解析离子膜电解槽电压升高的原因

解析离子膜电解槽电压升高的原因
摘要：本文通过槽电压的引入，对离子膜电解槽电压升高的原因进行了深入细致的分析，同时提出了预防改进的措施。

关键词：离子膜电解槽电压升高原因分析
考核离子膜电解槽运行性能的重要技术经济指标是槽电压，是电解生产是否正常的考核标志。

它与能耗密切相关，与离子膜的生产成本有着直接影响，因此在操作中要求尽量低的槽电压。

为保证电解槽在低压下稳定运行，对影响电压的因素进行以下分析。

一、槽电压的结构
槽电压的计算公式为:
V=Va+Vb+η阴+η阳+I（R金+R液），式中，V表示单槽电压V；Va表示理论分解电压V；Vb表示膜电压V；η阴为阴极过电压V；η阳为阳极过电压V；I为电流强度A；R金、R液分别表示金属导体、溶液的电阻Ω。

其中Va是不变的，V的大小取决于其他项。

二、分析槽电压升高的原因
1.阴阳极性能不同程度的退化影响着单元槽电压
以前生产的离子膜厚度大，膜电压较高，但膜的强度也高，保护了阴阳极涂层。

近年来，在高电流密度电解装置的运行控制自动化程度上已有了很大的提高，但配置的离子膜厚度小，强度较低，但要求的操作水平较高，一旦运行压力和压差失控发生故障，会严重的损伤离子膜，也不能有效地保护阴阳极涂层，甚至破坏性地腐蚀阴阳极基网。

当电解槽完成了一个膜寿命周期运行以后，即使更换了新膜，也不可能将单元槽电压恢复如初。

这都源于阴阳极性能的逐步退化和网面是否平整以及膜极距弹性下降曾在以前运行中受到的意外影响变差造成的。

阴阳极涂层的有效使用期为6-8年。

有效期过后，因阴阳极损坏而使单元槽电压上升达到250 mv以上。

通常如果离子膜由于携带的杂质进入造成的电压明显上升或电流效率明显下降而膜的物理损伤并不严重，其阴阳极属于自然劣化，阴阳极寿命应损失1/4，如此情况下，电压上升一般在50~70 mv左右。

然而，电解装置的管理者为进行换膜工作，一般都会选择性能状态较差、电
解电压也相对较高的电解槽，因离子膜受物理损伤和渗透严重而不得不进行换膜。

这样的电解槽，会损失较多的阴阳极涂层，网面状态较差，单元槽电压会明显上升，甚至在第一次换膜时，仅由于阴阳极劣化造成的电压上升就会比前一期膜刚运行时高100 mv以上。

因此，阴阳极网或涂层如果并未更新，不同电解槽的阴阳极的性能会存在差异，其电压差异也达30 mv以上。

2.电解槽温度的差异影响着单元槽电压
如果是多台电解槽的装置，只更换其中一台或一部分电解槽的膜，那么更换过新膜的电解槽电流效率就会大大提高，电解性能优于其它旧膜槽，该电解槽的槽内温度会明显比旧膜槽低，其电解电压会被电解温度会所影响。

相关数据表明，电解槽温度每降低l℃，单元槽电压就会升高10 mv左右。

在同一循环体系统中，一般新膜槽会比旧膜槽温度低2~4℃左右，假如受此影响，新膜单元槽电压可能会虚高显示30~50 mv，这种情况很常见。

此时，应注意适当提高新膜槽、降低旧膜槽的运行电流，从而达到新旧膜槽运行温度的生产运行方案的平衡，将新膜槽效率高电耗低的性能优势有效的发挥出来，减小或避免旧膜槽效率低电耗高的缺点，有效地提高经济效益，降低运行成本。

事实上，以上温度平衡运行方案的应用，对新膜槽电流提高后的电压并没有明显的变化，因为本应上升的槽电压部分抵消了槽温上升后降下来的电压，而旧膜槽电流降低后电压却会明显下降，这样便有效地降低了装置的整体电耗和运行成本。

3.膜的结构状态差异影响着电解电压
如果离子膜在使用初期，电解槽曾频繁地开停车，在短期内经过多次充排液和水洗的离子膜进行难以完全自行逆转的伸展膨胀，疏松状态的离子膜电流效率会急剧下降。

