影响离子膜电解槽电压的因素

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[摘要]介绍了离子膜电解槽槽电压的构成。认为影响槽电压的主要因素有膜自身结构，电流密度，碱液浓度，阴、阳极间距，阴极液循环量，温度和盐水中的杂质。离子膜电解生产烧碱过程中，电流效率和槽电压是衡量能耗高低的重要指标，其中槽电压的升降不仅影响电解生产的正常进行，而且容易对电气设备造成一定程度的损害。

[关键词] 离子膜电解槽 槽电压 影响因素

中图分类号：TQI14.262 文献标志码：B 文章编号：

一、影响槽电压的主要因素

1、膜自身结构对槽电压的影响

膜电压降首先由膜本身的结构所决定。一般影响膜电阻的主要因素有：组成膜复合层的化学结构、复合层的物理结构、复合层的厚度。另外，磺酸树脂层的膜电阻要低于羧酸树脂层；同样是磺酸层，膜电阻随其离子交换容量IEC值（单位体积或质量的离子交换材料能够交换的离子的量，单位为摩尔/千克（mol/kg））的下降而上升。

由于羧酸层电阻较高，因此，在保证电流效率的条件下，尽可能地减少羧酸层的厚度，有助于降低离子膜的电压降，从而降低槽电压。

各公司的离子膜均由数层复合而成，而在提高膜性能的同时，都要尽量减少膜的厚度，以便降低膜的电压降。

2、电流密度对槽电压的影响

膜电压降直接受电流密度的影响。一般情况下，膜电压降应正比于电流密度，并呈直线关系。稍稍偏离直线关系，在1.5-4.0kA/这一常用电流密度范围内，呈直线关系。对于食盐电解来说，浓度较高，温度也较高，膜的表面附近一般不会产生浓差极化现象。电流密度不仅影响膜的电压降，还影响气泡效应、阳极及阴极的过电位和溶液及导体的电压降。总的效果是，电流密度升高，槽电压也逐渐升高。可见，虽然槽电压与电流密度呈正比关系，但随着膜结构性能的改变，电压曲线的斜率发生了变化，导致膜电压降的下降。

（1）非活性不锈钢阴极，非亲水性膜，极距为3mm的电解槽的电流密度与槽电压的关系为：V=2.623+0.277I。I为电流密度，V为膜电压降

（2）活性镍阴极，亲水性离子膜、零极距电解槽的电流密度与槽电压的关系为：V=2.423+0.177I。I为电流密度，V为膜电压降

3、烧碱浓度对槽电压的影响

随着电解过程NaOH浓度的提高，膜中含水率逐渐降低，导致膜电压降升高，槽电压也随之升高。

膜的电阻率也随NaOH浓度升高而增加，使槽电压上升，阴极液电阻随其浓度增加而上升，也使槽电压上升，总的结果是随着NaOH浓度的升高，槽电压上升。然而碱浓度提高，电流效率也升高。总的结果是电解液每增、减1%，离子膜碱的折标直流电耗减、增10kW*h/t[1]。但是，由于我国碱的浓度标准有30%，42%，50%，而现在用的离子膜碱质量分数范围一般在30%-33%，所以国内大多数厂家一般控制碱的质量分数为30%。

4、两极间距对槽电压的影响

缩小两极间距离，溶液电压降随之降低，槽电压相应降低。但极距缩小到某种程度（如2mm以下时），槽电压反而有上升的趋势。这一现象最初是由日本专家日根支男教授发现的，其原因可解释为：一般在电解中膜的阴极一侧表面均附着一定量的氢气泡，这些氢气泡的存在会导致槽电压上升。随着极距的减小，膜与电极间空间减少，膜上附着的气泡难以除去而逐渐增多，导致槽电压上升。要解决此问题以实现极距的缩小，就要从改变膜的结构入手，使膜阴极一侧的氢气泡难以附着其上。旭硝子公司发展的Flemion723膜是一种有机-无机复合膜，在膜的阴极侧表面有一层耐蚀性优异、非导电性的无机物组成的多孔性薄层，这种结构可限制电极上发生的气泡再附着在膜上，膜的表面上不致被气体遮盖，从而获得了电流密度均匀分布的效果。

