影响离子膜电解槽电压主要因素和降低电压的预防措施

陈倩倩

（上海市安装工程集团有限公司，上海 200092）

引言

随着国民经济水平和科技的不断发展，人们对化工产品的需求不断增加，离子膜制碱生产工艺是化工生产的基础，电解槽电压是离子膜制碱工艺重要经济的技术指标，其高低可以影响着电解耗能的大小，直接影响着电解生产的经济成本，因此在生产研究中需要尽可能的减低电解槽的电压[1-2]。通过对离子膜电解槽电压升高因素进行分析，并对其进行改造生产工艺，保证电解槽电解过程可以高效、平稳的进行。随着国家对高耗能生产工业和行业的限定，以及环保形式的不断严峻，人们对生产工艺的经济成本的追求也在不断研究探索。

1 离子膜电解槽简介

离子膜是化工行业常用的选择性通透膜，其电解构造示意图，如图1 所示。离子膜电解槽一般根据电解的供电方式分为：复极槽和单级槽两种。其中复极槽的供电系统示意图，如图2 所示。烧碱的制取工艺属于高耗能行业，其中电子膜法制取烧碱中电耗占到总经济成本的七成左右。目前我国大部分电子膜制取烧碱的工艺耗电量大约为2 000 kW·h/t～2 500 kW·h/t，如何降低工艺的耗电量成为本行业的研究重点[3-4]。通过查阅相关文献资料可知，电解槽电压与电流效率是离子膜电解制取烧碱的关键因素[5-6]。只有通过提高离子膜电解系统的电流效率，才能降低电解槽的电压，从而实现有效降低少烧碱制取工艺中的耗电量。

图1 电解槽离子膜电解原理示意图

图2 复极槽供电组合示意图

当前我国主流的离子膜电解槽都处在运行稳定状态，能保证其电流效率保持在95%以上，如何进一步提高电流效率成为难点和研究重点。想要降低电解槽中的电压不仅需要离子膜电解槽的生产厂家从离子膜电解槽自身的构造和特点出发进行研究设计优化，也需要设计和管理人员从系统安全和工艺生产的角度进行考虑，让离子膜电解槽处于一种最佳的运行电解状态，从而实现降低电解槽中电压和降低制取工艺中的耗电量和经济成本[7]。

2 影响电解槽电压的指标因素分析

离子膜电解槽中的电压是电解的一个重要指标参数，直接影响着电解槽电解的电耗。通过查阅相关文献资料，可以得到离子膜电解槽中电压的表达式（1）为[8-10]：

式中：V 为电解槽电压，V；Vu为离子膜电压降，V；Vo为理论分解电压，V；a 为阳极过电压，V；g 为阴极过电压，V；IRt为电解液欧姆电压降，V；IRe为金属导体中的欧姆电压降，V。

影响电解槽电压的主要指标因素有：电流密度、电解膜的自身结构、电解槽阴阳两极的间距、电解槽的温度、盐水中的杂质、氢氧化钠溶液的浓度、阴阳两极液循环量、阳极液的pH 值、阳极液氯化钠的浓度、电解槽开停车的次数、电解槽的结构，特别是阴阳两极的活性、电解槽的压差和压力。我们统计影响电解槽电压的因素表，如表1 所示。

表1 影响电解槽电压的因素统计表

2.1 盐水中各种杂质对电解槽电压的影响分析

在离子膜电解食盐水制取烧碱的工艺中，二次精盐水的质量直接影响着电解槽的使用寿命和离子膜的效率。电解槽电解液中的碘离子、钙离子、硫酸根离子和镁离子等都会影响电流的效率，直接影响电解槽电压主要有镍离子、镁离子、碘离子、铁离子，在电解食盐水中如果含有以上物质时，就会造成在电解槽中生成不容物质沉积在电解膜的表面，或者会扩散到阴极室造成影响，因此食盐水制取烧碱工艺中要严格控制食盐水中各种杂质的含量。

钙镁离子超标对电解槽电压的影响分析。当食盐水中含有钙镁离子时，与在电解槽中和阴极转转移过来的氢氧根离子生产氢氧化镁和氢氧化钙等沉积物沉积在电解膜表面上，直接影响着电流和电压的效率，造成效率的降低。离子膜电解槽电解液中各类杂质含量的控制指标统计，如表2 所示。

表2 电解液中杂质含量的控制指标统计表

2.2 电解槽离子膜自身构造对电解槽电压的影响分析

电解槽离子膜在制取烧碱的工艺中起到关键的作用，其本质属于选择性膜过滤法。离子膜的电阻对电解槽电压的影响也较大，尤其是对复式电解槽电解时，直流电通过离子膜会形成膜电位。离子膜自身的构造和离子膜的厚度都是影响离子膜电阻的重要因素。通过查阅相关文献资料，可知专家对阳离子交换膜的构造描述可以为离子膜存在的活性基团，它是由带正电荷的对离子和带负电荷的固定离子组成的静电键，如图3 所示。

