论文部分内容阅读
【摘 要】介绍了影响电槽运行及离子膜使用寿命的几个因素，通过加强电槽的维护和管理，来延长离子膜的使用寿命。
【关键词】盐水质量；电流密度；阳极液PH值；电槽温度；阴极液浓度；阳极液浓度；电槽压力
我厂烧碱车间离子膜电解2#装置，现在使用的是日本的旭化成离子膜。自投入运行以来，各项指标均达到考核要求。为更好地使离子膜电槽能够长周期安全稳定运行，延长离子膜的使用寿命，节约投资，为此，对离子膜电槽的维护和管理作以下探讨，供大家参考。
影响离子膜电槽运行的主要因素有：盐水质量、电流密度、阳极液PH值、电槽温度、阴极液浓度和阳极液浓度、电槽压力等，要保证离子膜电槽的正常运行，还需要配套的仪表设施和整流设备做运行保证，同时也要选择合乎材质的盐水和碱液循环管道来配套使用，避免因管道泄漏、仪表故障、整流器故障等因素造成的停车事故。
一、盐水质量
众所周知，盐水质量的稳定是实现电槽优质，高效运行的前提和基础。我厂采用的阳离子交换膜，具有选择透过阳离子的特性。不仅使盐水中的Na+选择透过，而且对其他的阳离子如Ca+、Mg+等也不能完全阻隔，Ca+、Mg+透过膜与氢氧根离子形成氢氧化物沉淀，沉积堵塞离子膜，导致电流效率下降，槽电压上升。在开停车过程中，水洗离子膜时，可以洗出部分沉淀物，但是会在膜上留下针孔，导致离子膜电流效率下降且不可逆转。铁离子在电池反应中还原成单质铁，吸附在膜的表面，对膜造成污染中毒。这些影响是累积的，极大地影响了离子膜的性能，大大缩短了其使用寿命。
我厂一次盐水工段采用先进的盐水澄清桶工艺，二次盐水工段采用碳素烧结管过滤器和阳离子交换树脂塔，使钙镁含量达到生产指标。树脂塔中，由于树脂在使用过程中反复进行收缩和膨胀，出现破碎也是正常的，旭化成的经验是树脂流失率约为5～10%年，如果是国产树脂的话可能会达到20～30%，如果破碎量异常，可能的原因是：再生碱浓度高、温度高。即使性能非常可靠的树脂，也要定期补充，以保证塔内树脂的量达到生产要求，进而产出合格盐水。
树脂塔内纱纶网的材质是PVDF，运行一段时间以后，受盐水影响其强度会降低，容易出现破裂等情况，在其他装置就曾发生纱纶网破裂树脂流失的事故。一般来说其更换周期是6年，但也有用到8年左右的。及时更换并做好记录，保证设备完好。
通过以上措施，将Ca+，Mg+含量指标控制在Ca+，Mg+<20ūg/l，以保证离子膜的运行条件。
二、电流密度
复极自然循环电解槽运行虽然平稳，但运行中要注意选取最佳的电流密度。电流密度越高，即单位面积上的电流越大，单位面积上的反应也就越剧烈，这就要求离子膜要保持高的穿过能力，这样就对盐水质量提出了更高的要求，若盐水质量不能提高，电流密度提高，就会使膜超载，缩短使用寿命。要提高盐水质量，就得增加投资，所以一般不能任意提高电流密度。
三、阳极液的pH值
如果电槽不加酸，由于HClO的存在，阴极液的pH值一般是4.8。采用向阳极液中加入盐酸的办法，一方面将阴极液反渗透过来OH—
除去，降低Cl2在阳极液中的溶解度，提高阳极效率；另一方面避免阴极侧反渗过来的碱液腐蚀阳极涂层，延长阳极使用寿命，降低阳极液中氯酸盐的含量。
循环盐水中加盐酸可以控制电槽阳极液的pH值，控制PH>2.5。为了避免阳极液过酸化损伤离子膜，生产中我们要求电流升到4.1KA以上才加入盐酸，盐水或电流中断时，立即联锁自动停止加入盐酸。投用的新离子膜性能能满足要求，暂时不用加酸。
四、电槽温度
电槽内副反应多，上槽盐水温度高，环境温度高都会引起电解槽温度超过离子膜的允许操作温度范围。槽温过高会引起气液共沸，不但压力波动大，对膜造成不良影响，而且易使膜失去弹性，刚性下降，过早老化；槽温过低时，膜电阻增大，COO—与Na+不易离解，在强电流的作用下膜易击穿。
