杨庆宾

(山东东明万海氯碱化工有限公司，山东 东明 274500)

1 国产离子膜的概况

国产离子膜不断改进升级。为支持国产离子膜的发展，东明万海氯碱化工有限公司(以下简称“万海氯碱”)于2019年12月开始试用国产离子膜。为对比运行数据，部分电解槽安装了进口离子膜。国产离子膜在万海氯碱运行已满18个月，共有3台电解槽使用国产离子膜，国产离子膜占全厂离子膜的37.50%。

2 国产离子膜的安装

打开国产离子膜包装卷，将膜放入10～35 ℃、质量分数0.2%～2%的氢氧化钠溶液中进行预处理。仔细检查电解槽阴阳极表面情况，确认电极网面平滑，无毛刺、突起等情况，防止膜在安装过程受到机械损伤。膜预处理完成后安装时，向电解槽阳极表面喷淋纯水，直到其充分湿润，阴极侧用塑料薄膜覆盖，以防水飞溅到阴极侧。小心取出一张膜，取膜时，膜不得与地板或其他物体接触。检查膜的方向，按照膜角上“ANODE”阳极的标志放在与阳极侧电极表面相一致的位置。将膜从上部放入两单元槽中间，对膜进行定位，过程中不要让膜与电极和垫片接触。为了不使膜起皱，将膜小心缓慢地靠近阳极表面移动，将膜轻轻向外拉，使膜与阳极表面保持距离约20 mm。检查并调整膜的位置，轻轻地将膜的中心按在阳极表面，从中心开始，将膜贴在阳极上，依次是上部/下部及两侧。安装过程中膜要伸展，不要形成皱纹，要严格避免折叠。

3 国产离子膜的开车运行

3.1 进槽盐水品质

进槽盐水品质如表1所示。

表1 进槽盐水品质Table 1 Quality of brine feeding cell

3.2 开车过程注意事项

电槽槽溢流后投极化，检查所有单元槽电压在1.6～2.1 V，控制升温速度为5～8 ℃/h，槽温升至大于60 ℃停加纯水。

升电流时，通过整流器控制系统按1 kA/min速度逐步增加电流的负荷，电流升至3 kA用伏特表检查所有单元槽电压高于2.3 V，低于2.3 V则有可能有针孔，需要停车处理；匀速增加电流至3 kA，分析氯中含氢要求小于0.1%，否则要停车检查；匀速增加电流至正常运行电流，检测单元槽盐水在(210±10) g/L，控制烧碱质量分数32.0%～32.5%。

4 国产离子膜的运行数据

4.1 国产离子膜的运行校正电压及上升情况

电解槽平稳运行后，国产离子膜单元槽校正电压平均为2.964 V，较进口某型号离子膜的单元槽校正电压高9 mV(见图1)。

图1 校正电压对比Fig.1 Comparison of correction voltage

离子膜的涂层对电压有很大影响。通过优化涂层溶液配方和喷涂工艺，提供更加疏松、立体、多孔的微观结构，形成更加高效的气体疏散通道，更大程度地降低了槽电压[1]。

随运行时间的增长，离子膜会产生老化，性能有所下降，槽电压相应增长。当然槽电压增长的速度与电解槽槽况、盐水质量、操作工艺等都有关系[1]，国产离子膜在万海氯碱的单元槽校正电压上升值为47 mV/a。

4.2 国产离子膜的交流电耗

因使用国产离子膜的电解槽与使用其他离子膜的电解槽共用一套循环系统，无法单独计量产碱量和电解槽交流电耗，故只能推算国产离子膜的交流电耗，运行初期在万海氯碱的交流电耗为2 059.147 kW·h/t(折100%烧碱)。

4.3 国产离子膜的产品品质

运行初期产品碱质量分数平均为32.158%，碱中含盐质量分数平均为20.084×10-6，碱中Fe3+质量分数平均为0.88%，碱中碳酸钠质量分数为0.113%；氯气体积分数平均为99.147%；氯中含氧体积分数为0.771%，含氢体积分数为0.032%，含氮体积分数为0.05%；氢气纯度为99.99%。国产离子膜的产品满足品质要求。

5 国产离子膜运行控制要点

5.1 二次精制盐水品质的控制

盐水品质对离子膜的使用影响较大，对电压、电流效率及离子膜的使用寿命均有一定影响。精制盐水中的金属离子对膜都有较大的危害，但是每种离子对膜的影响是不同的。其中Ca2+和Mg2+对膜的影响最为明显。控制二次精制盐水的品质，尤其是Ca2+、Mg2+、Sr2+等杂质在工艺指标范围内，这些杂质在膜内形成氢氧化物沉淀，使槽电压上升，电流效率下降。负荷越高，对盐水品质要求越严。

