离子膜电解槽电压升高因素的探讨

黄尧生

（广西柳化氯碱有限公司，广西 柳州 545600）

离子膜电解槽在生产中会经常发生电压升高的现象，广西柳化氯碱有限公司离子膜烧碱采用4台设计能力为10万t/a的ZMBCH2.7型电解槽及2台设计能力为5万t/a日本旭化成NCZ型零极距离子膜电解槽，通过对这几台电解槽的研究，进行槽电压升高因素分析。

1 槽电压构成

离子膜电解槽的电压组成部分较为复杂，具体由膜电压、理论分解电压、阳极过（阴极过）电压、金属导体电压及溶液电压组成。对槽电压起到决定作用的因素主要是电流及电流密度，碱液浓度，气相压力及氯氢压差，盐水的质量、浓度、pH值，电槽温度等都是属于其工艺控制范畴。

2 槽电压升高的影响因素

2.1 盐水中的杂质

Ca2+、Mg2+、Fe3+、TOC、ClO-3、SO2-4、Sr2+、Al3+、Ni3+、I-、Ba2+、SiO2和 SS等都属于盐水中的含有杂质，对槽电压来说，不同杂质的影响各不相同。如离子膜衡酸表层上的氢氧化物及各种形式的沉淀物对槽电压的影响就十分明显，而对电解电流效率及槽电压有同样影响作用的杂质停留在羧酸表层，不会产生这么明显的效果。

Fe3+、Ni3+等都是对槽电压影响较大，对离子膜产生影响极大的为Ca2+、Mg2+，钙离子可以用氢氧化钙的形式在阴极侧膜的羧基聚合物表面进行沉淀，膜表面此时便会产生孔洞和凹坑。以氢氧化镁形式在离子膜阳极侧进行沉淀镁离子，会使槽电压快速升高，所以应当将盐水中的Mg2+进行含量控制，工艺要求明确规定，Ca2++Mg2+在槽盐水中不得超过0.020×10-6。也有相关文献记载，盐水中的Fe3+质量超过 0.05×10-6，Ni3+超过 0.01×10-6时，槽电压会出现明显的升高现象，当盐水中的Al3+大于0.1×10-6，Si4+超过10×10-6时，所产生的沉淀物槽电压也有明显升高的趋势。

槽电压的离子膜电压水平一旦因盐水质量问题造成电压升高，就难以在异常消除后再恢复到之前水平，所以一定要在生产管理上加强戒备，提高对盐水质量的保障作用。

2.2 电解槽压差

对电槽压差进行适当保持对降低电压有很多好处。因为一般阳极液的气液比比阴极液大，所以盐水电阻通常要比烧碱电阻高，3.5～4.5 kPa为生产中严格控制电槽压差，让离子膜向阳极一侧下压，从而使获得的槽电压值较低。手册中记载的阳极液与阴极液的电阻率分别为 1.90 Ω·cm 和 0.83 Ω·cm。由于压差不足，或者负压差现象的产生都会造成槽电压的明显升高，如果负压差过大，还会导致离子膜产生撕裂现象。

2.3 氯气、氢气的压力变化

在电解时，氯气为电槽阳极区产物，氢气为阴极区产物，产生对槽电压影响作用的是气泡。目前，一种方法是在离子膜的磺酸层和羧酸层进行无机惰性涂料的表层涂抹，或者用机械打磨的办法，让离子膜的表面变得更加粗化，这种亲水性处理方法可以让氢气和氯气所产生的气泡避免过多的黏连在膜上，这样便消除了气泡所带来的影响；另一种方法可以在工艺控制中，对较高的氢气及氯气进行有效控制，让其缩小气泡体积，以此来降低槽电压。通过观察发现，气相压力每增加5 kPa，便可观察到不超过0.010 V的槽电压下降。

