造成离子膜出现针孔和阴极起泡的原因分析及预防措施探讨

董辰生，高红荣，黄玉伟

（1.山东东岳高分子材料有限公司，山东淄博256401；2.东岳集团有限公司技术中心，山东桓台256401）

造成离子膜出现针孔和阴极起泡的原因分析及预防措施探讨

董辰生1，2，高红荣1，2，黄玉伟1，2

（1.山东东岳高分子材料有限公司，山东淄博256401；2.东岳集团有限公司技术中心，山东桓台256401）

介绍了离子膜的特性，分析了造成离子膜起泡和出现针孔的原因并提出了相应的解决方法。

离子膜电解槽；离子膜；鼓泡

离子膜的使用寿命是决定氯碱装置运行好坏的重要标准。离子膜能否长期稳定的运行，主要取决于使用结构是否合理，离子膜电槽电极涂层是否均匀平整，是否因操作失误造成离子膜损伤，造成离子膜出现针孔和起泡，使膜产生永久性损害。因此，了解造成膜出现针孔和水泡的原因，以便延长离子膜寿命，提高离子膜的安全运行水平。造成离子膜出现起泡和针孔原因见表1。

表1 造成离子膜出现起泡和针孔原因

1 层间压力高导致层间分离

（1）离子膜质量

全氟磺酸树脂与全氟羧酸树脂存在一定的不相容性，当所用的2种全氟树脂的离子交换容量等电化学性能不相匹配时，在电解过程中由于2种基膜的离子迁移数差异过大，以及在2种基膜之间水渗透量不平衡而产生较大的内应力，都会引起复合膜层的起泡与剥离，见图1。因此，选用2种相容性匹配的全氟树脂薄膜进行复合，从而获得层间粘接强度较高的全氟离子复合膜[1]。

图1 复合模层间起泡示意图

（2）膜的方向装反

由于Na+在磺酸层的移动量小于在羧酸层的移动量，离子膜一旦装反，在电解的过程中会在磺酸层和羧酸层之间形成Na+富集区，使磺酸层和羧酸层变形增大产生分层。另外由于阴极侧压力大于阳极侧，造成两侧渗透压不同，使膜产生水泡。因此，离子膜装反后槽电压会迅速上升，如果不及时停车，整张膜产生水泡及全部分层。

（3）反向电流

即停车时的“电流效应”，也会导致鼓泡发生。当氯碱电解槽正常运行时，阳极液充满活性氯/次氯酸根而处于饱和状态，同时，在电解槽上部的气体区内包含95%～99%的氯气，除非电路被打开且活性氯和次氯酸根被从阳极室内清洗掉，否则在阳极上由于氯气还原为氯化物同时在阴极上金属被氧化，形成一个原电池。这一电路由一个反向流动的金属离子流，通常是钠离子加上从阴极液流向阳极液的附着水而完成。结果是阴极受到腐蚀，膜的阻力增加，电压升高，这一反向电流造成膜鼓泡现象的发生。因此，在停车期间及时投入极化电流并用原料盐水冲洗阳极室，降低电槽温度到70～75℃是非常有益的，见图2。

图2 离子膜电解槽停车时的控制条件

（4）阳极液消耗过度和阴极液流量过小

阳极进液流量过低，在阳极液中NaCl的质量浓度偏低，相对电流密度过大，造成阳极液内的浓度过低含水量高，随Na+交换迁移的水分子就会增加，磺酸层输水量大于羧酸层输水量，使离子膜的阳极侧磺酸层相对于阴极侧羧酸层过度膨胀，就会在离子膜内产生水泡。

阴极液流量过小，造成电解槽内总体浓度或局部浓度过高，由于羧酸层随NaOH浓度的升高水迁移量会减少，磺酸层相对迁移量较大，使离子膜阴极侧羧酸层相对于阳极侧磺酸层的过度收缩，使磺/羧界面产生很大的压力，随Na+交换而迁移的水分子就会在离子膜内积存产生水泡。

2 传导不充分导致针孔

（1）电解槽的结构及质量

单元槽结构设计关系到膜面脱盐层中液体流动情况。对单元槽结构有特殊的要求，能使电解槽中快速释放出氯气，以防滞留在阳极室内的氯气，能与自阴极室浓差扩散来的NaOH反应，而在膜内生成NaCL结晶，造成膜内出现针孔、水泡及龟裂现象。电解单元槽在使用中会出现加强筋板异常，阴阳极面突起、凹陷，极网焊点开焊，就要及时修补更换，以免造成离子膜起泡和出现针孔。

