離子膜電解槽電壓升高因素的探討

黃堯生

（廣西柳化氯堿有限公司，廣西 柳州 545600）

離子膜電解槽在生產(chǎn)中會(huì)經(jīng)常發(fā)生電壓升高的現(xiàn)象，廣西柳化氯堿有限公司離子膜燒堿采用4臺(tái)設(shè)計(jì)能力為10萬t/a的ZMBCH2.7型電解槽及2臺(tái)設(shè)計(jì)能力為5萬t/a日本旭化成NCZ型零極距離子膜電解槽，通過對(duì)這幾臺(tái)電解槽的研究，進(jìn)行槽電壓升高因素分析。

1 槽電壓構(gòu)成

離子膜電解槽的電壓組成部分較為復(fù)雜，具體由膜電壓、理論分解電壓、陽極過（陰極過）電壓、金屬導(dǎo)體電壓及溶液電壓組成。對(duì)槽電壓起到?jīng)Q定作用的因素主要是電流及電流密度，堿液濃度，氣相壓力及氯氫壓差，鹽水的質(zhì)量、濃度、pH值，電槽溫度等都是屬于其工藝控制范疇。

2 槽電壓升高的影響因素

2.1 鹽水中的雜質(zhì)

Ca2+、Mg2+、Fe3+、TOC、ClO-3、SO2-4、Sr2+、Al3+、Ni3+、I-、Ba2+、SiO2和 SS等都屬于鹽水中的含有雜質(zhì)，對(duì)槽電壓來說，不同雜質(zhì)的影響各不相同。如離子膜衡酸表層上的氫氧化物及各種形式的沉淀物對(duì)槽電壓的影響就十分明顯，而對(duì)電解電流效率及槽電壓有同樣影響作用的雜質(zhì)停留在羧酸表層，不會(huì)產(chǎn)生這么明顯的效果。

Fe3+、Ni3+等都是對(duì)槽電壓影響較大，對(duì)離子膜產(chǎn)生影響極大的為Ca2+、Mg2+，鈣離子可以用氫氧化鈣的形式在陰極側(cè)膜的羧基聚合物表面進(jìn)行沉淀，膜表面此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生孔洞和凹坑。以氫氧化鎂形式在離子膜陽極側(cè)進(jìn)行沉淀鎂離子，會(huì)使槽電壓快速升高，所以應(yīng)當(dāng)將鹽水中的Mg2+進(jìn)行含量控制，工藝要求明確規(guī)定，Ca2++Mg2+在槽鹽水中不得超過0.020×10-6。也有相關(guān)文獻(xiàn)記載，鹽水中的Fe3+質(zhì)量超過 0.05×10-6，Ni3+超過 0.01×10-6時(shí)，槽電壓會(huì)出現(xiàn)明顯的升高現(xiàn)象，當(dāng)鹽水中的Al3+大于0.1×10-6，Si4+超過10×10-6時(shí)，所產(chǎn)生的沉淀物槽電壓也有明顯升高的趨勢(shì)。

槽電壓的離子膜電壓水平一旦因鹽水質(zhì)量問題造成電壓升高，就難以在異常消除后再恢復(fù)到之前水平，所以一定要在生產(chǎn)管理上加強(qiáng)戒備，提高對(duì)鹽水質(zhì)量的保障作用。

2.2 電解槽壓差

對(duì)電槽壓差進(jìn)行適當(dāng)保持對(duì)降低電壓有很多好處。因?yàn)橐话汴枠O液的氣液比比陰極液大，所以鹽水電阻通常要比燒堿電阻高，3.5～4.5 kPa為生產(chǎn)中嚴(yán)格控制電槽壓差，讓離子膜向陽極一側(cè)下壓，從而使獲得的槽電壓值較低。手冊(cè)中記載的陽極液與陰極液的電阻率分別為 1.90 Ω·cm 和 0.83 Ω·cm。由于壓差不足，或者負(fù)壓差現(xiàn)象的產(chǎn)生都會(huì)造成槽電壓的明顯升高，如果負(fù)壓差過大，還會(huì)導(dǎo)致離子膜產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象。

2.3 氯氣、氫氣的壓力變化

在電解時(shí)，氯氣為電槽陽極區(qū)產(chǎn)物，氫氣為陰極區(qū)產(chǎn)物，產(chǎn)生對(duì)槽電壓影響作用的是氣泡。目前，一種方法是在離子膜的磺酸層和羧酸層進(jìn)行無機(jī)惰性涂料的表層涂抹，或者用機(jī)械打磨的辦法，讓離子膜的表面變得更加粗化，這種親水性處理方法可以讓氫氣和氯氣所產(chǎn)生的氣泡避免過多的黏連在膜上，這樣便消除了氣泡所帶來的影響；另一種方法可以在工藝控制中，對(duì)較高的氫氣及氯氣進(jìn)行有效控制，讓其縮小氣泡體積，以此來降低槽電壓。通過觀察發(fā)現(xiàn)，氣相壓力每增加5 kPa，便可觀察到不超過0.010 V的槽電壓下降。

2.4 電槽溫度

電槽溫度對(duì)槽電壓的影響是十分明顯的，90℃以下時(shí)，溫度每次得到升高，都會(huì)讓離子膜的膜孔變大，也會(huì)加大其導(dǎo)電性。槽電壓下降時(shí)，溫度一般每上升1℃，槽電壓就會(huì)降低約0.010V；一般在90℃以上溫度的情況下，因?yàn)橛写罅康乃舭l(fā)量存在導(dǎo)致電解液氣液比得到升高，也就提升了槽電壓值。