2.4 电槽温度

电槽温度对槽电压的影响是十分明显的，90℃以下时，温度每次得到升高，都会让离子膜的膜孔变大，也会加大其导电性。槽电压下降时，温度一般每上升1℃，槽电压就会降低约0.010V；一般在90℃以上温度的情况下，因为有大量的水蒸发量存在导致电解液气液比得到升高，也就提升了槽电压值。

75～90℃为旭硝子膜比较适合的电槽温度，86～90℃是杜邦膜的适宜温度，在电流密度及电流不同的情况下，想要实现槽电压的较低状态，必须经过一定操作温度的深入确定才可以得到最佳值。在实际生活及生产中，通常都需要与电槽压力的影响规律相互结合，于电流较低时进行电槽温度的控制，最好在85～86℃，若是高电流下，最好控制在87℃上下，这时的槽电压控制效果是最好的状态。

2.5 淡盐水pH值

进槽盐水加酸可以中和阴极侧迁移到阳极的OH-，减少电解副反应，从而起到降低氯气中含氧量，使电解效率得到保证。通过加速试验得到结论，当淡盐水pH值＞2的时候，加酸量是渐渐提升的，这时的槽电压会出现轻微升高的现象，进一步加酸到pH值＜2的时，离子膜会因为过量的酸而导致酸化，羧酸层也会因此而产生收缩氧化，这时的磺酸层和羧酸层之间是剥离关系，槽电压出现急速上升，7天时间就上升了30%。

排除用户对氯气纯度需求的基础前提，让电槽加酸量保持到较低状态，这样不但可以减少盐酸的消耗，还能保持槽电压的较低值。但需要说明的是，这个时候一定要对阳极出口盐水加强分析，在停车检修的时候必须要对电槽的阳极涂层进行仔细的检查，因为有时加酸不够也会造成电极的腐蚀现象，一定要避免这种情况的发生。

2.6 盐水浓度和烧碱浓度

烧碱及盐水浓度可以对离子膜产生影响，主要是离子膜内的含水量会因盐水及烧碱浓度的变化而变化，从而产生对槽电压的影响。

200～220 g/L是淡盐水中所需控制的NaCl质量浓度范围，如果偏高的话，离子膜会发生收缩，离子膜因为含水量降低而导致槽电压升高，如果偏低（＜170 g/L），水会横穿磺酸层转移到离子膜内，从而产生水泡，水泡的产生时间过久就会对离子膜带来不良影响，造成其破损。进槽盐水通常不宜过高或过低，如果情况不佳，可以采用盐水流量调整的应急措施，让电槽生产达到维持稳定的状态。

一般情况下，1%的烧碱质量变化会对槽电压产生0.014～0.030 V的影响，烧碱的浓度如果过高，会损失其经济性，离子膜还会因此而收缩，带来槽电压的升高现象。离子膜会因为时间的推移而发生劣化，一定要及时对阴极液进行补水调整，从而在烧碱质量得到保证的同时，将槽电压稳定下来。

3 总结

通过对该公司槽电压的研究与分析得出具体结论如下。

（1）对离子膜生产来说，其重点控制内容之一是槽电压，该公司通过对离子膜电槽开车的长期探索，通过经验的累积，电槽管理水平得到了明显提高。目前该公司的电槽单元电压基本保持在较低水平，情况比较稳定，电流密度为4 kA/m2，单元电压低于2.96 V。

（2）加强管理是解决槽电压升高的根本途径，为减少生产的波动以及对工艺控制进行优化，应当对电槽压力及温度的各项指标都进行严格控制。

（3）对槽电压的影响因素中，盐水的质量问题作用很大，一定要做好原盐方面的控制，对于分析检测、树脂塔监控等一次盐水生产方面的环节，也应当做好定期检查工作，将树脂补充完善。

（4）对于槽电压的异常情况，在处理上应采取停车膜试漏检查、槽电压生产中监控、人工定期手测普查及仪表实时测量监控相结合的办法，效果较好。