影響離子膜電解槽電壓升高因素分析

權開玉，田玉英

（陜西金泰氯堿化工有限公司，陜西 榆林718199）

在離子膜制堿生產中，槽電壓是電解槽運行性能的重要技術經濟指標，與能耗密切相關，對生產成本有著直接影響，因此在操作中要求盡可能低的槽電壓。 為保證電解槽在較低的槽電壓下穩定運行，對影響電壓的因素進行以下分析。

1 槽電壓的結構

槽電壓的計算公式為：

V=VO+VM+η陰+η陽+IR液+IR金式中，V 表示單槽電壓；VO表示理論分解電壓；VM表示膜電壓；η陰為陰極過電壓；η陽為陽極過電壓；IR液為液體歐姆電壓降；IR金為金屬導體中歐姆電壓降。其中VO是不變的，V 的大小取決于其他項。

2 影響槽電壓的因素

2.1 陰、陽極性能

以前的離子膜較厚，膜電壓高，因強度較高保護了陰陽極涂層。目前，高電流密度電解裝置的自動化程度在運行控制上已有了很大的提高，但是為了降低槽電壓相應配置的離子膜厚度減小，強度較低，因此要求的操作水平較高，一旦運行壓力和壓差失控發生故障，會嚴重損傷離子膜，因此也不能有效地保護陰陽極涂層，甚至破壞性地腐蝕陰陽極基網。

當一個膜壽命周期運行以后， 即使更換了新膜，也不可能將單元槽電壓恢復如初。這就是陰陽極性能的退化和極網面是否平整以及膜極距彈性下降在運行中受到的意外影響變差所造成。

陰陽極涂層的有效使用壽命為8 年。有效期過后，因陰陽極損壞而使單元槽電壓上升達到250 mV以上。如果雜質進入離子膜造成電壓明顯上升或電流效率明顯下降，對膜的物理損傷并不嚴重，對電極陰陽極的損傷屬于自然劣化， 電壓上升一般在50～70 mV。陰陽極網或涂層如果沒有更新，不同電解槽的陰陽極的性能會存在差異， 其電壓差異達30 mV 以上。

因此，2015 年陜西金泰氯堿化工公司一線電解裝置在第二個膜周期時進行了零極距電解槽改造項目，除在陰極安裝彈性體和活性陰極網外還對陽極網進行了更新，確保達到最低的槽電壓，小極距電解槽改為零極距電解槽， 同時離子膜更新為新膜，新陽極、新陰極，運行電流密度在5.33 kA/m2情況下平均單元槽電壓由3.58 V 下降至3.05 V，節能效果顯著。

2.2 電解槽溫度

對于多臺電解槽裝置，更換過新膜的電解槽電流效率就會大大提高，性能優于其他舊膜電解槽，該電解槽的槽內溫度明顯較舊膜電解槽低，其電壓會對電解槽溫度有所影響。

2018 年10 月，一臺電解槽因陰極液溫度計校驗后溫度下降，提高槽溫至控制指標1.3 ℃后各臺槽平均總電壓下降約1.5 V，平均單元槽電壓每提高1 ℃下降9 mV，與電解槽溫度每降低1 ℃，單元槽電壓就會升高10 mV 左右的數據相符。 在同一循環體系統中， 一般新膜電解槽較舊膜電解槽溫度低2～4 ℃，新膜單元槽電壓可能會虛高顯示30～50 mV，這時，可適當提高新膜電解槽運行電流，降低舊膜電解槽的運行電流， 使新舊膜電解槽運行溫度平衡，將新膜電解槽效率高、電耗低的性能優勢有效地發揮出來，減小或避免舊膜電解槽效率低、電耗高的缺點，有效提高經濟效益，降低運行成本。實際上，對新膜槽運行電流提高后的電壓并沒有明顯的變化，因為本應上升的槽電壓部分抵消了槽溫上升后降下來的電壓，而舊膜槽運行電流降低后電壓卻會明顯下降，這樣便有效地降低了裝置的整體電耗和運行成本。

2.3 膜的狀態

若離子膜在開車初期，頻繁開停車，短期內經過多次充排液和水洗的離子膜難以完全自行伸展膨脹，疏松狀態的離子膜電流效率會急劇下降。當離子膜被硫酸根、碘和鋇等有害雜質污染后，也會有電流效率明顯下降而電壓并無明顯上升的跡象。

