关于离子膜电解槽电压升高的原因研究

关于离子膜电解槽电压升高的原因研究

王日纬

天津渤化化工发展有限公司  天津市滨海新区    300450

摘要：离子膜电解技术是目前国内烧碱生产中最重要的工艺技术之一，运行过程中，由于各种原因会导致槽电压升高，影响电解装置的安全稳定运行。对电解槽电压升高的原因进行分析研究，可以找出电解过程中影响电解槽电压升高的各种因素。本文对离子膜电解槽电压升高的原因进行了分析，并提出了预防改进的措施。

关键词：离子膜电解槽；电压升高；原因分析

在烧碱生产过程中，离子膜电解槽是最重要的单元设备之一，是生产中不可或缺的一部分。由于其技术复杂，影响因素多，一旦发生故障，将会造成巨大的经济损失，其中槽电压是反应电解槽运行状态的重要指标，槽电压的高低直接关系到单位烧碱的电耗多少，因此对离子膜电解槽电压升高的原因进行分析研究是非常有必要的。本文对影响离子膜电解槽电压升高的各种因素进行了系统的分析研究。

1、槽电压的组成

影响槽电压的因素较多，在理论上离子膜电解槽的槽电压是由以下部分组成：槽电压（V）、理论分解电压（              E0）、离子膜电压降（VM）、阳极过电压（VA）、阴极过电压（VC）、阳极溶液欧姆定律电压降（IRA）、阳极溶液欧姆定律电压降（IRc）、金属欧姆定律电压降（IRt）。

所以离子膜槽电压的公式为;

V= E0+ VM +VA +VC +IRA +IRc +IRt

2、影响离子膜电解槽槽电压的因素

（1）电解槽的温度

电解槽温度影响槽电压的原理是当电解槽温度升高时，离子膜内部的空隙会相应的变大，从而增加其导电性，导致电压降低。

一般而言电解槽温度指的是阴极液的出口温度即电解槽出口烧碱的温度，在阴极液循环泵出口安装有阴极液换热器，利用循环水进行冷却，换热器进口安装有温度调节阀整体控制进电解槽的烧碱温度，旭化成电解槽要求控制电解槽温度在84-87℃。此种方案为整体控制进电解槽碱液的温度，但是随着运行时间、运行负荷的不同，不同的电解槽需要不同的槽温控制，为了更精准的控制单台电解槽的温度，有的氯碱企业在每台电解槽的烧碱进口增加阴极液换热器，利用循环水冷却（蒸汽加热），这样可以根据每台电解槽的不同情况控制单台电解槽的槽温，从而保证电解槽在最优的槽电压下运行。

（2）盐水质量的管控

保证进电解槽的盐水质量是电解槽高效安全运行的重中之重。目前，各氯碱生产企业的盐水指标如下：

二次盐水(离子交换塔出口处)

Ca+Mg≤0.02mg/l；Si≤2.3mg/l；Al≤0.1mg/l；

I≤0.1mg/l；Ba≤0.1mg/l；Sr≤0.1mg/l；

Fe≤0.05mg/l；Ni≤0.01mg/l；

根据研究，盐水中杂质离子对电解槽电压的影响原理为：杂质中的部分金属阳离子（钙离子）会以氢氧化物沉淀的形式沉积在离子膜阴极侧的羧酸层中，部分金属离子（镁离子）会以氢氧化物沉淀的形式沉积在离子膜阳极侧的磺酸层中，从而使离子膜表面产生孔洞，破坏离子膜的结构，从而使槽电压迅速升高，如果出现盐水质量严重超标的情况需要立即停电解槽，对电解槽进行水洗，即便如此，槽电压还是会上升难以恢复到之前的水平，若盐水污染时间较长，需要对离子膜进行大面积更换，对企业的生产和效益都会造成巨大的损失。

（3）离子膜的影响

在电解槽电压的组成中，离子膜电压的大小也是一个十分关键的因素。一般情况下，当离子膜出现盐泡、碱泡的时候首先会造成电流效率的下降，一段时间后槽电压也会出现一定的上升。

电解槽检修时，垫片安装不当会造成离子膜离子膜形成盐泡。电解槽上部生成的氯气无法及时脱出，与阴极迁移过来的氢氧根反应生成次氯酸钠和盐存在于离子膜中，造成离子膜内部剥离形成盐泡。

