影響離子膜電解槽電壓主要因素和降低電壓的預(yù)防措施

陳倩倩

（上海市安裝工程集團(tuán)有限公司，上海 200092）

引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)水平和科技的不斷發(fā)展，人們對化工產(chǎn)品的需求不斷增加，離子膜制堿生產(chǎn)工藝是化工生產(chǎn)的基礎(chǔ)，電解槽電壓是離子膜制堿工藝重要經(jīng)濟(jì)的技術(shù)指標(biāo)，其高低可以影響著電解耗能的大小，直接影響著電解生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)成本，因此在生產(chǎn)研究中需要盡可能的減低電解槽的電壓[1-2]。通過對離子膜電解槽電壓升高因素進(jìn)行分析，并對其進(jìn)行改造生產(chǎn)工藝，保證電解槽電解過程可以高效、平穩(wěn)的進(jìn)行。隨著國家對高耗能生產(chǎn)工業(yè)和行業(yè)的限定，以及環(huán)保形式的不斷嚴(yán)峻，人們對生產(chǎn)工藝的經(jīng)濟(jì)成本的追求也在不斷研究探索。

1 離子膜電解槽簡介

離子膜是化工行業(yè)常用的選擇性通透膜，其電解構(gòu)造示意圖，如圖1 所示。離子膜電解槽一般根據(jù)電解的供電方式分為：復(fù)極槽和單級槽兩種。其中復(fù)極槽的供電系統(tǒng)示意圖，如圖2 所示。燒堿的制取工藝屬于高耗能行業(yè)，其中電子膜法制取燒堿中電耗占到總經(jīng)濟(jì)成本的七成左右。目前我國大部分電子膜制取燒堿的工藝耗電量大約為2 000 kW·h/t～2 500 kW·h/t，如何降低工藝的耗電量成為本行業(yè)的研究重點(diǎn)[3-4]。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，電解槽電壓與電流效率是離子膜電解制取燒堿的關(guān)鍵因素[5-6]。只有通過提高離子膜電解系統(tǒng)的電流效率，才能降低電解槽的電壓，從而實(shí)現(xiàn)有效降低少燒堿制取工藝中的耗電量。

圖1 電解槽離子膜電解原理示意圖

圖2 復(fù)極槽供電組合示意圖

當(dāng)前我國主流的離子膜電解槽都處在運(yùn)行穩(wěn)定狀態(tài)，能保證其電流效率保持在95%以上，如何進(jìn)一步提高電流效率成為難點(diǎn)和研究重點(diǎn)。想要降低電解槽中的電壓不僅需要離子膜電解槽的生產(chǎn)廠家從離子膜電解槽自身的構(gòu)造和特點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)優(yōu)化，也需要設(shè)計(jì)和管理人員從系統(tǒng)安全和工藝生產(chǎn)的角度進(jìn)行考慮，讓離子膜電解槽處于一種最佳的運(yùn)行電解狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)降低電解槽中電壓和降低制取工藝中的耗電量和經(jīng)濟(jì)成本[7]。

2 影響電解槽電壓的指標(biāo)因素分析

離子膜電解槽中的電壓是電解的一個重要指標(biāo)參數(shù)，直接影響著電解槽電解的電耗。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，可以得到離子膜電解槽中電壓的表達(dá)式（1）為[8-10]：

式中：V 為電解槽電壓，V；Vu為離子膜電壓降，V；Vo為理論分解電壓，V；a 為陽極過電壓，V；g 為陰極過電壓，V；IRt為電解液歐姆電壓降，V；IRe為金屬導(dǎo)體中的歐姆電壓降，V。

影響電解槽電壓的主要指標(biāo)因素有：電流密度、電解膜的自身結(jié)構(gòu)、電解槽陰陽兩極的間距、電解槽的溫度、鹽水中的雜質(zhì)、氫氧化鈉溶液的濃度、陰陽兩極液循環(huán)量、陽極液的pH 值、陽極液氯化鈉的濃度、電解槽開停車的次數(shù)、電解槽的結(jié)構(gòu)，特別是陰陽兩極的活性、電解槽的壓差和壓力。我們統(tǒng)計(jì)影響電解槽電壓的因素表，如表1 所示。

