离子膜运行情况总结

高自建

（青岛海湾化学有限公司，山东 青岛 266409）

青岛海湾化学有限公司（原青岛海晶化工集团有限公司，简称海湾化学）烧碱装置设计能力30万t/a，离子膜电解槽采用蒂森克虏伯伍德氯工程公司的改进型n-BiTAC型号，运行电流18 kA，离子膜采用科慕化学的N2030，其中还试用了旭化成F6803、旭硝子F8080、科慕N2050离子膜。下面就海湾化学这几种离子膜的实际使用情况进行总结，并对海湾化学在保持离子膜稳定运行、延长离子膜使用寿命的生产操作经验进行介绍。

1 离子膜特点介绍

氯碱生产用离子膜是一种对钠离子有选择透过性的高分子膜，是由四氟乙烯与具有离子交换基团的全氟乙烯基醚单体的共聚物组成，并通过耐腐蚀材料聚四氟乙烯织物来进行增强。为防止起泡附着在膜表面，离子膜两侧涂有涂层。目前市场上主流的离子膜型号主要有美国科慕的N2050、日本旭硝子的F8080、日本旭化成的F6803，这3种型号离子膜各有特点，在行业内均广泛应用。

（1）科慕N2050离子膜

科慕N2050离子膜是N2030的升级产品，适用于窄极距和零极距电解槽，于2016年推向市场。该型号离子膜采用的高分子材料、增强材料与N2030相同，因此机械强度和稳定性保持不变，电压较上一代N2030降低了50～70 mV，电流效率、盐水杂质抵抗能力一样。离子膜阳极侧和阴极侧的表层结构进行了优化，更有利于气体释放，降低槽电压。

（2）旭硝子F8080离子膜

F8080系列离子膜是在F8020离子膜的基础上研制的，采用了新一代树脂，电压比F8020降低约50 mV。该型号离子膜降低了磺酸层的含水率，进一步提高了膜的机械强度和稳定性，提高了离子膜的树脂交换容量和离子通道均匀性，杂质耐受能力更强，尤其提高了抗Ca污染的能力。

（3）旭化成F6803离子膜

旭化成F6803离子膜沿用了F6801的基础设计，机械强度不变，电压比F6801降低了50 mV，对杂质具有更高的耐受性，耐褶皱性比F6801也有提高。

2 不同型号离子膜使用情况对比

海湾化学电解装置自2016年5月开车运行，至2018年6月已稳定运行2年。电解槽所用离子膜主要是科慕N2030型号离子膜，还有部分其他型号的试用离子膜，其中10#A电解槽的40#、41#、42#单元使用旭化成的F6803离子膜，5#B电解槽的57#～64#单元使用旭硝子的F8080离子膜，65#～72#单元使用科慕N2050离子膜。在实际运行中，这三种型号试用膜的电压均低于科慕N2030离子膜，电压由低到高排序为：科慕N2050＜旭硝子F8080＜旭化成F6803＜科慕N2030。由于无法测得每个单元槽的碱流量，对单元槽的淡盐水、氢气、氯气也不做分析，因此无法从电流效率上对这几种离子膜进行比较，下面从单元电压上对不同型号离子膜进行对比。

2.1 旭化成F6803与科慕N2030运行情况对比

10#A电解槽的40#、41#、42#单元使用旭化成的F6803离子膜，其余单元为科慕N2030离子膜。从实际使用情况来看，使用F6803离子膜单元的槽电压比N2030低36 mV左右。在经过2年的运行，多次开停车后，F6803依旧比N2030低36 mV左右，可见F6803离子膜不仅电压低，机械强度也较好。旭化成F6803与科慕N2030离子膜的槽电压对比见表1，电压对比曲线见图1。

表1 F6803与N2030电压对比

图1 F6803与N2030电压对比曲线

2.2 旭硝子F8080、科慕N2050与科慕N2030运行情况对比

5#B电解槽的57#～64#单元使用旭硝子的F8080离子膜，65#～72#单元使用科慕N2050离子膜，其余单元为科慕N2030。以科慕N2030为基准值进行对比，旭硝子使用F8080离子膜单元的槽电压比N2030离子膜低50 mV左右，科慕N2050比N2030低87 mV左右。旭硝子F8080、科慕N2050与科慕N2030离子膜的槽电压对比见表2，电压对比曲线图见图2。