75～90℃為旭硝子膜比較適合的電槽溫度，86～90℃是杜邦膜的適宜溫度，在電流密度及電流不同的情況下，想要實(shí)現(xiàn)槽電壓的較低狀態(tài)，必須經(jīng)過一定操作溫度的深入確定才可以得到最佳值。在實(shí)際生活及生產(chǎn)中，通常都需要與電槽壓力的影響規(guī)律相互結(jié)合，于電流較低時(shí)進(jìn)行電槽溫度的控制，最好在85～86℃，若是高電流下，最好控制在87℃上下，這時(shí)的槽電壓控制效果是最好的狀態(tài)。

2.5 淡鹽水pH值

進(jìn)槽鹽水加酸可以中和陰極側(cè)遷移到陽極的OH-，減少電解副反應(yīng)，從而起到降低氯氣中含氧量，使電解效率得到保證。通過加速試驗(yàn)得到結(jié)論，當(dāng)?shù)}水pH值＞2的時(shí)候，加酸量是漸漸提升的，這時(shí)的槽電壓會(huì)出現(xiàn)輕微升高的現(xiàn)象，進(jìn)一步加酸到pH值＜2的時(shí)，離子膜會(huì)因?yàn)檫^量的酸而導(dǎo)致酸化，羧酸層也會(huì)因此而產(chǎn)生收縮氧化，這時(shí)的磺酸層和羧酸層之間是剝離關(guān)系，槽電壓出現(xiàn)急速上升，7天時(shí)間就上升了30%。

排除用戶對(duì)氯氣純度需求的基礎(chǔ)前提，讓電槽加酸量保持到較低狀態(tài)，這樣不但可以減少鹽酸的消耗，還能保持槽電壓的較低值。但需要說明的是，這個(gè)時(shí)候一定要對(duì)陽極出口鹽水加強(qiáng)分析，在停車檢修的時(shí)候必須要對(duì)電槽的陽極涂層進(jìn)行仔細(xì)的檢查，因?yàn)橛袝r(shí)加酸不夠也會(huì)造成電極的腐蝕現(xiàn)象，一定要避免這種情況的發(fā)生。

2.6 鹽水濃度和燒堿濃度

燒堿及鹽水濃度可以對(duì)離子膜產(chǎn)生影響，主要是離子膜內(nèi)的含水量會(huì)因鹽水及燒堿濃度的變化而變化，從而產(chǎn)生對(duì)槽電壓的影響。

200～220 g/L是淡鹽水中所需控制的NaCl質(zhì)量濃度范圍，如果偏高的話，離子膜會(huì)發(fā)生收縮，離子膜因?yàn)楹拷档投鴮?dǎo)致槽電壓升高，如果偏低（＜170 g/L），水會(huì)橫穿磺酸層轉(zhuǎn)移到離子膜內(nèi)，從而產(chǎn)生水泡，水泡的產(chǎn)生時(shí)間過久就會(huì)對(duì)離子膜帶來不良影響，造成其破損。進(jìn)槽鹽水通常不宜過高或過低，如果情況不佳，可以采用鹽水流量調(diào)整的應(yīng)急措施，讓電槽生產(chǎn)達(dá)到維持穩(wěn)定的狀態(tài)。

一般情況下，1%的燒堿質(zhì)量變化會(huì)對(duì)槽電壓產(chǎn)生0.014～0.030 V的影響，燒堿的濃度如果過高，會(huì)損失其經(jīng)濟(jì)性，離子膜還會(huì)因此而收縮，帶來槽電壓的升高現(xiàn)象。離子膜會(huì)因?yàn)闀r(shí)間的推移而發(fā)生劣化，一定要及時(shí)對(duì)陰極液進(jìn)行補(bǔ)水調(diào)整，從而在燒堿質(zhì)量得到保證的同時(shí)，將槽電壓穩(wěn)定下來。

3 總結(jié)

通過對(duì)該公司槽電壓的研究與分析得出具體結(jié)論如下。

（1）對(duì)離子膜生產(chǎn)來說，其重點(diǎn)控制內(nèi)容之一是槽電壓，該公司通過對(duì)離子膜電槽開車的長(zhǎng)期探索，通過經(jīng)驗(yàn)的累積，電槽管理水平得到了明顯提高。目前該公司的電槽單元電壓基本保持在較低水平，情況比較穩(wěn)定，電流密度為4 kA/m2，單元電壓低于2.96 V。

（2）加強(qiáng)管理是解決槽電壓升高的根本途徑，為減少生產(chǎn)的波動(dòng)以及對(duì)工藝控制進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)當(dāng)對(duì)電槽壓力及溫度的各項(xiàng)指標(biāo)都進(jìn)行嚴(yán)格控制。

（3）對(duì)槽電壓的影響因素中，鹽水的質(zhì)量問題作用很大，一定要做好原鹽方面的控制，對(duì)于分析檢測(cè)、樹脂塔監(jiān)控等一次鹽水生產(chǎn)方面的環(huán)節(jié)，也應(yīng)當(dāng)做好定期檢查工作，將樹脂補(bǔ)充完善。

（4）對(duì)于槽電壓的異常情況，在處理上應(yīng)采取停車膜試漏檢查、槽電壓生產(chǎn)中監(jiān)控、人工定期手測(cè)普查及儀表實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)控相結(jié)合的辦法，效果較好。