表1 影響電解槽電壓的因素統(tǒng)計(jì)表

2.1 鹽水中各種雜質(zhì)對電解槽電壓的影響分析

在離子膜電解食鹽水制取燒堿的工藝中，二次精鹽水的質(zhì)量直接影響著電解槽的使用壽命和離子膜的效率。電解槽電解液中的碘離子、鈣離子、硫酸根離子和鎂離子等都會影響電流的效率，直接影響電解槽電壓主要有鎳離子、鎂離子、碘離子、鐵離子，在電解食鹽水中如果含有以上物質(zhì)時，就會造成在電解槽中生成不容物質(zhì)沉積在電解膜的表面，或者會擴(kuò)散到陰極室造成影響，因此食鹽水制取燒堿工藝中要嚴(yán)格控制食鹽水中各種雜質(zhì)的含量。

鈣鎂離子超標(biāo)對電解槽電壓的影響分析。當(dāng)食鹽水中含有鈣鎂離子時，與在電解槽中和陰極轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移過來的氫氧根離子生產(chǎn)氫氧化鎂和氫氧化鈣等沉積物沉積在電解膜表面上，直接影響著電流和電壓的效率，造成效率的降低。離子膜電解槽電解液中各類雜質(zhì)含量的控制指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，如表2 所示。

表2 電解液中雜質(zhì)含量的控制指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

2.2 電解槽離子膜自身構(gòu)造對電解槽電壓的影響分析

電解槽離子膜在制取燒堿的工藝中起到關(guān)鍵的作用，其本質(zhì)屬于選擇性膜過濾法。離子膜的電阻對電解槽電壓的影響也較大，尤其是對復(fù)式電解槽電解時，直流電通過離子膜會形成膜電位。離子膜自身的構(gòu)造和離子膜的厚度都是影響離子膜電阻的重要因素。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，可知專家對陽離子交換膜的構(gòu)造描述可以為離子膜存在的活性基團(tuán)，它是由帶正電荷的對離子和帶負(fù)電荷的固定離子組成的靜電鍵，如圖3 所示。

圖3 電解槽離子膜膜體內(nèi)存在的活性基團(tuán)

陽離子交換膜是由全氟羧酸層和全氟磺酸層復(fù)合而成，全氟羧酸層的離子膜電阻比全氟磺酸層高，而全氟磺酸層是面對陰極側(cè)，具有對氫氧根離子排查，對鈉離子吸引的特點(diǎn)，膜電阻高低可以決定離子膜內(nèi)的電流效率大小。全氟羧酸層面對陽極，決定著全氟離子膜的電壓，因?yàn)槿人釋与娮栎^大，如果想保證電流槽電流的電流效率處于較高的水平，就要降低全氟羧酸層的厚度，從而增加離子膜的電導(dǎo)率。增加層不僅會影響離子膜的電流分布，還會增加電解液中各類雜質(zhì)在離子膜沉積的風(fēng)險，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)增強(qiáng)層降低離子膜的接觸面積，電解槽離子膜的結(jié)構(gòu)及表面，如圖4 所示。

圖4 電解槽離子膜的結(jié)構(gòu)及表面示意圖

2.3 陰陽兩極的性能對電解槽電壓的影響分析

電解槽中的離子膜的厚度越高，膜的電壓就越高，因強(qiáng)度較高保護(hù)電解槽中的陰陽兩極的涂層。隨著自動化和儀表系統(tǒng)的不斷發(fā)展，高濃度的離子膜電解槽的自動化程度有了很大的提高，大大的降低了離子膜的厚度，從而導(dǎo)致離子膜的強(qiáng)度降低，因此對操作工藝的要求就越高。在日常的生產(chǎn)中一旦發(fā)生壓力和壓差過大的情況就會造成系統(tǒng)失控發(fā)生故障，從而對離子膜造成損壞，不能有效保護(hù)陰陽兩極上的涂層，甚至可以腐蝕破壞電解槽中陰陽兩極的基網(wǎng)。