杜邦公司也根据同样的设想研制出了改性膜，其牌号为NafionNX-10348及NafionNX-961。离子膜表面改性的成功实现了膜电解槽结构的零极距化。

5、阴、阳极液循环量对槽电压的影响

在一般离子膜电解槽里，气泡效应对槽电压的影响是明显的。阴极液循环量减少时，槽内的液体中气泡会增加，气泡在膜上及电极上的附着量也将增加，导致槽电压上升。阴、阳极液循环量也不能太大，太大会使离子膜震动大，缩短使用寿命。所以，循环量控制要合适。

经过改性处理的膜组装的零极距电解槽（例如旭硝子公司的AZEC电解槽）中，由于膜经过亲水处理，气泡难以附着，气泡效应的影响减少。不同电流密度下，阴极液循环量的改变对槽电压影响不大，改变阳极液的循环速度也获得了同样的结果。

6、温度对槽电压的影响

影响槽电压的温度包括电解温度和电解液温度。温度升高，槽电压下降。因为温度上升，将使膜的孔隙增大，有助于提高膜的导电度，从而降低槽电压。同时，温度上升，将使电解液的电导度提高，从而降低溶液电压降。有数据显示，电解液温度每增、减1℃，离子膜碱的折标直流电耗减、增7kW*h/t[2]。但温度高于90℃时，水的蒸发量增加，使电压上升。所以，生产中控制电解温度在85-90℃。

7、盐水中杂质对槽电压的影响

当盐水中铁离子的质量浓度超过55ug/L[3]时，它将在膜上形成杂质层，使槽电压上升。当盐水中钙和镁离子的质量浓度超过33ug/L[3]时，在膜内形成氢氧化物沉淀，使槽电压升高，尤其是镁离子浓度高时，槽电压升高很多。当锶、钡离子的质量浓度超过550ug/L时，将在膜内形成结晶沉淀，使槽电压升高。

所以，要控制好出螯合树脂塔的盐水质量，二次盐水中上述金属离子的浓度不能超过指标。要保证二次盐水质量，必须作到以下几点。

（1）螯合树脂塔内树脂层高度必须达到105，否则，必须及时补充；

（2）螯合树脂塔树脂再生时，随时检查再生流量，不能低于流量下限，否则，及时调节；

（3）如果再生质量不合格，即再生酸度

8、电解槽内的压力和压差对槽电压的影响

提高电解槽压力，电解液中气体体积缩小，因发生气泡而引起电解液电阻下降，电解槽电压降低，但电解槽压力过大，对其强度要求也高了，并易漏，因此电解槽气体压力应控制在一定范围内。

电解槽正压差比负压差对降低槽电压影响效果大，因为阳极液电导率远远小于阴极液电导率。所以，生产中离子膜要贴向阳极，阴、阳极室压差控制在12.8kPa。

9、阳极液PH值对槽电压的影响

工业化的离子膜绝大多数是全氟磺酸和全氟羧酸复合膜。全氟羧酸在有-COONa存在情况下，具有优良的性能，如果羧酸基变为-COOH型，它就不能做为离子膜工作了，因此，必须使阳极液PH值高于2，否则膜内部就要因发生水泡而受到破坏，使膜电阻上升，电解槽电压急剧上升，但PH值也不能高于3.0。否则，不能中和从阳极室反迁移过来的氢氧根离子，从而引起阳极电流效率的下降和氯气纯度降低。

10、开、停车次数对槽电压的影响

因为每一次开停车都可能因为压差控制不好，引起膜的振动，使膜受损，从而导致槽电压上升。因此，正常生产中，要多巡检，发现问题及时解决，消除停车隐患，尽量减少停车次数，必须停车时，也要注意压差的控制。

二、总结

综上所述，离子膜电解中槽电压的主要影响因素有膜自身结构、电流密度、烧碱浓度、两极间距、阳极液循环量、温度、盐水中杂质、电解槽内的压力和压差、阳极液PH值和浓度、开、停车次数等。结合生产实际情况，诸如膜自身结构、电流密度、两极间距等因素一定时，受人为操作的影响因素有烧碱浓度、阳极液循环量、温度、盐水中杂质、电解槽内的压力和压差、阳极液PH值和浓度，可通过调节这些受人为操作影响的因素达到最佳优化条件时，保证电解槽高效、安全运行。

参考文献

[1]王德江，影响离子膜电解槽电压因素[J].氯碱工业.2005（3）

[2]梅冬艳，影响离子膜电解槽电压因素[J].中国氯碱.2005（4）