膜的使用壽命并不只是膜電壓，還有電流效率，從電流效率上進行判定新舊膜的性能優劣，給出綜合的評價。

2.4 堿濃度

電解裝置中有多臺電解槽，只更換了其中1 臺或幾臺電解槽的新膜，由于換了新膜的電解槽的電解性能遠遠高于未進行換膜處理的電解槽，新膜的電流效率比舊膜高，則該電解槽的槽內堿濃度也比舊膜電解槽高，較高的槽內堿濃度也會使電壓稍高一些，但是也有了較高的產量。此時，可適當提高進槽陰極液流量來平衡與其他電解槽的溫度和堿濃度。

2.5 陰、陽極極距

在進行新膜的更換時，一般會對陰、陽極密封墊片進行更換。舊墊片在經過3 年左右的擠壓后，充分伸展，由于壓縮量較大，彈性盡失，厚度也變小。而新墊片彈性較強，處于受壓力作用和彈性變形的初期，墊片還沒有充分伸展蠕變，而厚度正適合，陰、陽極極間距離也會比舊膜的單元槽稍大，從而使極間液體的電壓降增加，電壓上升。

不同電解槽的現有狀況也有所不同，如最先換膜的電解槽在過去運行時發生較大壓差波動的可能性較大，陰陽極網、膜極距彈性網變形較大造成彈性下降，影響到了電流密度分布的均勻性，極距也會相應變大，從而使電壓升高。

相關數據表明，在特定范圍內，陰、陽極極距或陰、陽極網變形量每增加1 mm，就會使單元槽電壓上升30 mV 以上。

2.6 運行電流

整流傳感器顯示的各臺電解槽的運行電流并不絕對準確，有些設備的顯示誤差可達幾百安培。如果此時顯示的電流低于實際輸出電流，槽電壓也會偏高，應從電流效率來判定是否有異常表現。

2.7 新舊膜對雜質的耐受性

舊膜常處于一種膨脹狀態，且由于長期使用導致針孔增多，鹽水中有害雜質的持續沉積逐漸趨于平緩，槽電壓己處于穩定期。而新膜卻處于高效率期，離子的交換能力增強，對鹽水中影響電壓的鎂、鎳、鐵、碘、硫酸根等有害雜質以不同形式的沉積更加敏感，所表現的階段數據也就會有差異，因此，新膜比舊膜的電壓上升快。

2.8 雜質

雜質沉淀在離子膜上會影響電阻，這與雜質的種類和數量有較大的關系， 雜質可以從陽極液進入，也可以從陰極液進入。

鎳沉淀在離子膜中能引起槽電壓升高，二次精鹽水要求含鎳低于10 ug/L，當膜中含鎳5 mg/dm2時，槽電壓上升0.3 V；如離子膜中鎂累積量超過10 mg/dm2時，槽電壓可升高0.10~0.20 V；鋇、碘在離子膜中以高碘酸鋇形式存在，沉淀物分散在離子膜陽極側，而聚集的沉淀物則結合在接近離子膜陰極一側，大多數以高碘酸鋇或高碘酸鈉化合物存在，影響槽電壓的主要是分散沉淀物，可使槽電壓升高約0.05 V。

2.9 導體及溶液電阻

金屬導體電阻高，電極接觸不良均會導致電壓上升，影響電解槽性能。不管是哪種型號的離子膜，均有一定的溫度操作范圍。槽溫升高有利于電壓下降，但是電解槽的運行溫度不高于87 ℃，否則，大量的水蒸發會導致氣液比增大，電解液趨于沸騰會加速膜的劣化，使電極的腐蝕和涂層的鈍化加快，使槽電壓上升。

3 預防槽電壓升高的措施

影響槽電壓的原因很多，但大部分因素是可以控制和避免的。通過對這些影響因素的分析，為降低槽電壓可采取以下措施。

（1）嚴格控制工藝參數，槽溫控制在84～87 ℃，確保電壓平穩；

（2）減少電流波動和大的壓差波動，延長電極及涂層的使用壽命；

（3）提高進槽鹽水、鹽酸、純水、二次汽冷凝液、燒堿等所有介質質量。如該公司對于二次鹽水質量和進槽二次汽冷凝質量采用在線鈣鎂分析儀進行監測，當在線分析儀數據有變化時立即取樣用ICP進行監測；

（4）優化改良改進設備，減少對設備的腐蝕，如對于陰極系統的管道材質選用310S 不銹鋼，防止高溫堿的腐蝕，對于鹽水系統采用鈦材、襯四氟、襯低鈣鎂橡膠等材料；

（5）電解槽檢修時嚴格按要求檢修，保證檢修質量；

（6）加強培訓和演練，提高員工業務水平，盡最大可能避免異常停車，要正確開、停車操作。