造成離子膜出現針孔和陰極起泡的原因分析及預防措施探討

董辰生，高紅榮，黃玉偉

（1.山東東岳高分子材料有限公司，山東淄博256401；2.東岳集團有限公司技術中心，山東桓臺256401）

造成離子膜出現針孔和陰極起泡的原因分析及預防措施探討

董辰生1，2，高紅榮1，2，黃玉偉1，2

（1.山東東岳高分子材料有限公司，山東淄博256401；2.東岳集團有限公司技術中心，山東桓臺256401）

介紹了離子膜的特性，分析了造成離子膜起泡和出現針孔的原因并提出了相應的解決方法。

離子膜電解槽；離子膜；鼓泡

離子膜的使用壽命是決定氯堿裝置運行好壞的重要標準。離子膜能否長期穩定的運行，主要取決于使用結構是否合理，離子膜電槽電極涂層是否均勻平整，是否因操作失誤造成離子膜損傷，造成離子膜出現針孔和起泡，使膜產生永久性損害。因此，了解造成膜出現針孔和水泡的原因，以便延長離子膜壽命，提高離子膜的安全運行水平。造成離子膜出現起泡和針孔原因見表1。

表1 造成離子膜出現起泡和針孔原因

1 層間壓力高導致層間分離

（1）離子膜質量

全氟磺酸樹脂與全氟羧酸樹脂存在一定的不相容性，當所用的2種全氟樹脂的離子交換容量等電化學性能不相匹配時，在電解過程中由于2種基膜的離子遷移數差異過大，以及在2種基膜之間水滲透量不平衡而產生較大的內應力，都會引起復合膜層的起泡與剝離，見圖1。因此，選用2種相容性匹配的全氟樹脂薄膜進行復合，從而獲得層間粘接強度較高的全氟離子復合膜[1]。

圖1 復合模層間起泡示意圖

（2）膜的方向裝反

由于Na+在磺酸層的移動量小于在羧酸層的移動量，離子膜一旦裝反，在電解的過程中會在磺酸層和羧酸層之間形成Na+富集區，使磺酸層和羧酸層變形增大產生分層。另外由于陰極側壓力大于陽極側，造成兩側滲透壓不同，使膜產生水泡。因此，離子膜裝反后槽電壓會迅速上升，如果不及時停車，整張膜產生水泡及全部分層。

（3）反向電流

即停車時的“電流效應”，也會導致鼓泡發生。當氯堿電解槽正常運行時，陽極液充滿活性氯/次氯酸根而處于飽和狀態，同時，在電解槽上部的氣體區內包含95%～99%的氯氣，除非電路被打開且活性氯和次氯酸根被從陽極室內清洗掉，否則在陽極上由于氯氣還原為氯化物同時在陰極上金屬被氧化，形成一個原電池。這一電路由一個反向流動的金屬離子流，通常是鈉離子加上從陰極液流向陽極液的附著水而完成。結果是陰極受到腐蝕，膜的阻力增加，電壓升高，這一反向電流造成膜鼓泡現象的發生。因此，在停車期間及時投入極化電流并用原料鹽水沖洗陽極室，降低電槽溫度到70～75℃是非常有益的，見圖2。

圖2 離子膜電解槽停車時的控制條件

（4）陽極液消耗過度和陰極液流量過小

陽極進液流量過低，在陽極液中NaCl的質量濃度偏低，相對電流密度過大，造成陽極液內的濃度過低含水量高，隨Na+交換遷移的水分子就會增加，磺酸層輸水量大于羧酸層輸水量，使離子膜的陽極側磺酸層相對于陰極側羧酸層過度膨脹，就會在離子膜內產生水泡。

陰極液流量過小，造成電解槽內總體濃度或局部濃度過高，由于羧酸層隨NaOH濃度的升高水遷移量會減少，磺酸層相對遷移量較大，使離子膜陰極側羧酸層相對于陽極側磺酸層的過度收縮，使磺/羧界面產生很大的壓力，隨Na+交換而遷移的水分子就會在離子膜內積存產生水泡。

2 傳導不充分導致針孔

（1）電解槽的結構及質量

單元槽結構設計關系到膜面脫鹽層中液體流動情況。對單元槽結構有特殊的要求，能使電解槽中快速釋放出氯氣，以防滯留在陽極室內的氯氣，能與自陰極室濃差擴散來的NaOH反應，而在膜內生成NaCL結晶，造成膜內出現針孔、水泡及龜裂現象。電解單元槽在使用中會出現加強筋板異常，陰陽極面突起、凹陷，極網焊點開焊，就要及時修補更換，以免造成離子膜起泡和出現針孔。

