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(xué)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(biāo)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(yīng)，而來自于膜本身的電壓降（結(jié)構(gòu)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(tuán)，對Na+有高度的選擇性而排斥OH-；較厚的一層主要起機(jī)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(gòu)電壓。結(jié)構(gòu)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(guān)。較厚的膜結(jié)構(gòu)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(gòu)電壓高，當(dāng)涂層受到破壞時也會使結(jié)構(gòu)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(jìn)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(biāo)，使鎂在膜上的沉積量達(dá)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(yán)重。當(dāng)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(dá)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(xì)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(jī)碳。鹽水中總有機(jī)碳（TOC）含量應(yīng)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(jī)物含量達(dá)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(jī)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(guān)。Si伴隨電解過程的進(jìn)行進(jìn)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(jī)物，則可能使陰極液產(chǎn)生泡沫，也會損傷離子膜。此類有機(jī)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(xì)菌或霉菌。

1.3 離子膜的機(jī)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(dá)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(jìn)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(dāng)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(dāng)溫度也過高時，離子膜會發(fā)生過度膨脹，即“腫脹”。“腫脹”是不可逆的，能夠?qū)δぴ斐捎谰眯該p害，進(jìn)而增加電解通過膜的電壓降。

1.4 離子交換基團(tuán)損失

當(dāng)陽極液pH太低時，離子膜中的離子交換基團(tuán)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(jī)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(jī)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(shè)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(dǎo)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(dāng)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(yán)格按規(guī)定進(jìn)行操作和維護(hù)，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。