食盐水电解槽槽电压的影响因素及其分析牛永恒

食盐水电解槽槽电压的影响因素及其分析牛永恒
发布时间：2021-09-06T01:55:10.692Z 来源：《中国科技人才》2021年第17期作者：牛永恒[导读] 氯碱工业通过电解食盐水生产烧碱和氯气，同时副产氢气，是在我国占有重要地位的基础化工原料工业。

新疆圣雄氯碱有限公司电解车间
摘要：氯碱工业通过电解食盐水生产烧碱和氯气，同时副产氢气，是在我国占有重要地位的基础化工原料工业。

目前食盐电解所采用的方法有离子膜（IEM）法、水银法和隔膜法。

本文就氯碱工业中电解槽的槽电压构成及其影响因素进行分别讨论，并介绍一些生产和研究的最新进展。

电解槽的槽电压是由理论电解电压、过电位、溶液电阻电压降部分构成。

因此需要分析讨论构成槽电压的诸多因素对槽电压影响。

关键词：离子交换膜；槽电压；电解
电解工业具有能耗低，产品种类多，产品纯度好，环境污染较少，方法独特等优点而广泛应用。

电解槽是电解过程中的一台关键设备，先后经历了几次更新或替代：第一代是石墨阳极石棉隔膜槽石墨 - 石棉槽的水平式和立式；第二代为金属阳极石棉隔膜电解槽金属 - 石棉槽；第三代是离子交换膜电解槽（离子膜槽）。

水银法是十九世纪末出现的一种食盐电解法，在我国已被淘汰。

目前在我国和其他许多国家的氯碱工业中隔膜法依然是主要的生产方法。

槽电压就是电解时在电解槽的阴阳两极上实际所施加的电压，其大小对产品的生产成本、生产能耗、生产效益等的影响很大。

一、离子膜电解槽的结构
每一片单元槽都有一个阳极电解室和一个阴极电解室，在安装过程中，每一片的阳极电解室都和相邻的另一片阴极室通过离子膜配对，在电解槽左边为第一片单元槽的阳极电解室，中间是通过油压挤压住的阳离子交换膜，右边则为第二片单元槽的阴极电解室，彼此配对紧密相连。

就这样，临近的两个单元槽的阳极电解室和阴极电解室通过离子膜构成了一个又一个的小的电解系统而发生电解反应。

为了增大反应面积，离子膜电解槽均采用网状的电极结构。

同时为了避免阳极氯气腐蚀金属，提高电极寿命和性能，阳极使用钛钌等金属材质，阴极极网主要是镀镍的碳钢层。

二、电解槽槽电压的影响因素
电流效率和槽电压受离子膜性能的影响最大，因为离子膜的选择透过性避免了电解的离子和物质之间相互渗透相互反应。

虽然离子膜制造技术日益精进，但由于其自身结构的特性，离子膜很容易受到外界操作条件的影响导致性能下降。

其中操作和原料盐水方面的影响因素居多。

1、二次盐水中杂质的影响。

作为电解反应的直接原料，盐水杂质含量的高低会对离子膜性能产生直接的影响，进而影响到槽电压和电流效率。

盐水中的Ca2+、M92+离子等杂质对离子膜电解的影响，所以工艺上一般控制Ca2+、M92+离子的含量均小于0．02mg／1。

一般的过滤式精制方法很难达到电解对盐水的高质量要求，所以要控制盐水质量，首先必须要出去盐水中有机物，控制盐水中的SS_<lmg／1，再经螯合树脂进行离子交换吸附处理。

Ca2+、M92+离子会与阴极室反渗透0H生成氢氧化物，以大结晶盐的形式沉淀在膜阴极面，堵塞离子膜内部离子交换场所，钠离子不能正常通过，长期以往离子膜电流效率明显下降，而槽电压明显升高，产品质量也有所下降。

因此，在实际生产中，盐水精制中螯合树脂的吸附能力和操作状态就是二次盐水精制的质量保障。

2、阳极PH值的影响
（1）对电流效率的影响。

OH反渗透到阳极室，会与氯气在电解液中发生副反应，生产氯酸、次氯酸等具有强腐蚀的物质。

该反应直接降低了氯气纯度，增加了盐水中氯酸盐含量，降低了阳极电效。

所以在工艺设计和运行中，向阳极不断加入质量分数18％的盐酸溶液，将绝大部分的OH离子中和，减少阳极副反应，提高阳极氧的析出，从而提高电流效率。

（2）对槽电压的影响。

电解装置使用的离子膜羧酸基团（一COO--Na+）具有良好的排斥性能。

如果阳极液中PH值小于2，或者加酸不均匀混合不好，那么羧酸基将会被酸化成一COOH型基团，离子膜内部结构将发生水泡而受到严重的破坏，膜自身的电阻急剧上升，槽电压快速上涨，此时必须停车更换新膜。

3、阳极液浓度的影晌。

离子膜中水的传导率和阳极液浓度成线性关系：阳极电解液浓度长期低于190g／1，离子膜水的传导率增加，随着水传导的加速，阴极液中OH-离子反渗透速率也加快，阳极电效下降，槽电压升高。

