离子膜出现水泡的原因及预防措施

刘丙臣，姜延东

（山东大成农化有限公司，山东 淄博255009）

山东大成农化有限公司烧碱产能为10 万t/a 离子膜烧碱，采用高电密自然循环电解槽4 台，每台电解槽共160 个单元槽片，并配套有真空脱氯系统，氯气压缩采用进口透平压缩机压缩氯气；采用带有经济器的氯气螺杆压缩机组进行氯气液化。电解槽装置自开车以来，装置运行平稳，所产32%离子膜烧碱、液氯、次氯酸钠、工业盐酸等产品优级品率均为100%。

离子膜法氯碱生产工艺中，离子膜生产装置的核心部件主要包括活性阳极、活性阴极、选择性离子膜和阴阳端板，决定电解槽运行寿命的重要因素是价值昂贵离子交换膜。应根据膜电化学特性正确使用离子膜，找出离子膜出现水泡的原因，延长膜的使用寿命，提高烧碱产量和质量，降低电能消耗。

1 电解槽对离子膜的要求

（1）高度的化学和物理稳定性。氯碱的电解条件恶劣，阳极侧是强氧化剂—初生态氯、次氯酸根及酸性溶液。阴极侧是高浓度NaOH，电解温度85～89 ℃。离子膜必须在这样的条件下保持其化学结构不变，不被腐蚀、氧化，始终保持良好的电化学性能。而且物理性能好。薄而不易破裂，耐压，有均一的强度和柔韧性，耐皱折，有足够的机械强度；

（2）具有较低的膜电阻。离子交换膜不但要有很高的离子选择透过性能，而且要具有较低的膜电阻，这2 项性能往往是互相抵触的，因此，必须通过各种方法来求得电解能耗达到最低限度；

（3）具有低的电解质扩散及水的渗透。在离子膜的两侧有浓度差，并存在不同的电解质时，还会发生电解质的扩散和水的渗透。而在这电解过程中Na+离子的迁移，总是伴随着水的迁移，因为电解质阳离子总是以水化离子形式迁移的，因此无论是电解质的扩散量，还是水的渗透量必须控制在规定范围来满足电解条件；

（4）要有很高的离子选择透过性。离子膜的离子选择透过性能将影响电解槽的电流效率、直流电消耗和产品纯度，电解槽所用的离子膜为阳离子交换膜，只能允许阳离子通过，不允许阴离子OH-及Cl-通过。如Cl-通过膜渗入阴极室就会影响NaOH 质量，而且对电极有损坏；若OH-离子渗入阳极室则会降低阳极效率，使阳极产物氯气纯度降低，在当前要求电解液浓度很高的情况下，对离子膜的选择透过性能要求就更高，否则无法获得低能耗、高质量的产品；

（5）具有足够的强度与形状稳定性。离子膜要有足够的强度，以使安装使用过程中不会损坏，在电解过程中温度高有压力情况下和电极产生的气泡剧烈冲击，离子膜随之振动，因此必须有足够的强度和柔性。此外，还要求离子膜在不同条件下膨胀收缩率要低，以免由于膨胀而造成折皱或收缩而引起离子膜破裂；

（6）具有较低的价格。离子膜要有低的生产成本，低的销售价格，才能有高的效益。

2 离子膜出现水泡的原因

（1）当阴极液流量过小、槽内阴极液循环不畅、进槽碱液浓度偏高的不良情况发生时，都会造成阴极液（碱）的槽内总体浓度或局部浓度过高，使膜的阴极侧羧酸层相对于阳极侧磺酸层的过度收缩、层间产生间隙，随钠离子交换而迁移的水分子会在膜内积存而产生水泡；另外，在某些形式的电解槽运行过程中，由于双金属效应，在膜的中部位置电极间的距离变小，在膜的上部分电解液的气液比也会比其他地方大。这就造成了在膜的中部偏上的地方电流密度会略大于其他地方。质量不良的电解槽，当电极网面不平时，同样会造成电流密度分布不均匀的可能。电流密度高的地方出水泡的可能性要高于电流密度低的地方，而且气液比大的上部分还有出现针孔的可能；