但以上情况都有可能会同时伴有膜电阻和膜电压的降低，导致本应正常上升的槽电压随着使用时间的延续而上升减缓甚至下降。

另外，当离子膜被硫酸根、碘和钡等有害杂质污染后，也会有电流效率明显下降而电压并无明显上升的迹象。

因此，当新旧膜的电压较相近时，新膜较高的电流效率优势往往会更明显。

所以说，膜的使用寿命并不只考核膜电压，其重要判定指标而是电流效率。

此时，我们应注意及时准确考核电流效率，从电流效率上进行判定新旧膜的性能优劣，给出综合的评价。

当确定膜的伸展膨胀较严重时，可采取在一定时间内适当改变碱浓度或降低槽温等补救方法和措施，使离子膜逐渐收缩，部分恢复或有效逆转电流效率。

而当膜被有害杂质污染使电流效率明显下降时，上述方法就不会起到有效的作用了。

必须在装置停车时，分析有害杂质的成分，对受污染的膜进行化学清洗。

4.出槽碱浓度的差异影响着单元槽电压
如果同一装置系统中有多台电解槽，只更换了其中一台或一部分电解槽的新膜，由于换了新膜的电解槽的电解性能远远高于未进行换膜处理的电解槽，新膜的电流效率比旧膜高，则该电解槽的槽内碱浓度也比旧膜电解槽高，较高的槽内碱浓度也会使电压稍高一些，但也给我们带来了较高的产量。

此时，我们可以适当提高进槽阴极液流量来平衡与其它电解槽的温度和碱浓度。

5.阴阳极极距影响着单元槽的电压
在进行新膜的更换时，通常也会对阴阳极橡胶密封垫片进行更换。

用于制作密封元件的橡胶材质，根据其特性一般是不能压缩的，所以，当其受到挤压时，必然会发生伸缩变化。

旧垫片在经过三年左右的挤压后，充分的伸展，由于压缩量较大，弹性尽失，厚度也变小。

而新垫片弹性较强，处于受压力作用和弹性变形的初期，橡胶垫片还没有充分伸展蠕变，而厚度正适合，阴阳极极间距离也会比旧膜的单元槽稍大，从而使极间液体的电压降增加，上升电解电压。

新阴阳极垫片的总体厚度可能会比旧垫片厚大约0.6mm，初始运行电压也就会增高15mv左右，而随着橡胶垫片的压缩变化，就会逐步减小这部分电压损失。

另外，电解槽的不同其现有条件状况也有所不同。

通常最先换膜的电解槽在过去运行时发生较大压差波动的可能性较大，如果阴阳极网变形较大或膜极距弹性网因此造成弹性下降，影响到了电流密度分布的均匀性，极距也会相应变大，从而使电压升高。

相关数据表明，在特定范围内，阴阳极极距或阴阳极网变形量每增加lmm，就会使单元槽电压上升30mv以上。

6.运行电流的差异影响着单元槽电压差异
整流传感器给我们显示的各台电解槽的运行电流并不绝对准确，有些设备的显示误差可达几百安培。

如果此时显示的电流低于实际输出电流，单元槽电压也会偏高，我们应从电流效率来判定是否有异常表现。

7.不同型号、批次的膜电压也有差别
我们在分析以前的运行问题时，曾对某公司生产的同型号但不同批次的离子膜进行过试验检测，事实证明，膜电压达到30 mv以上的差异是有可能的。

8.新膜比旧膜对盐水中有害杂质的耐受反应会更明显
旧膜常处于一种膨胀状态，且由于长期使用导致显微针孔增多，对盐水中有害杂质的持续沉积逐渐趋于平缓，槽电压己处于生命周期的稳定期。

而新膜却处于高效率期，离子的交换能力增强，对盐水中影响电压的镁、镍、铁、碘、硫酸根等有害杂质以不同形式的沉积在膜内更加敏感，所表现的阶段数据也就会有差异，因此，新膜会比旧膜的电压上升较快，我们应特别注意这种现象造成的膜电压变化的差异。

三、分析导体及溶液电阻升高的原因
氧化生锈导致金属导体电阻升高外，检修质量也对槽电压有着直接影响。

如接触不良会使电阻值增大、电压上升，甚至会使局部过热，影响电解槽性能。

不管离子膜的型号如何，都有一定的温度允许操作范围。

虽然槽温升高对槽有利于电压下降，但是电解槽的运行温度要低于85℃。

否则，大量的水蒸发会导致汽液比也增大，电解液趋于沸腾会加速膜的劣化，也使电极的腐蚀和涂层的钝化加快，使槽电压上升。

溶液的温度降低，使电导率降低，也导致电压降低。

四、避免槽电压升高的措施
综上所述，导致槽电压升高的原因很多，但实际上大部分因素是可以控制和避免的。

通过对这些影响因素的分析，为降低槽电压可采取以下措施。

1.电解工艺参数要严格控制，将槽温掌握在84~90℃，确保电压平稳。

2.避免突然停车，正确开、停车操作，减少生成电流波动和大压差，使电极极片的寿命延长。

3.盐水质量要提高。

4.对设备进行优化改良，减少对设备的腐蚀。

5.停车后认真检修，提高、保证检修质量。