影响离子膜电解槽电压升高因素分析

权开玉，田玉英

（陕西金泰氯碱化工有限公司，陕西 榆林718199）

在离子膜制碱生产中，槽电压是电解槽运行性能的重要技术经济指标，与能耗密切相关，对生产成本有着直接影响，因此在操作中要求尽可能低的槽电压。 为保证电解槽在较低的槽电压下稳定运行，对影响电压的因素进行以下分析。

1 槽电压的结构

槽电压的计算公式为：

V=VO+VM+η阴+η阳+IR液+IR金式中，V 表示单槽电压；VO表示理论分解电压；VM表示膜电压；η阴为阴极过电压；η阳为阳极过电压；IR液为液体欧姆电压降；IR金为金属导体中欧姆电压降。其中VO是不变的，V 的大小取决于其他项。

2 影响槽电压的因素

2.1 阴、阳极性能

以前的离子膜较厚，膜电压高，因强度较高保护了阴阳极涂层。目前，高电流密度电解装置的自动化程度在运行控制上已有了很大的提高，但是为了降低槽电压相应配置的离子膜厚度减小，强度较低，因此要求的操作水平较高，一旦运行压力和压差失控发生故障，会严重损伤离子膜，因此也不能有效地保护阴阳极涂层，甚至破坏性地腐蚀阴阳极基网。

当一个膜寿命周期运行以后， 即使更换了新膜，也不可能将单元槽电压恢复如初。这就是阴阳极性能的退化和极网面是否平整以及膜极距弹性下降在运行中受到的意外影响变差所造成。

阴阳极涂层的有效使用寿命为8 年。有效期过后，因阴阳极损坏而使单元槽电压上升达到250 mV以上。如果杂质进入离子膜造成电压明显上升或电流效率明显下降，对膜的物理损伤并不严重，对电极阴阳极的损伤属于自然劣化， 电压上升一般在50～70 mV。阴阳极网或涂层如果没有更新，不同电解槽的阴阳极的性能会存在差异， 其电压差异达30 mV 以上。

因此，2015 年陕西金泰氯碱化工公司一线电解装置在第二个膜周期时进行了零极距电解槽改造项目，除在阴极安装弹性体和活性阴极网外还对阳极网进行了更新，确保达到最低的槽电压，小极距电解槽改为零极距电解槽， 同时离子膜更新为新膜，新阳极、新阴极，运行电流密度在5.33 kA/m2情况下平均单元槽电压由3.58 V 下降至3.05 V，节能效果显著。

2.2 电解槽温度

对于多台电解槽装置，更换过新膜的电解槽电流效率就会大大提高，性能优于其他旧膜电解槽，该电解槽的槽内温度明显较旧膜电解槽低，其电压会对电解槽温度有所影响。

2018 年10 月，一台电解槽因阴极液温度计校验后温度下降，提高槽温至控制指标1.3 ℃后各台槽平均总电压下降约1.5 V，平均单元槽电压每提高1 ℃下降9 mV，与电解槽温度每降低1 ℃，单元槽电压就会升高10 mV 左右的数据相符。 在同一循环体系统中， 一般新膜电解槽较旧膜电解槽温度低2～4 ℃，新膜单元槽电压可能会虚高显示30～50 mV，这时，可适当提高新膜电解槽运行电流，降低旧膜电解槽的运行电流， 使新旧膜电解槽运行温度平衡，将新膜电解槽效率高、电耗低的性能优势有效地发挥出来，减小或避免旧膜电解槽效率低、电耗高的缺点，有效提高经济效益，降低运行成本。实际上，对新膜槽运行电流提高后的电压并没有明显的变化，因为本应上升的槽电压部分抵消了槽温上升后降下来的电压，而旧膜槽运行电流降低后电压却会明显下降，这样便有效地降低了装置的整体电耗和运行成本。

2.3 膜的状态

若离子膜在开车初期，频繁开停车，短期内经过多次充排液和水洗的离子膜难以完全自行伸展膨胀，疏松状态的离子膜电流效率会急剧下降。当离子膜被硫酸根、碘和钡等有害杂质污染后，也会有电流效率明显下降而电压并无明显上升的迹象。