（2）当阳极液（盐水）流量过小、相对电流密度过大、进槽盐水本身浓度较低、槽内阳极液循环不畅等不良情况发生时，都会造成阳极液（盐水）的槽内总体浓度或局部浓度过低，使膜的阳极侧磺酸层相对于阴极侧羧酸层的过度收缩、层间产生间隙，低浓度的阳极液（盐水）含水量高，随钠离子交换而迁移的水分子增加，会在膜内积存而产生水泡；

（3）当阳极液酸度多大时，离子膜会被酸化，使膜的阳极侧磺酸层组织被破坏，磺酸层膨胀、羧酸层收缩，两层分离，在分离处出现水泡，使膜产生水泡；

（4）阳极液温差过大时，膜两面侧的收缩差异过大，膜产生分层，随钠离子交换而迁移的水分子在膜内积存而产生水泡；

（5）膜两侧压差不良使膜受振动，出现针孔。而正压差过大时产生水泡；

（6）出现了负压差，膜磨损出现针孔。微小的水泡长时间后也会发展成针孔；

（7）正压差过大，在膜与阳极过分压紧的部分盐水供应出现了问题。在这个部分实际上是电解了很稀的盐水，这是会产生水泡的。同时，在这个地方一部分水被电解，产生的氢离子使得膜被酸化，从而加剧了水泡生成。

3 离子膜出现水泡的预防措施

（1）控制好进槽碱液流量和浓度，进槽碱液浓度不能偏高。进槽阴极液循环流量一般控制为单元槽数乘以0.3 m2，阴极碱液浓度是由电解槽的运行电流、电解电流效率、纯水的加入量、进槽碱液流量和浓度等运行条件来决定的。在电流升降的过程中，DCS 系统会根据运行电流和出槽碱液浓度串级控制适量纯水从碱液高位槽至电解槽之间的循环管路加入。正常运行时上述阴极液循环可以保证出槽碱液浓度控制在工艺要求的30%～32%左右；送到额定电流后，纯水的加入量根据在线密度计的测定值进行控制。而当碱液浓度过高或过低时，一般是循环管路系统的阴极循环量或纯水添加量异常所致，过高的碱液浓度也是造成膜起泡的重要原因之一；

（2）控制进槽盐水的流量和浓度，进槽盐水浓度稳定在290～300 g/L。保证出槽阳极液中NaCl 的质量浓度稳定在210～220 g/L，至少不低于190 g/L。入槽盐水酸度控制在＜0.15 mol/L，出槽盐水pH 值控制在2.5～4.5；

（3）尽可能减少开停车次数和短时间调整运行电流。在正常操作过程中，离子膜水的渗透处于相对稳定状态，若频繁开停车和调整运行电流，离子膜难以建立稳定的平衡，引起膜内含水量和内部结构改变，缩短膜的使用寿命；

（4）合理控制阴、阳两侧压差，避免出现负压差。高电密自然循环离子膜电解槽的运行压力和压差是靠气相压力来控制的。在开停车阶段和正常运行时，应正确利用氯氢压力调节阀，使电解阴极系统压力始终大于阳极压力，保证槽内阴阳极室压差在4 kPa 左右。过大的压差会使极网变型、极距增大、离子膜受损和电压上升甚至发生重大的设备安全事故。而反向压差更会使槽温和电压大幅上升及造成膜和阴极网的损伤，过高的压力和压差以及反向压差都会引起连锁紧急停车。压差连锁高高值和低低值是电解界区阴阳极系统压差控制设定值加减5 kPa；

（5）逐步调整离子膜装置工艺技术参数，控制指标的准确性，结合生产实际修改，使之更适合生产的稳定性。

4 结语

离子膜是离子膜电解槽中最核心的部件之一，学会正确操作使用离子膜很重要。离子膜价格昂贵，如何延长离子膜使用寿命，提高烧碱产量和质量，提高电流效率，降低烧碱成本，对每个企业说都是至关重要的。