安装离子膜时阴阳极装反时，在通电电解时，大量的氢氧根向磺酸/羧酸界面迁移，而羧酸层氢氧根迁移量小于磺酸层，造成离子膜分层，产生碱泡。

（4）氯气、氢气压力的控制

氯气、氢气的压力和压差的稳定，是保证电解槽和离子膜稳定运行的重要因素，也是保证槽电压稳定的重要前提条件。

一般在设计时氢气压力高于氯气压力，目的是保证离子膜紧贴向电解槽的阳极侧。因为根据研究阳极液的电导率为56Ω-1m-1，阴极液的电导率为115Ω-1m-1，是阳极液的两倍多，如果溶液间隙为2mm，则在一定的电流密度下，离子膜贴向阴极侧将会使槽电压升高82mv。

旭化成电解槽运行时，氢气总管压力控制44KPa，氯气总管压力控制40 KPa，氢气压力与氯气压力为串级控制，压差为4KPa。

（5）阴极液浓度的影响

    在电解槽中，随着电解过程的进行，烧碱浓度逐渐升高，离子膜阴极侧膜的含水率会减少，造成膜的导电性能下降，造成其电压升高，但是此时随着烧碱浓度的升高，电流效率会随之增加，当烧碱浓度超过35%以后，电流效率会明显下降。因此，为了获得较低的电压和较高的电流效率，要保证烧碱浓度在一定范围内，比如旭化成离子膜要求烧碱浓度在32 ± 1 wt%。

（6）电解槽结构的影响

目前氯碱生产企业使用的电解槽都为复极式自然循环电解槽，从发展历程来讲先是高电密自然循环复极槽然后是膜极距自然循环复极槽（零极距电解槽），零极距电解槽通过改进阴极侧结构，增加了弹性网，使阴极网能够紧贴阳极网，使电极的距离变为膜的厚度，从而达到降低槽电压的目的。

零极距电解槽阴极网采用镍丝编织网结构，从而增大了比表面积，在提高电流密度的同时，使得电解电流分布的更加均匀，有效的降低了槽电压。

根据相关资料，在同等电流密度下，零极距电解槽相比普通电解槽电压降低大约180mV。

（7）电解槽电极的影响

在离子膜电解槽中，电化学的反应机理和电解的物料特性决定了阴阳电极的材料选择。所以离子膜电解槽采用的是涂有氧化钌混合物的钛阳极和镍阴极。

从原理上讲，阴阳极表面涂层的主要作用就是降低阴极的析氢电位、阳极的析氯电位，从而达到降低电压的目的。

阳极网对槽电压的影响：①当氯氢压差出现大的正压差时，会造成阳极网出现塌陷，此时单元槽的电压会升高。②在单元槽检修过程中划伤阳极表面的涂层，造成电解槽寿命下降，氯的析出电位过高，造成电压升高。

阴极网对槽电压的影响：电解槽停车过程中产生反向电流腐蚀阴极涂层，造成阴极涂层大面积脱落，造成槽电压升高。

二、避免槽电压出现升高情况的措施

由于电解过程中可能会受到多种因素的影响，因此，在实际生产中应从各个方面进行考虑，以减少或者避免影响槽电压升高的因素。具体措施包括：

（1）着重加强盐水质量的管控。保证一次盐水原盐质量的稳定、加强树脂塔运行的监控，通过钙镁在线分析仪严格监控进电解槽的盐水质量，避免离子膜的污染。

（2）加强生产管理，避免非计划性停车。对影响槽电压的阴极液温度、阴极液浓度等进行严格控制，避免控制点的波动对槽电压造成影响。

（3）严格按照操作规程，在电解槽停车期间保证电解槽极化整流器或者C-DCDS的投用，保证阴阳极循环流量，减少反向电流对阴极的腐蚀。

（4）优化电解槽运行，在生产允许的条件下，选择最优的运行电流密度，保证槽电压在低水平。

（5）按照使用寿命及时对电解槽进行大修，一般离子膜更换是3-4年，阴阳极网更换是8年。

（6）增加槽电压监测系统，对槽电压进行科学合理的监测，能够发现槽电压的微小变化，对生产起到及时充分的指导。

（7）电解槽的更新换代。氯碱生产企业可根据自身情况，更换最新型号的电解槽，也可以达到很好的降电耗的效果，虽然此项的投入较大，但是可以达到长期的低电压运行预期。

三、结论

通过对离子膜电解槽电压升高原因的分析研究，可以为今后离子膜电解槽的运行和维护保养工作提供有价值的参考依据，也可以有效地避免或减少电解过程中由于各种原因导致的电解槽电压升高现象。

参考文献：

[1]刘国桢主编.现代氯碱技术手册.第5章离子膜电解槽原理；化学工业出版社，2018.