电槽温度升高时，电解液和膜电阻减小，在一定电流密度下，槽温高于90℃时，气水比增大，槽电压上升，加速了膜的恶化，加速电极的腐蚀和涂层的钝化。在生产中我们主要做好以下三点来控制槽温：
（1）开车时对碱液进行预热，确保碱液温度大于55℃。
（2）新垫片开车，要讲其他运行电槽的温度降到80℃。
（3）电槽正常运行时，槽温控制在88～90℃，严格控制不能超过90℃。
五、阴极液浓度和阳极液浓度
阴极液浓度与电流效率之间存在一个极大值，随着NaOH浓度的增高，阴极侧膜的含水率减少，固定离子浓度增大，离子膜的选择透过性增强，电流效率随之增加，但是随NaOH浓度的继续增高，膜中OH—增大，OH—反向迁移量增加，电流效率明显下降，每一种膜都存在一个最大电流效率的最佳碱浓度。目前我厂把碱液质量分数严格控制在30%～32%。
阳极液NaCl浓度对电流效率的影响也是明显的。如果淡盐水浓度下降，膜中含水率下降，膜的选择透过性降低，导致OH—反向渗透量增大，电流效率下降。如果离子膜长时间在阳极液浓度低于180g/l的条件下运转，水合钠离子在磺酸层和羧酸层之间聚集，层间压力增大，会使膜分层起泡。其主要原因是阳极液质量浓度下降，水通过膜的迁移量迅速增加，当通过磺酸层进入膜的水量超过羧酸层的承运能力时，大量水分子留在两层之间，导致膜内压力升高，产生鼓泡，水泡磨损即形成针孔，长期如此造成膜泄露，同时碱中含盐急剧增加。我厂严格控制出槽淡盐水质量浓度205～215g/l。
六、电槽压力
保持适当的电槽压差有利于槽电压的降低。我厂电槽运行时，阴极侧压力43～45kPa，阳极侧39～41kPa，总管压差3.9～4.2kPa。压力高，内部产生的气泡就少，减少了气泡附着在极网上的可能性，降低了电槽的槽电压。在操作中，压差不足或者负压差都会导致槽电压明显升高，负压差过大，则离子膜发生撕裂。所以生产过程中要密切关注总管压力和压差，减少离子膜在槽框和极网上的磨损，延长其使用寿命。
七、稳定生产条件
保护离子膜的又一关键是稳定生产条件，减少开停车次数。频繁开停车使离子膜频繁地升降温，膜也频繁地膨胀和收缩，使膜“过度疲劳”，造成膜物理性松弛，起褶皱，甚至鼓泡，引起膜性能下降，影响膜的电流效率。开停车过程中避免不了阴阳极压差的波动，对膜造成双倍的损坏。停车后电槽阳极室充满活性氯气和次氯酸根，氯气在阳极上还原为氯化物，同时金属在阴极被氧化，形成了“电池”。这一电路由反向的金属离子流（通常是Na+），加上从阴极液向阳极液的附着水而平衡电荷。这一反向电流会引起膜的分层和鼓泡。我厂新改造的零极距电解槽停车时通极化电流150A，15分钟，来平衡这一反向电流。停车后长时间的不排液也是影响因素之一，因为在电解槽长时间不排液的情况下，会造成阴极液浓度高于阳极夜离子浓度，水会扩散到阳极液。这种液体流过离子膜，由于扩散的速度较慢，经过较长时间也会造成膜分层鼓泡。停车后，槽温未及时降低。因检修时间的不确定性，槽温一般控制较高，一般控制在85°以上，且未能及时向阳极室补充精制盐水以置换槽内的淡盐水，使槽内扩散现象及“电池效应”加剧，从而损坏离子膜。基于以上论述，停车后应严格按照操作法进行精心操作，最大限度地消除人为原因对造成设备的不良影响。
装置运行到四年，面临的主要问题是机械方面的维护难度增加、材料老化、垫片劣化、油品变质、系统个别部位积聚杂质、结晶等。电槽牺牲电极也会腐蚀的越来越厉害，油缸活塞环也会出现老化、泄漏等。以上问题在生产中我们基本都碰上过，没什么好办法，只能加强管理，及时巡检，发现问题，及时处理。装置运行到6年～8年期，各种易耗品的维修更新将进入一个高峰期，我们要做好设备的检维修工作，择机对老化部件进行更换，保证设备的长周期稳定运行。