（2）膜的安装操作不规范

首先要对阴阳极垫片进行规范粘贴，如果粘贴不规范极易给离子膜造成盐泡，发生针孔。离型剂和黏结剂涂抹过多，多余部分附着在离子膜上也会出现盐泡和针孔。装膜时不能出现张膜松弛不均，否则离子膜会产生皱褶发生龟裂，严重会发生针孔，见图3。

图3 垫片安装不当形成盐泡示意图

（3）阳极液酸度过大

氯碱离子膜的离子交换基是Na型的（－COONa）与Na+是易于结合和离解，具有优良的导电性能，若阳极液酸度多大时，阳离子H+进入膜中与交换基结合，使羧酸层（－COOH）质子化失去导电性能，最终出现针孔使膜不能使用。

（4）盐水或碱液温度过低或者浓度过高

阴阳液温差过大时，离子膜两面侧的磺酸和羧酸收缩差异过大，使膜产生分层，水分子在分层处积存而产生水泡。阴极室碱液浓度过高，羧酸膜层内的含水率相比磺酸层变的更低，羧酸层内水的迁移量大减，磺酸层和羧酸层之间水的迁移量差增大，对磺酸/羧酸界面产生很大的压力，磺酸/羧酸层间剥离（分、层），形成水泡。

（5）局部电流密度过大

局部电流过大物料输送量增加，膜的内侧压力增大，超过磺酸和羧酸黏合强度，膜就会起泡。

（6）阳极侧受遮挡

在阳极网格较宽的地方，盐水的流动会受到阻碍，在被电极网格遮盖区盐水浓度会降低，从而发生盐水浓度过低而导致膜上水泡的产生，因此阳极网格宽度要适度[2]，见图4。

图4 电极的遮蔽效果

3 羧酸层沉淀物导致孔隙

杂质进入离子膜：阳离子在电场力的作用下进入膜中；中性或两性的杂质随着水的迁移进入膜中；阴离子随着水的迁移进入膜中等，但是，由于电场力的作用，其进入的速度很慢。

进入离子膜的杂质将会沉积在膜的阳极侧表面，透过膜取代钠离子沉积在膜里面（其所沉积的位置和颗粒的大小决定了其对离子膜性能的影响）。同时，杂质也有可能对电极的活性造成影响，杂质会以氢氧化物、盐或复合盐的形式沉积下来，其沉积物的溶解度决定了其沉积的位置、颗粒大小及其影响[3]。如果杂质沉积在靠近离子膜的阴极侧表面的位置，那么会对膜造成机械损伤并导致电流效率下降；如果沉积在膜中，那么将会导致电压上升。杂质造成的影响将会累积，即使杂质的量不大，长期作用也会对膜造成巨大影响。各种杂质在膜内沉淀位置和对膜的性能影响见表2。

表2 各种杂质在膜内沉淀位置和对膜的性能影响

4 预防措施

离子膜起水泡的原因很多，最根本的原因是水量超过膜输送能力，使膜分层，造成膜起泡，所以阳极盐水浓度的控制、阴极电解液浓度的控制，压差、停车次数、极化电流、槽温、电流密度、膜装反等操作以及垫片的安装很多因素及选择适合本电解槽电流密度不相匹配的离子膜都会造成膜起泡[4]。

为了能使氯碱离子膜在高性能，长周期下正常使用，除了优化电解槽与电极结构设计，使离子膜能在较佳的电解工艺条件下运行外，更重要的是严格执行电解操作规程及发生异常情况时应急处理，以避免和减少对离子膜的损伤，对此，应引起足够的重视。才能提高膜效率，杜绝离子膜出现针孔和水泡。

［1］王学军，王 婧，张永明．氯碱离子膜的水传递和水通量．氯碱工业，2014，50（1）：18－23.

［2］程殿彬，陈伯森，施孝奎．离子膜法制碱生产技术．北京；化学工业出版社，1998．

［3］董辰生，王学军，张永明．氯碱离子膜国家标准GB/T 30297－2013解读．氯碱工业，2015，51（4）：9－13.

［4］王学军，于昌国，王 婧，等．国产氯碱离子膜工业应用与研究进展．中国氯碱，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