从浓差扩散的角度看，阳极NaCl电解液浓度下降，Cl的浓度相应降低，其在溶液中的扩散速度应下降。

旭化成膜资料数据显示：NaCl浓度下降到100g／1时，碱中含盐量增加近10倍。

这是因为随着离子膜水传导率增加了，Cl随之向阴极的迁移也加速了。

在离子膜发生膨胀后，通道疏松，更多的Cl离子可以穿透离子膜进入阴极生成NaCl和氯酸盐。

这样不仅容易腐蚀设备管线，造成跑冒滴漏，而且烧碱产品的质量下降，影响了产品的经济效益。

一般的离子膜工艺要求盐水饱和度的指标为205～215g／1。

三、电解溶液和隔膜的电压降
1、电解溶液的电压降。

由电学的基本公式：V= IR和 R= dL /A可知，电解质溶液的电压降与电解槽通过的电流强度和溶液的电阻成正比。

溶液电阻受构成溶液的电阻率 d、极板面积 A和极距 L 的影响，还与溶液所处的电解温度及其混合流动状态有关，这里只讨论溶液电阻和极距两方面。

（1）溶液的电阻。

溶液电阻由溶液的浓度、温度、离子强度、杂质及混合流动状态等决定。

浓度主要引起溶液电导率的变化。

电解液浓度越高越有利，而且减小了氯气的溶解度。

显而易见，离子强度越大，电导率越高。

食盐溶液已是饱和的，若通过加入其它强电解质离子来提高离子强度则会降低 NaCl溶液的浓度和引入杂质离子。

杂质的存在对于可溶性的强电解质杂质，则影响 NaCl的溶解度和浓度，干扰 Na+、Cl-的扩散和电极反应；对于不溶性或可溶而为弱电解质则直接降低溶液的电导率。

因此电解的食盐水电解前一定要精制，必须符合不同电解槽的要求。

极板间距。

阴阳两极间距减小和极板面积增大有利于溶液电阻的减小。

因此电解槽阴阳两极间之极距不断向越来越小的趋势发展。

据报道，最新的一种技术是（离子交换）膜 - 极一体化（M& S或 SPE）其极距非常小，几乎为零。

2、石棉隔膜电压降影响因素有隔膜的性质、隔膜的厚度、导电性、渗透性、渗透压和表面杂质等。

（1）膜的种类和厚度。

用于食盐水电解槽的膜主要有三种：石棉隔膜、改性隔膜和离子交换膜。

石棉隔膜是采用真空吸附法将短丝状的石棉绒体均匀地吸附在阴极铁网的表面上而形成一种多孔的隔层，因隔膜较厚而电阻较大；改性隔膜则是由一种或多种非极性的聚合物纤维（也可是石棉纤维）作成的复合纤维，稍薄；离子交换膜是由一种极细的阳离子交换树脂粉末制成的膜片〔13，14〕，其膜为最薄且带有极性，故其电阻较小。

目前纯石棉隔膜已被淘汰，应用较多的是改性隔膜。

离子膜因其价格较为昂贵而不如改性隔膜应用广泛，但它必将得到更为广泛的应用。

（2）膜的选择性和导电性。

由于石棉隔膜孔径较大和它的非极性，因而对各种离子及水分子通过均为无选择性，导电性差。

改性隔膜的孔径相对较小且也为非极性，故对各种离子及水分子通过选择性较差且导电性也较差。

离子交换膜的孔径更小和孔周围的阴离子只允许钠离子通过，则膜的选择性很强而且导电性较好。

（3）渗透性和渗透压。

石棉隔膜孔径较大，液体渗透性很好，渗透压较低，因而对离子和水分子通过没有选择性，所得稀碱液浓度（仅为 11～ 13%）不是很大，且杂质含量高。

改性隔膜较之石棉隔膜，渗透性较差，渗透压较高，其电解的碱液浓度较高。

而离子膜液体渗透性很小，离子通过选择性强，只许钠离子通过。

故碱液浓度可达 30% 以上且仅含微量盐。

膜表面杂质来源于溶液的不溶性杂质妨碍了膜的导电性和渗透性，应严格控制精制盐水中的杂质离子含量、稀碱液浓度并及时更换隔膜。

对于离子交换膜来说要求更严，由于碱液浓度很高和膜液体渗透量小，盐水需要二次精制使 Ca2+、Mg2+、SO4 2-的含量极低，达到 4× 10- 6 ppm以下。

当前氯碱工业中的主要设备电解槽向新材料、大容量、高负荷、高效率、低电耗的方向发展。

对隔膜电解槽的研究隔膜由石棉改性向合成隔膜材料发展，如聚四氟乙烯多孔隔膜具有良好的导电性、透水性和热稳定性，耐腐蚀，寿命长；开发新的活性阴极材料，它应具有较长的寿命，可降低 H2 的过电压，从而降低能耗。

参考文献：
[1]龚玮．离子膜电解槽碱中盐含量升高原因及对策叨．氯碱工业，2019，（3）：19．20.
[2]张海超，许正良．盐水中杂质离子对离子交换膜性能影响的研究阴[J]．中国氯碱，2018，（12）：7—8
[3]李国骁．离子簇的传质及杂质对离子膜的影响[J]．中国氯碱，2019，（3）：9
[4]林冠发．食盐水电解槽槽电压的影响因素及其分析[J]．西北轻工业学院学报，2019（1）：79-84。