图2 F8080、N2050与N2030电压对比曲线

2.3 旭化成F6803、旭硝子F8080、科慕N2050槽电压情况对比

由于旭化成F6803安装在10#电解槽，旭硝子F8080、科慕N2050安装在5#电解槽，各个电解槽运行情况不同，不能通过单元槽电压对这三种离子膜进行对比，因此我们通过这3种离子膜分别与各自电解槽科慕N2030槽电压差值情况进行比较，其中科慕N2050离子膜的槽电压最低，旭硝子F8080离子膜次之。比较情况见表3，槽电压对比差值对比曲线见图3。

3 生产操作经验介绍

离子膜是离子膜电解制烧碱技术的核心，由于离子膜对运行条件要求较苛刻，如果控制不当，会影响其使用寿命，通常以离子膜的使用寿命来评估一个氯碱企业管理水平的高低。海湾化学使用的科慕N2030离子膜已使用两年多时间，目前运行状况良好，电流效率仍保持在96.5%左右。下面对海湾化学在保证离子膜性能上的一些生产操作经验进行介绍。

表3 F6803、F8080、N2050电压对比

图3 F6803、F8080、N2050与N2030槽电压差值对比曲线

3.1 严格控制盐水质量

进入离子膜电解槽的盐水质量直接影响。槽电压、电流效率及产品质量，从而影响膜的使用寿命。盐水中含有多种杂质离子，杂质离子会在电场的作用下或者随水迁移进入离子膜，以氢氧化物、盐或复合盐的形式，沉积在膜的阳极侧表面或者沉积在膜的里面（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）。如果杂质沉积在靠近离子膜的阴极侧表面的位置，会对膜造成机械损伤并导致电流效率下降；如果杂质沉积在膜中，那么将导致电压上升。杂质造成的影响是累积的，即使杂质的量不大，其长时间的影响将是很大的。因此，严格控制盐水质量可以有效延长离子膜的使用寿命。

按照专利商的设计要求，二次盐水钙镁含量控制在20×10-9以下即可。为更好的保证二次盐水质量，延长离子膜使用寿命。海湾化学实际要求二次盐水钙镁含量控制在10×10-9以下，一般在5×10-9左右。良好的二次盐水质量有效保证了离子膜的高效、稳定运行。二次盐水ICP分析指标情况见表4。

表4 二次盐水ICP分析指标

3.2 严格控制阳极液NaCl浓度

阳极液中的NaCl浓度对电流效率、槽电压、碱液含盐量的影响是很明显的，NaCl浓度太低不仅对提高电流效率、降低碱中含盐不利，而且会造成离子膜鼓泡，将导致槽电压上升和电流效率下降。当阳极液中NaCl的浓度＜170 g/L时，随Na+透过膜的水迁移量会迅速增大，短时间内超过膜的输出能力，致使膜鼓泡；同时，当阳极液中NaCl浓度＜170 g/L，酸度过大，pH值＜2时，H+会携带大量电流与Na+竞争，带电质子会酸化膜的羧酸层，使离子膜剥离分层，造成离子膜永久性损坏。但当阳极液中NaCl浓度＞230 g/L时，膜阻增大，水迁移能力下降，这时，特别在高电流密度或较低温度下操作，很容易造成膜能力过载，损坏离子膜。

海湾化学阳极液NaCl浓度控制在210 g/L左右，为防止阳极液浓度过低的情况出现，在工艺上设置了入槽盐水流量低联锁，每4 h分析一次电解槽阳极液NaCl浓度，现场每小时都要对电解槽阳极液打比重，通过这些措施有效保证了阳极液NaCl浓度控制在指标范围内。

3.3 严格控制阴极液NaOH浓度

NaOH浓度在一定范围内的升高，会使阴极一侧膜的含水率减少，固定离子浓度增大，电流效率增加。但是随着NaOH浓度的继续升高，膜中OH－浓度增大，反迁移的OH－增多，电流效率明显下降。且膜会因含水率降低而收缩，导致导电率下降，如果NaOH浓度过高，会造成电流效率的永久性下降。因此，长期稳定的控制NaOH浓度是非常重要的。

海湾化学采用科慕离子膜，要求阴极液浓度控制在32%左右，对阴极液浓度的控制与阳极液相同，工艺上设置了循环碱流量低联锁，每4 h分析一次电解槽阴极液浓度，现场每小时都要对电解槽阴极液打比重，保证阴极液浓度控制在指标范围内。