膜的使用寿命并不只是膜电压，还有电流效率，从电流效率上进行判定新旧膜的性能优劣，给出综合的评价。

2.4 碱浓度

电解装置中有多台电解槽，只更换了其中1 台或几台电解槽的新膜，由于换了新膜的电解槽的电解性能远远高于未进行换膜处理的电解槽，新膜的电流效率比旧膜高，则该电解槽的槽内碱浓度也比旧膜电解槽高，较高的槽内碱浓度也会使电压稍高一些，但是也有了较高的产量。此时，可适当提高进槽阴极液流量来平衡与其他电解槽的温度和碱浓度。

2.5 阴、阳极极距

在进行新膜的更换时，一般会对阴、阳极密封垫片进行更换。旧垫片在经过3 年左右的挤压后，充分伸展，由于压缩量较大，弹性尽失，厚度也变小。而新垫片弹性较强，处于受压力作用和弹性变形的初期，垫片还没有充分伸展蠕变，而厚度正适合，阴、阳极极间距离也会比旧膜的单元槽稍大，从而使极间液体的电压降增加，电压上升。

不同电解槽的现有状况也有所不同，如最先换膜的电解槽在过去运行时发生较大压差波动的可能性较大，阴阳极网、膜极距弹性网变形较大造成弹性下降，影响到了电流密度分布的均匀性，极距也会相应变大，从而使电压升高。

相关数据表明，在特定范围内，阴、阳极极距或阴、阳极网变形量每增加1 mm，就会使单元槽电压上升30 mV 以上。

2.6 运行电流

整流传感器显示的各台电解槽的运行电流并不绝对准确，有些设备的显示误差可达几百安培。如果此时显示的电流低于实际输出电流，槽电压也会偏高，应从电流效率来判定是否有异常表现。

2.7 新旧膜对杂质的耐受性

旧膜常处于一种膨胀状态，且由于长期使用导致针孔增多，盐水中有害杂质的持续沉积逐渐趋于平缓，槽电压己处于稳定期。而新膜却处于高效率期，离子的交换能力增强，对盐水中影响电压的镁、镍、铁、碘、硫酸根等有害杂质以不同形式的沉积更加敏感，所表现的阶段数据也就会有差异，因此，新膜比旧膜的电压上升快。

2.8 杂质

杂质沉淀在离子膜上会影响电阻，这与杂质的种类和数量有较大的关系， 杂质可以从阳极液进入，也可以从阴极液进入。

镍沉淀在离子膜中能引起槽电压升高，二次精盐水要求含镍低于10 ug/L，当膜中含镍5 mg/dm2时，槽电压上升0.3 V；如离子膜中镁累积量超过10 mg/dm2时，槽电压可升高0.10~0.20 V；钡、碘在离子膜中以高碘酸钡形式存在，沉淀物分散在离子膜阳极侧，而聚集的沉淀物则结合在接近离子膜阴极一侧，大多数以高碘酸钡或高碘酸钠化合物存在，影响槽电压的主要是分散沉淀物，可使槽电压升高约0.05 V。

2.9 导体及溶液电阻

金属导体电阻高，电极接触不良均会导致电压上升，影响电解槽性能。不管是哪种型号的离子膜，均有一定的温度操作范围。槽温升高有利于电压下降，但是电解槽的运行温度不高于87 ℃，否则，大量的水蒸发会导致气液比增大，电解液趋于沸腾会加速膜的劣化，使电极的腐蚀和涂层的钝化加快，使槽电压上升。

3 预防槽电压升高的措施

影响槽电压的原因很多，但大部分因素是可以控制和避免的。通过对这些影响因素的分析，为降低槽电压可采取以下措施。

（1）严格控制工艺参数，槽温控制在84～87 ℃，确保电压平稳；

（2）减少电流波动和大的压差波动，延长电极及涂层的使用寿命；

（3）提高进槽盐水、盐酸、纯水、二次汽冷凝液、烧碱等所有介质质量。如该公司对于二次盐水质量和进槽二次汽冷凝质量采用在线钙镁分析仪进行监测，当在线分析仪数据有变化时立即取样用ICP进行监测；

（4）优化改良改进设备，减少对设备的腐蚀，如对于阴极系统的管道材质选用310S 不锈钢，防止高温碱的腐蚀，对于盐水系统采用钛材、衬四氟、衬低钙镁橡胶等材料；

（5）电解槽检修时严格按要求检修，保证检修质量；

（6）加强培训和演练，提高员工业务水平，尽最大可能避免异常停车，要正确开、停车操作。