高金龙，舒晨，李红玲

(青海宜化化工有限责任公司，青海 大通 810100)

1 工作原理

离子膜是由全氟磺酸层和全氟羧酸层组成的具有选择离子透过性的双层膜。在氯碱工业中，采用离子膜电解氯化钠法制取烧碱、氯气、氢气。由于磺酸基团具有亲水性能，而使膜在溶液中溶胀，膜体结构变松，从而造成许多微细弯曲的通道，使其活性基团中的Na+可以与盐水溶液中的同电荷的Na+交换。与此同时，膜中的活性基团中固定离子具有排斥Cl-和OH-的能力，从而获得高纯度的氢氧化钠溶液。水化钠离子从阳极室穿过离子膜迁移到阴极室时，水分子也伴随迁移，此外还有部分Cl-和OH-受电荷的吸引和扩散作用迁移，发生副反应。

(1)在离子膜电解系统中，发生在阳极的反应如下。

①主要反应：

②副反应生成HClO：

③副反应生成NaClO：

④副反应形成NaClO3：

⑤副反应形成O2：

(2)在离子膜电解系统中，发生在阴极的反应如下。

①主要反应：

②副反应：

2 使用效果

青海宜化化工有限责任公司(以下简称“青海宜化”)离子膜法烧碱装置24万t/a，全部使用氯工程电解槽n-BiTAC898槽型，离子膜使用型号有美国杜邦N-2050WX、日本旭硝子F-8080A、日本旭化成F7001、国产离子膜DF-2807。

青海宜化2020年1月5日在1A电解槽上同时安装了32张国产离子膜DF-2807和66张旭化成离子膜F7001。为了对比国产离子膜DF-2807的使用效果，分别安装在1A电解槽前6个单元槽(1-6)、中间12个单元槽(43-54)、后14个单元槽(85-98)，与进口旭化成离子膜F7001相关使用数据进行对比。

相同条件(电流 14.7 kA，电流密度 4.49 kA/m2，槽温 86.5 ℃，出槽盐水质量浓度 209.7 g/L，出槽碱质量分数 32.09%)下，1A电解槽开车1周内2种离子膜运行情况如表1所示。

表1 相同条件下开车1周内DF-2807和F7001运行数据对比Table 1 Comparison of operation data between DF-2807and F7001 in one week after startup at the same conditions

相同条件(电流 14.7 kA，电流密度 4.49 kA/m2，槽温 86.5 ℃，出槽盐水质量浓度212.69 g/L，出槽碱液质量分数 32.10%)下1A电解槽开车1周后DF-2807离子膜氯气体积分数从98.6%突然降至98%，运行情况如表2所示。

表2 相同条件下开车1周后DF-2807和F7001运行数据对比Table 2 Comparison of operation data between DF-2807and F7001 one week after startup at the same conditions

对比表1和表2数据可以看出：国产离子膜DF-2807开车1周后，氯气纯度从98.6%降至98%，33个单元槽氯气体积分数在97.8%～98%之间，氯中含氧体积分数在1.2%～1.4%之间，氯中含氢体积分数为0.13%，单元槽电压平均为2.92 V。同槽F7001氯气纯度98.9%稳定，氯中含氧体积分数0.5%～0.6%，单元槽电压平均为2.87 V，比DF-2807低50 mV。

相同条件(电流 13.5 kA，电流密度 4.12 kA/m2，槽温 85.2 ℃，出槽盐水214.32 g/L，出槽碱液质量分数 32.11%)下1A电解槽开车1年后，国产离子膜DF-2807与进口旭化成离子膜F7001对比，运行情况如表3所示。

表3 相同条件下开车1年后DF-2807 和F7001运行数据对比Table 3 Comparison of operation data between DF-2807and F7001 one year after startup at the same conditions

对比表1—表3数据可以看出：国产离子膜DF-2807运行1年后，氯气体积分数开车初是98.6%，1周后降至98%，后逐渐上涨至98.2%再未下降，33个单元槽氯气体积分数在98.1%～98.4%之间，氯中含氧体积分数在1.0%～1.4%之间，氯中含氢为0.13%，单元槽电压平均为2.89 V。同槽F7001膜的氯气体积分数稳定在98.9%，氯中含氧体积分数0.5%～0.6%，单元槽电压平均为2.84 V，两者槽电压仍然相差50 mV，运行平稳。

不同条件下DF-2807离子膜与N-2050WX、F-8080A、F7001离子膜对比运行情况如表4所示。

从表4分析可得如下结论。

表4 不同条件下不同离子膜运行数据对比Table 4 Comparison of operation data of different ion exchange membranesafter operation for different periods at different conditions

(1)国产离子膜DF-2807运行时间最短，为12个月，氯气纯度98.2%，其余3家离子膜运行时间最短20个月为F7001，氯气纯度98.9%，最长55个月为F-8080A，氯气纯度为98.6%。

(2)4家离子膜折标电流13.5 kA，国产离子膜DF-2807单元槽平均电压2.89 V最低，但运行时间最短。F7001单元槽平均电压2.91 V，N-2050WX单元槽电压2.97 V，F-8080A单元槽电压最高3.02 V。F8080A离子膜运行时间最长。

3 使用成本

按照以上分析数据，国产离子膜槽电压比F7001离子膜低50 mV，电流效率按照95%计算，电化当量1.492，吨碱电耗上涨=50÷(1.492×95%)=35.3 (kW·h/t)。按年产24万t烧碱、电价0.35元/(kW·h)计，增加成本为：

24×35.3×0.35=298.2(万元)。

4 结语

国产离子膜DF-2807在氯工程电解槽n-BiTAC898槽型使用12个月，运行条件为电流密度4.12 kA/m2、槽温85.1 ℃情况下，分析氯气体积分数在98%～98.4%之间，氯中含氧体积分数1.0%～1.4%，含氢体积分数0.13%正常，出槽烧碱质量分数32.1%正常，出槽盐水质量浓度212.7 g/L正常，平均单元槽电压2.89 V。对比进口离子膜使用效果，虽然略有差距，但是已经有了质的突破，对以后离子膜电解具有重要意义及深远影响。