3.4 控制氯气氢气压力及压差稳定

阳极室的氯气和阴极室的氢气的压差的变化，会使离子膜同电极反复摩擦受到机械损伤，特别是离子膜已经有皱纹时，就容易在膜上产生裂纹。几乎所有离子膜电解槽都是控制阴极室的压力大于阳极室的压力，但是如果将离子膜过分地压向阳极表面也会导致离子膜的损伤。因此控制阳极室和阴极室的压差，使其保持在一定范围内是非常重要的。

海湾化学氯气压力控制在-20mmH2O左右，氢气压力控制在480 mmH2O左右，压差控制在500 mmH2O。为保证氯气、氢气压力及压差稳定，设置了氯气高压、低压水封和氢气水封，氯气总管设置了氯气压力自控调节阀，氢气总管设置了氯气氢气压差调节阀。同时氢气总管还设置了一个氯气氢气压差放空自控阀，当压差超过560 mmH2O时自动开启放空，进一步保证了氯气氢气压差的稳定。

3.5 开停车注意事项

电槽停车时，电解槽的“原电池效应”产生的反向电流会使膜起泡。频繁地开停车，离子膜频繁地升温与降温，膜随之频繁地膨胀和收缩，使膜“过度疲劳”，造成膜物理松弛，起皱折，甚至鼓泡，引起膜性能下降；同时，开停车过程，避免不了的阴阳极压差波动，对膜又造成双倍的损坏。因此，日常操作中要保持电解槽平稳运行，尽量减少电解槽的开停车次数。

在氯工程电解槽的设计中，为阻止反向电流的产生，保证电极的使用寿命，当电流＜3 000 A即自动投入极化电流，但是在紧急停车的情况下，阳极侧尚未溢流，容易造成“干膜”区离子膜的内部结构损坏。因此，海湾化学在实际操作中在确认阳极侧溢流后，手动投入极化电流。停车后每个单元槽以250 L/h的精盐水冲洗1.5 h，当分析出槽盐水游离氯含量小于20×10-6时，停极化电流。最大程度减小反向电流对离子膜和电解槽的影响。

信越化学美国PVC扩能一期项目开始建设

日本信越化学近日表示，其在美国的子公司信越科技公司位于路易斯安那州普拉克明的聚氯乙烯（PVC）综合工厂一期项目已开始建设。

3.6 长期停车保管措施

海湾化学9#、10#电解槽于2015年12月3日一次投料试车成功，后因港口开放许可原因，外购原料无法进港，下游装置无法开车，因此于12月底停车。由于海湾化学是全厂整体停车，停车期间无法供应精盐水及碱液，停车时间也不可预知，因此采取了特殊的处理方法。海湾化学采取的做法是将阳极侧用浓度200 g/L的盐水进行置换，阴极侧用浓度16%的碱液进行置换，断开电解槽铜排连接电缆，打开阳极侧单槽取样阀。由于阳极侧的水分会向阴极侧迁移，每隔几天向阳极侧补充纯水直到刚好溢流。为防止低温对离子膜造成损伤，为两台电解槽搭建了一个临时板房，板房内装有空调，保持温度在20℃以上。

在采取该措施近5个月后重新开车，由于保管处理得当，离子膜及电解槽性能并未受到影响，槽电压反而大幅下降。停车前电流效率大约97.5%，重新开车后的电流效率同样为97.5%左右，未对离子膜性能造成影响。停车前9#、10#电解槽的槽电压数据对比见表5。

表5 停车前后的槽电压对比

4 结语

随着离子膜技术的进步，各离子膜厂家推出的新型号离子膜性能不断提升，电压越来越低，为氯碱企业节约了电力成本，提高了经济效益。而氯碱企业也应不断提高管理水平，通过严格控制各项工艺指标，按照操作规程精细操作，使离子膜发挥出最佳性能，达到节能降耗、降低运行成本的目的，增强企业在市场中的竞争力。

收稿日期：2018-06-13

信越化学表示，新建PVC综合工厂位于信越科技公司在普拉克明现有PVC工厂附近，一期项目将增加29万t/a的PVC和27万t/a的烧碱产能。

这个投资14.9亿美元项目预计在2020年底完成。