图3 电解槽离子膜膜体内存在的活性基团

阳离子交换膜是由全氟羧酸层和全氟磺酸层复合而成，全氟羧酸层的离子膜电阻比全氟磺酸层高，而全氟磺酸层是面对阴极侧，具有对氢氧根离子排查，对钠离子吸引的特点，膜电阻高低可以决定离子膜内的电流效率大小。全氟羧酸层面对阳极，决定着全氟离子膜的电压，因为全氟羧酸层电阻较大，如果想保证电流槽电流的电流效率处于较高的水平，就要降低全氟羧酸层的厚度，从而增加离子膜的电导率。增加层不仅会影响离子膜的电流分布，还会增加电解液中各类杂质在离子膜沉积的风险，通过优化设计增强层降低离子膜的接触面积，电解槽离子膜的结构及表面，如图4 所示。

图4 电解槽离子膜的结构及表面示意图

2.3 阴阳两极的性能对电解槽电压的影响分析

电解槽中的离子膜的厚度越高，膜的电压就越高，因强度较高保护电解槽中的阴阳两极的涂层。随着自动化和仪表系统的不断发展，高浓度的离子膜电解槽的自动化程度有了很大的提高，大大的降低了离子膜的厚度，从而导致离子膜的强度降低，因此对操作工艺的要求就越高。在日常的生产中一旦发生压力和压差过大的情况就会造成系统失控发生故障，从而对离子膜造成损坏，不能有效保护阴阳两极上的涂层，甚至可以腐蚀破坏电解槽中阴阳两极的基网。

当离子膜的使用寿命到期后，电解槽更换了新的离子膜后电压也不可能恢复如初。是由于电解槽阴阳两极性能退化和电极网面平整是否，以及电解槽离子膜极距弹性下降等原因造成的。目前我们大部分的阴阳两极涂层的使用寿命大约为8 年～10 年，有效期过后因离子膜阴阳极损坏而造成电解槽中的电压快速上升。同时，电解液中如果含有杂质进入离子膜也会造成电解槽电压的上升，进而造成电解槽电流效率的下降。

2.4 碱液浓度对电解槽电压的影响分析

工业化电解装置具有规模化和自动化的趋势，一个项目中拥有多个甚至几十个电解槽，只更换其中一台或几台的离子膜。由于新换离子膜的电解性能和效率远高于其他未换离子膜的电解槽，从而会造成换了新膜的电解槽内的碱浓度高于其他的电解槽，碱浓度高的电解槽中的电压比其他电解槽高，电解的效率和碱电解量也会高。因此可以通过增加电解槽阴极液流量来平衡电解槽中的碱浓度和温度。

2.5 电解槽温度对电解槽电压的影响分析

电解槽数量较多时，如果更换了新的离子膜的电解槽的电解效率将会极大的提高，其效率和性能优于旧离子膜。其电解槽的温度也会比旧离子膜电解槽温度低，电压也会对电解槽的温度产生影响。当电解槽电压出现虚高时，可以是抵挡提高新膜的电流，降低旧膜的运行电流，维持新旧电膜电解槽的温度平衡，充分发挥新膜电解槽电解效率高、电解性能好和耗电量少的优势，降低工艺制取的经济成本。

3 降低电解槽电压的预防措施和建议

通过前文的分析可知影响电解槽电压的指标因素有很多，大多数影响因素都可以通过日常的安全管理和控制进行避免。通过对这些影响因素进行辨识分析，可以得到降低电解槽电压的预防措施及建议。

1）严格控制离子膜电解槽电解的各种工艺控制参数，电解槽的温度要控制下80 ℃～88 ℃范围内，可以确保电解槽中电压的稳定。

2）减少电解槽电流的异常波动，让其保持在稳定的状态；稳定压差的波动范围，增强阴阳两极及膜上涂层的使用寿命。

3）提高电解槽中盐酸、盐水、纯水、烧碱等所有介质的质量。并对进入电解槽的二次汽冷凝质量和二次盐水质量进行实时的检测，当在线监测数据发生异常时立即进行取样监测，时刻关注监测数据变化。

4）优化改良电解槽的电解设备，增强电解设备的防腐设计如采用防腐材质的阴阳极材料，防止碱液和高温对电解设备的腐蚀和损坏。

5）增强对电解槽的检修和定时保养工作，完善相关操作规程和管理制度，保证检修和保养的质量。

6）加强对电解槽员工操作技能的培训，以及安全知识的培训和应急演练，提高企业职工的职业技能和管理水平，尽可能避免生产状况的发生，严格按相关规定和要求进行开停车操作。

7）严格控制电解槽中电解液中杂质的含量指标，实时的进行取样检测，保证杂质的含量都在控制指标范围以内。