電槽進(jìn)槽鹽水沒(méi)有加酸），因此，N982WX膜的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的。

[1]程殿斌，陳伯森，施孝奎.離子膜法制堿生產(chǎn)技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

[2]NAFION全氟膜用戶使用說(shuō)明書(shū).DUPONT公司出版社，1991.

[3]干成軍.29DN350型離子膜電解槽槽電壓升高原因剖析.氯堿工業(yè)，2006（7）：17-20.

Operation characteristic of Nafion 982WX type ionic membrane

QIU Man-yi,LIU Xia
(YangNong Chemical Group Co.,Ltd.,Yangzhou 225009,China)

The application of ionic membrane in 60 kt/a caustic soda device was introduced.The operation characteristic of Nafion 982WX type ionic membrane was analyzed.

Nafion 982WX type ionic membrane;anti-pollution;strength;production cost

TQ114.26

B

1009－1785(2010)12－0005-02

2010-04-26