5.2 烧碱浓度控制

阴极碱液浓度与电流效率的关系存在一个极大值。随着碱液浓度的上升，阴极侧膜的含水率将会减少，固定离子浓度上升，因此电流效率随之增加。随着碱液浓度的继续上升，膜中的OH-浓度增加，使电流效率明显下降。

随着碱液浓度的提高，阴极液电阻增加，槽电压上升。通常出槽碱质量分数每增加1%，单元槽电压会升高15 mV左右[2]。同时，碱液浓度的升高，会使碱中含盐量随之下降，原因是膜中含水率的下降抑制了氯离子向阴极侧的渗透速度。

高的碱液浓度及低的槽温度下长期运行对膜的影响很大，将产生不可逆转的电流效率的下降。长期稳定地控制碱液浓度非常重要。

5.3 阳极盐水浓度控制

淡盐水浓度要稳定控制。淡盐水浓度过高，膜的含水量减少，导致膜电压上升。随着阳极液中淡盐水浓度的降低，电解槽电流效率下降。这是由于淡盐水浓度的降低，膜中含水率上升，导致OH-反渗速度增加，电流效率下降。长期在低盐水浓度下运行，会使膜发生膨胀，严重时起泡和分层，出现针孔而使膜遭到破坏。造成起泡的原因是：盐水浓度非常低时，膜中磺酸层的透水速度将会超过羧酸层，使一部分水积蓄在两层膜的交界处，从而发生层间剥离或产生水泡。同时浓度下降会使水的移动量上升，阳极液中将有更多的Cl-随着水渗透到阴极室导致碱中盐含量上升。

电解槽阳极液出口质量浓度一般控制在190～210 g/L。

5.4 电解槽温度控制

每种离子膜都有一个最佳的操作温度范围。在这个温度范围内，温度上升使离子膜阴极一侧的空隙变大，Na+迁移数增多，有助于提高电流效率和降低槽电压。但是高于90 ℃，水的蒸发量增加，导致蒸汽和水比例增加，使电压上升，同时因电解液趋向沸腾,加速膜的恶化,加剧了电极的腐蚀和涂层的钝化。在低于85 ℃时，操作温度和槽电压成线性关系，每上升1 ℃，单槽电压下降10 mV。随着温度的上升，碱中含盐量随之上升。这主要是因为温度上升使膜发生膨胀，同时Cl-的活度系数有所增加，使Cl-向阴极室的扩散渗透加快，碱中含盐量上升。

离子膜电解槽的出口碱液温度一般控制在84～89 ℃。

5.5 电解槽压差控制

氯气和氢气的压力控制是保护膜不受机械损伤，延长膜使用寿命和性能的关键。氢气压力过高，就会导致阳极永久变形，极距增大，电压上升，而且易损坏膜；如果压差过小，不仅使槽电压上升，而且使压差容易波动，膜因为振动受到损坏。特别是在异常情况下，导致负压差，不仅使槽电压上升，而且使平时贴向阳极一侧的膜反移贴向阴极，阴极表面粗糙，存在铁锈和其他沉积物，不仅污染膜，而且使膜因为移动而受到损坏。

5.6 阳极液 pH值对电解的影响

5.6.1 阳极液pH值对槽电压的影响

离子膜中全氟羧酸在有—COONa存在的条件下，具有优良的性能。如果—COONa变为—COOH型，就不能作为离子膜工作了，因此必须使阳极液的pH值高于一定值，否则膜内部就要产生水泡而受到破坏，使膜电阻上升，槽电压急剧上升。因此电解槽加酸要均匀，严格控制阳极液的pH值在2～4之间。

5.6.2 阳极液pH值对电流效率的影响

阴极液中的OH-通过离子膜向阳极侧反渗，不仅直接降低阴极电流效率，而且反渗到阳极侧的OH-还会与溶解到盐水中的氯发生一系列的副反应，这些副反应导致阳极上析氧的消耗，使电流效率下降。向阳极侧添加盐酸，可以将反渗过来的OH-与HCl反应除去，从而提高阳极侧电流效率。

控制阳极液加酸可以除去反渗过来的OH-，不仅提高阳极电解效率，而且降低氯气中的氧含量和阳极液中的氯酸盐含量。

6 国产离子膜使用总结

从目前国产离子膜在万海氯碱的运行情况看：国产离子膜运行能满足产品质量的要求，电压、电流效率均能满足生产需要，操作与以往使用的离子膜相同，但与运行电压最低的进口离子膜还有一定差距，仍有一定的提升空间。