氯碱离子膜面电阻的测试方法及其在不同条件下的影响因素

董辰生，刘康，高红荣，刘体键，张永明

(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，山东 淄博 256401)



氯碱离子膜面电阻的测试方法及其在不同条件下的影响因素

董辰生*1，2，刘康1，2，高红荣1，2，刘体键1，2，张永明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，山东 淄博 256401)

离子交换膜；面电阻；影响因素；槽电压；能耗

详细介绍了氯碱离子交换膜的测试步骤及设备原理，说明离子膜面电阻值大小直接影响槽电压，从而影响电解能耗。

氯碱离子交换膜的本质是高分子聚电介质的交换基团在水中能自由解离成为带电荷的固定离子和自由离子，膜外电解质溶液中的离子可以凭借与离子交换膜中的解离离子进行交换而传导电流[1]，由此发挥负载和传递电流的作用。因此，可通过一定仪器和装置测定其电化学性能。测膜面电阻是表征电化学性能的一种方法。

1 测试方法

1.1 仪器设备

(1)交流数字低阻测试仪，YY2510A，天津无线电六厂，1台。

(2)凯尔文数据线夹具线，1套。

(3)醋酸银电极，100 mm×80 mm，2片。

(4)电导池装置：主要是由两个完全相同的半槽组合一体而成。通常用有机玻璃加工而得，每一半槽容积为100 mL。

(5)离子膜夹具一套(厚度为2 mm的有机玻璃板)，为计算方便，通常设计夹具上测试内孔为20 mm×50 mm(即电极有效面积为1.0 cm2),电极间距4.0 mm。

(6)智能恒温水浴锅，EMS-40，1台。

1.2 化学试剂

(1)氯化钠(国药分析纯，符合GB/T 1266—2006)。

(2)去离子水(GB/T 6682规定的三级水)。

(3)氯碱离子交换膜。

1.3 设备工作原理

交流数字低阻测试仪是由文氏桥振荡器产生交流信号，经过功率放大后，通过恒流电阻Rs产生稳恒电流，该电流在被测电阻Rx上产生电压差，经放大器放大，检波器检波，再由A/D变换器变换后，由LED显示器显示(见图1)。由于采用比率测量的方法，因此消除了信号源波动带来的误差，避免了测量中校正等繁琐操作。

图1 低阻测试仪工作原理Fig.1 Work principle of low resistance tester

1.4 测试步骤

(1)测试前先将离子膜裁剪成40 mm×60 mm的试样，5张。

(2)将试样浸于(23±1)℃的200 g/L的盐水中1 h。

(3)交流数字低阻测试仪接通电源，预热30 min后调零。

(4)电导池注入200 g/L的盐水并保持恒温。

(5)将测试夹板插入电阻测试槽中，稳定3 min后，测得溶液的电阻值R0。

(6)将夹有待测样品的测试夹板插入电阻测试槽中，稳定3 min后，测得试样和溶液的总电阻值R1。

氯碱离子膜面电阻按下式计算(取5个数的平均值)：

Rm=R1-R0或Rm=ρL/A。

式中，L为电导池中两电极板之间的距离，即膜的厚度，cm；A为电极面积(与膜面积相同)，cm2；ρ为膜的电阻率，Ω·cm；Rm为膜的电阻，Ω。

由上式可得：RA=RmA=ρL；

式中，RA为膜的面电阻，单位为Ω·cm2。

2 影响氯碱离子膜面电阻的因素

2.1 离子膜的结构和型号不同面电阻值不同

(1)膜的IEC值增加(或干膜摩尔质量EW值减少)时，膜的面电阻值上升。

(2)组成离子膜的高聚物结构对膜的面电阻也是有影响的。

(3)离子交换基团种类对膜电阻有明显影响(见图2)。磺酸膜的比电阻值要明显低于羧酸膜。这是因为前者的含水率要高于后者[2]。

图2 离子交换基团种类对膜电阻的影响Fig.2 Effects of types of ion-exchange group on membrane resistance

(4)随着NaOH浓度的增大，两种膜的比电阻均相应增加，这也是由于受到膜含水率降低的影响。

(5)为了改善膜的物理机械性能，将不同型号离子膜插入不同增强材料，分有疏水通道(带牺牲新材)和无疏水通道(无牺牲新材)。这些增强材料的插入，将遮蔽一部分膜的导电面积，引起膜面电阻值的大小不同，影响槽电压的高低。

2.2 温度与离子膜面电阻值的关系

槽温是工业电解操作工艺中非常重要的参数，从图3可以看出：随着盐水温度升高，膜面电阻值会降低。这是因为盐水温度升高，离子膜膨胀，电解质活度系数增大，传质速度加快，离子迁移数增多，从而降低了离子膜的面电阻。

图3 200 g/L盐水的温度与面电阻值的关系Fig.3 Relationship between temperature of 200-g/L brine and surface resistance

2.3 盐水浓度与离子膜面电阻的关系

在相同温度的不同盐水中，离子膜的面电阻是不同的。面电阻的大小随着盐水浓度的升高而逐渐变小。当盐水浓度饱和后，盐量再增加但盐水的浓度不变，由于盐无法溶解而使水变浑浊，阻值反而比之前有所增加，但最后保持阻值基本不再变化(见表1)。这是由于盐水中的阳离子和阴离子在电流作用下做定向迁移，并传导电流。离子膜内的电导依靠膜内离解离子Na+输送电流，当盐水浓度增加时，电解槽内可导电的离子数增加，因此面电阻值会下降[3]。然而离子膜内的固定离子基团浓度是一定的，达到盐水饱和状态下，并不会使膜内与磺酸根和羧酸根离子平衡的Na+浓度得到明显增加，因而面电阻值不再下降。

表1 不同盐水浓度下的面电阻值Table 1 Surface resistance of brine of different concentration

3 结语

离子交换膜的性能是多方面的,必须根据膜的电化学性能、化学性能和物理力学性能对膜进行综合评价分析。在氯碱生产电解过程中，离子膜面电阻会直接影响槽电压的高低，从而影响电解能耗，所以离子膜面电阻已经是选用离子膜的一个重要技术指标。

[1] 董辰生，王学军，张永明.氯碱离子膜国家标准GB/T 30297—2013解读[J].氯碱工业，2015,51(1)：9-13.

[2] 张永明.全氟离子交换膜的研究和应用[J].膜科学与技术，2008，28(3)：1-4.

[3] 王学军，王婧，张恒，等.电解法研究DF988膜对钠离子水传递数[J].膜科学与技术，2012，32(6)：59-63.

[编辑：蔡春艳]

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Test method of chlor-alkali ion-exchange membrane surfaceresistance and influence factors under different conditions

DONGChensheng1，2，LIUKang1，2，GAOHongrong1，2，LIUTijian1，2，ZHANGYongming1，2

(1. Shandong Dongyue Polymer Material Co.,Ltd., Zibo 256401, China;2. Dongyue Group Co., Ltd., Zibo 256401, China)

ion-exchange membrane; surface resistance; influencing factor; cell voltage; energy consumption

The procedures and equipment principle for testing chlor-alkali ion-exchange membrane were detailed. The surface resistance of ion-exchange membrane directly influenced cell voltage and thus influenced the energy consumption in electrolysis.

2016-09-24

董辰生(1976—)，男，主要从事功能膜产业化应用及评价工作。

TQ114.262

B

1008-133X(2017)05-0016-03