當(dāng)離子膜的使用壽命到期后，電解槽更換了新的離子膜后電壓也不可能恢復(fù)如初。是由于電解槽陰陽兩極性能退化和電極網(wǎng)面平整是否，以及電解槽離子膜極距彈性下降等原因造成的。目前我們大部分的陰陽兩極涂層的使用壽命大約為8 年～10 年，有效期過后因離子膜陰陽極損壞而造成電解槽中的電壓快速上升。同時，電解液中如果含有雜質(zhì)進(jìn)入離子膜也會造成電解槽電壓的上升，進(jìn)而造成電解槽電流效率的下降。

2.4 堿液濃度對電解槽電壓的影響分析

工業(yè)化電解裝置具有規(guī)?；妥詣踊内厔荩粋€項(xiàng)目中擁有多個甚至幾十個電解槽，只更換其中一臺或幾臺的離子膜。由于新?lián)Q離子膜的電解性能和效率遠(yuǎn)高于其他未換離子膜的電解槽，從而會造成換了新膜的電解槽內(nèi)的堿濃度高于其他的電解槽，堿濃度高的電解槽中的電壓比其他電解槽高，電解的效率和堿電解量也會高。因此可以通過增加電解槽陰極液流量來平衡電解槽中的堿濃度和溫度。

2.5 電解槽溫度對電解槽電壓的影響分析

電解槽數(shù)量較多時，如果更換了新的離子膜的電解槽的電解效率將會極大的提高，其效率和性能優(yōu)于舊離子膜。其電解槽的溫度也會比舊離子膜電解槽溫度低，電壓也會對電解槽的溫度產(chǎn)生影響。當(dāng)電解槽電壓出現(xiàn)虛高時，可以是抵擋提高新膜的電流，降低舊膜的運(yùn)行電流，維持新舊電膜電解槽的溫度平衡，充分發(fā)揮新膜電解槽電解效率高、電解性能好和耗電量少的優(yōu)勢，降低工藝制取的經(jīng)濟(jì)成本。

3 降低電解槽電壓的預(yù)防措施和建議

通過前文的分析可知影響電解槽電壓的指標(biāo)因素有很多，大多數(shù)影響因素都可以通過日常的安全管理和控制進(jìn)行避免。通過對這些影響因素進(jìn)行辨識分析，可以得到降低電解槽電壓的預(yù)防措施及建議。

1）嚴(yán)格控制離子膜電解槽電解的各種工藝控制參數(shù)，電解槽的溫度要控制下80 ℃～88 ℃范圍內(nèi)，可以確保電解槽中電壓的穩(wěn)定。

2）減少電解槽電流的異常波動，讓其保持在穩(wěn)定的狀態(tài)；穩(wěn)定壓差的波動范圍，增強(qiáng)陰陽兩極及膜上涂層的使用壽命。

3）提高電解槽中鹽酸、鹽水、純水、燒堿等所有介質(zhì)的質(zhì)量。并對進(jìn)入電解槽的二次汽冷凝質(zhì)量和二次鹽水質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時的檢測，當(dāng)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生異常時立即進(jìn)行取樣監(jiān)測，時刻關(guān)注監(jiān)測數(shù)據(jù)變化。

4）優(yōu)化改良電解槽的電解設(shè)備，增強(qiáng)電解設(shè)備的防腐設(shè)計(jì)如采用防腐材質(zhì)的陰陽極材料，防止堿液和高溫對電解設(shè)備的腐蝕和損壞。

5）增強(qiáng)對電解槽的檢修和定時保養(yǎng)工作，完善相關(guān)操作規(guī)程和管理制度，保證檢修和保養(yǎng)的質(zhì)量。

6）加強(qiáng)對電解槽員工操作技能的培訓(xùn)，以及安全知識的培訓(xùn)和應(yīng)急演練，提高企業(yè)職工的職業(yè)技能和管理水平，盡可能避免生產(chǎn)狀況的發(fā)生，嚴(yán)格按相關(guān)規(guī)定和要求進(jìn)行開停車操作。

7）嚴(yán)格控制電解槽中電解液中雜質(zhì)的含量指標(biāo)，實(shí)時的進(jìn)行取樣檢測，保證雜質(zhì)的含量都在控制指標(biāo)范圍以內(nèi)。