（2）膜的安裝操作不規范

首先要對陰陽極墊片進行規范粘貼，如果粘貼不規范極易給離子膜造成鹽泡，發生針孔。離型劑和黏結劑涂抹過多，多余部分附著在離子膜上也會出現鹽泡和針孔。裝膜時不能出現張膜松弛不均，否則離子膜會產生皺褶發生龜裂，嚴重會發生針孔，見圖3。

圖3 墊片安裝不當形成鹽泡示意圖

（3）陽極液酸度過大

氯堿離子膜的離子交換基是Na型的（－COONa）與Na+是易于結合和離解，具有優良的導電性能，若陽極液酸度多大時，陽離子H+進入膜中與交換基結合，使羧酸層（－COOH）質子化失去導電性能，最終出現針孔使膜不能使用。

（4）鹽水或堿液溫度過低或者濃度過高

陰陽液溫差過大時，離子膜兩面側的磺酸和羧酸收縮差異過大，使膜產生分層，水分子在分層處積存而產生水泡。陰極室堿液濃度過高，羧酸膜層內的含水率相比磺酸層變的更低，羧酸層內水的遷移量大減，磺酸層和羧酸層之間水的遷移量差增大，對磺酸/羧酸界面產生很大的壓力，磺酸/羧酸層間剝離（分、層），形成水泡。

（5）局部電流密度過大

局部電流過大物料輸送量增加，膜的內側壓力增大，超過磺酸和羧酸黏合強度，膜就會起泡。

（6）陽極側受遮擋

在陽極網格較寬的地方，鹽水的流動會受到阻礙，在被電極網格遮蓋區鹽水濃度會降低，從而發生鹽水濃度過低而導致膜上水泡的產生，因此陽極網格寬度要適度[2]，見圖4。

圖4 電極的遮蔽效果

3 羧酸層沉淀物導致孔隙

雜質進入離子膜：陽離子在電場力的作用下進入膜中；中性或兩性的雜質隨著水的遷移進入膜中；陰離子隨著水的遷移進入膜中等，但是，由于電場力的作用，其進入的速度很慢。

進入離子膜的雜質將會沉積在膜的陽極側表面，透過膜取代鈉離子沉積在膜里面（其所沉積的位置和顆粒的大小決定了其對離子膜性能的影響）。同時，雜質也有可能對電極的活性造成影響，雜質會以氫氧化物、鹽或復合鹽的形式沉積下來，其沉積物的溶解度決定了其沉積的位置、顆粒大小及其影響[3]。如果雜質沉積在靠近離子膜的陰極側表面的位置，那么會對膜造成機械損傷并導致電流效率下降；如果沉積在膜中，那么將會導致電壓上升。雜質造成的影響將會累積，即使雜質的量不大，長期作用也會對膜造成巨大影響。各種雜質在膜內沉淀位置和對膜的性能影響見表2。

表2 各種雜質在膜內沉淀位置和對膜的性能影響

4 預防措施

離子膜起水泡的原因很多，最根本的原因是水量超過膜輸送能力，使膜分層，造成膜起泡，所以陽極鹽水濃度的控制、陰極電解液濃度的控制，壓差、停車次數、極化電流、槽溫、電流密度、膜裝反等操作以及墊片的安裝很多因素及選擇適合本電解槽電流密度不相匹配的離子膜都會造成膜起泡[4]。

為了能使氯堿離子膜在高性能，長周期下正常使用，除了優化電解槽與電極結構設計，使離子膜能在較佳的電解工藝條件下運行外，更重要的是嚴格執行電解操作規程及發生異常情況時應急處理，以避免和減少對離子膜的損傷，對此，應引起足夠的重視。才能提高膜效率，杜絕離子膜出現針孔和水泡。

［1］王學軍，王 婧，張永明．氯堿離子膜的水傳遞和水通量．氯堿工業，2014，50（1）：18－23.

［2］程殿彬，陳伯森，施孝奎．離子膜法制堿生產技術．北京；化學工業出版社，1998．

［3］董辰生，王學軍，張永明．氯堿離子膜國家標準GB/T 30297－2013解讀．氯堿工業，2015，51（4）：9－13.

［4］王學軍，于昌國，王 婧，等．國產氯堿離子膜工業應用與研究進展．中國氯堿，2012，6：1－4．

Cause analysis and prevention measures of the pinhole in the running of the ion film and the reason of the foaming of the cathode

DONG Chen-sheng1，2，GAO Hong-rong1，2，HUANG Yu-wei1，2
（1.Shandong Dongyue Polymer Material Co.,Ltd.,Zibo 256401，China；2.Technology Center of Dongyue Group Co.Ltd，Huantai 256401，China；）

The characteristive of ionic membrane were inttroduced，analysis the cause of ionic membrane bubbles and pinhole，and proposes the corresponding methods

ionic membrane electrolyzer；ionic membrane；bubbling

TQ114.26+2

B

1009－1785(2016)12-0015-03

2016-05-31