综合以上分析，只有通过加强管理，精心操作，延长离子膜的使用寿命，继而减少投资，提高效益。
【关键词】盐水质量；电流密度；阳极液PH值；电槽温度；阴极液浓度；阳极液浓度；电槽压力
我厂烧碱车间离子膜电解2#装置，现在使用的是日本的旭化成离子膜。自投入运行以来，各项指标均达到考核要求。为更好地使离子膜电槽能够长周期安全稳定运行，延长离子膜的使用寿命，节约投资，为此，对离子膜电槽的维护和管理作以下探讨，供大家参考。
影响离子膜电槽运行的主要因素有：盐水质量、电流密度、阳极液PH值、电槽温度、阴极液浓度和阳极液浓度、电槽压力等，要保证离子膜电槽的正常运行，还需要配套的仪表设施和整流设备做运行保证，同时也要选择合乎材质的盐水和碱液循环管道来配套使用，避免因管道泄漏、仪表故障、整流器故障等因素造成的停车事故。
一、盐水质量
众所周知，盐水质量的稳定是实现电槽优质，高效运行的前提和基础。我厂采用的阳离子交换膜，具有选择透过阳离子的特性。不仅使盐水中的Na+选择透过，而且对其他的阳离子如Ca+、Mg+等也不能完全阻隔，Ca+、Mg+透过膜与氢氧根离子形成氢氧化物沉淀，沉积堵塞离子膜，导致电流效率下降，槽电压上升。在开停车过程中，水洗离子膜时，可以洗出部分沉淀物，但是会在膜上留下针孔，导致离子膜电流效率下降且不可逆转。铁离子在电池反应中还原成单质铁，吸附在膜的表面，对膜造成污染中毒。这些影响是累积的，极大地影响了离子膜的性能，大大缩短了其使用寿命。
我厂一次盐水工段采用先进的盐水澄清桶工艺，二次盐水工段采用碳素烧结管过滤器和阳离子交换树脂塔，使钙镁含量达到生产指标。树脂塔中，由于树脂在使用过程中反复进行收缩和膨胀，出现破碎也是正常的，旭化成的经验是树脂流失率约为5～10%年，如果是国产树脂的话可能会达到20～30%，如果破碎量异常，可能的原因是：再生碱浓度高、温度高。即使性能非常可靠的树脂，也要定期补充，以保证塔内树脂的量达到生产要求，进而产出合格盐水。
树脂塔内纱纶网的材质是PVDF，运行一段时间以后，受盐水影响其强度会降低，容易出现破裂等情况，在其他装置就曾发生纱纶网破裂树脂流失的事故。一般来说其更换周期是6年，但也有用到8年左右的。及时更换并做好记录，保证设备完好。
通过以上措施，将Ca+，Mg+含量指标控制在Ca+，Mg+<20ūg/l，以保证离子膜的运行条件。
二、电流密度
复极自然循环电解槽运行虽然平稳，但运行中要注意选取最佳的电流密度。电流密度越高，即单位面积上的电流越大，单位面积上的反应也就越剧烈，这就要求离子膜要保持高的穿过能力，这样就对盐水质量提出了更高的要求，若盐水质量不能提高，电流密度提高，就会使膜超载，缩短使用寿命。要提高盐水质量，就得增加投资，所以一般不能任意提高电流密度。
三、阳极液的pH值
如果电槽不加酸，由于HClO的存在，阴极液的pH值一般是4.8。采用向阳极液中加入盐酸的办法，一方面将阴极液反渗透过来OH—
除去，降低Cl2在阳极液中的溶解度，提高阳极效率；另一方面避免阴极侧反渗过来的碱液腐蚀阳极涂层，延长阳极使用寿命，降低阳极液中氯酸盐的含量。
循环盐水中加盐酸可以控制电槽阳极液的pH值，控制PH>2.5。为了避免阳极液过酸化损伤离子膜，生产中我们要求电流升到4.1KA以上才加入盐酸，盐水或电流中断时，立即联锁自动停止加入盐酸。投用的新离子膜性能能满足要求，暂时不用加酸。
四、电槽温度
电槽内副反应多，上槽盐水温度高，环境温度高都会引起电解槽温度超过离子膜的允许操作温度范围。槽温过高会引起气液共沸，不但压力波动大，对膜造成不良影响，而且易使膜失去弹性，刚性下降，过早老化；槽温过低时，膜电阻增大，COO—与Na+不易离解，在强电流的作用下膜易击穿。
电槽温度升高时，电解液和膜电阻减小，在一定电流密度下，槽温高于90℃时，气水比增大，槽电压上升，加速了膜的恶化，加速电极的腐蚀和涂层的钝化。在生产中我们主要做好以下三点来控制槽温：
（1）开车时对碱液进行预热，确保碱液温度大于55℃。
（2）新垫片开车，要讲其他运行电槽的温度降到80℃。
（3）电槽正常运行时，槽温控制在88～90℃，严格控制不能超过90℃。
五、阴极液浓度和阳极液浓度
阴极液浓度与电流效率之间存在一个极大值，随着NaOH浓度的增高，阴极侧膜的含水率减少，固定离子浓度增大，离子膜的选择透过性增强，电流效率随之增加，但是随NaOH浓度的继续增高，膜中OH—增大，OH—反向迁移量增加，电流效率明显下降，每一种膜都存在一个最大电流效率的最佳碱浓度。目前我厂把碱液质量分数严格控制在30%～32%。
阳极液NaCl浓度对电流效率的影响也是明显的。如果淡盐水浓度下降，膜中含水率下降，膜的选择透过性降低，导致OH—反向渗透量增大，电流效率下降。如果离子膜长时间在阳极液浓度低于180g/l的条件下运转，水合钠离子在磺酸层和羧酸层之间聚集，层间压力增大，会使膜分层起泡。其主要原因是阳极液质量浓度下降，水通过膜的迁移量迅速增加，当通过磺酸层进入膜的水量超过羧酸层的承运能力时，大量水分子留在两层之间，导致膜内压力升高，产生鼓泡，水泡磨损即形成针孔，长期如此造成膜泄露，同时碱中含盐急剧增加。我厂严格控制出槽淡盐水质量浓度205～215g/l。
六、电槽压力
保持适当的电槽压差有利于槽电压的降低。我厂电槽运行时，阴极侧压力43～45kPa，阳极侧39～41kPa，总管压差3.9～4.2kPa。压力高，内部产生的气泡就少，减少了气泡附着在极网上的可能性，降低了电槽的槽电压。在操作中，压差不足或者负压差都会导致槽电压明显升高，负压差过大，则离子膜发生撕裂。所以生产过程中要密切关注总管压力和压差，减少离子膜在槽框和极网上的磨损，延长其使用寿命。
七、稳定生产条件
保护离子膜的又一关键是稳定生产条件，减少开停车次数。频繁开停车使离子膜频繁地升降温，膜也频繁地膨胀和收缩，使膜“过度疲劳”，造成膜物理性松弛，起褶皱，甚至鼓泡，引起膜性能下降，影响膜的电流效率。开停车过程中避免不了阴阳极压差的波动，对膜造成双倍的损坏。停车后电槽阳极室充满活性氯气和次氯酸根，氯气在阳极上还原为氯化物，同时金属在阴极被氧化，形成了“电池”。这一电路由反向的金属离子流（通常是Na+），加上从阴极液向阳极液的附着水而平衡电荷。这一反向电流会引起膜的分层和鼓泡。我厂新改造的零极距电解槽停车时通极化电流150A，15分钟，来平衡这一反向电流。停车后长时间的不排液也是影响因素之一，因为在电解槽长时间不排液的情况下，会造成阴极液浓度高于阳极夜离子浓度，水会扩散到阳极液。这种液体流过离子膜，由于扩散的速度较慢，经过较长时间也会造成膜分层鼓泡。停车后，槽温未及时降低。因检修时间的不确定性，槽温一般控制较高，一般控制在85°以上，且未能及时向阳极室补充精制盐水以置换槽内的淡盐水，使槽内扩散现象及“电池效应”加剧，从而损坏离子膜。基于以上论述，停车后应严格按照操作法进行精心操作，最大限度地消除人为原因对造成设备的不良影响。
装置运行到四年，面临的主要问题是机械方面的维护难度增加、材料老化、垫片劣化、油品变质、系统个别部位积聚杂质、结晶等。电槽牺牲电极也会腐蚀的越来越厉害，油缸活塞环也会出现老化、泄漏等。以上问题在生产中我们基本都碰上过，没什么好办法，只能加强管理，及时巡检，发现问题，及时处理。装置运行到6年～8年期，各种易耗品的维修更新将进入一个高峰期，我们要做好设备的检维修工作，择机对老化部件进行更换，保证设备的长周期稳定运行。
综合以上分析，只有通过加强管理，精心操作，延长离子膜的使用寿命，继而减少投资，提高效益。