影响电流效率的因素
来源:用户上传
作者: 刘跃进 许丽娟
[摘要]本文结合我所在的岗位的实际情况,从以下几个方面论述如何加强操作、稳定离子膜电解槽的电流效率,从而延长离子交换膜的使用寿命。
[关键词]离子膜电解槽电流效率
一、提高盐水质量,减少金属离子对离子交换膜的污染
离子膜法制碱技术中对进槽的盐水质量要求特别高,盐水质量的高低对离子交换膜的寿命、槽电压和电流效率及产品质量有着重要的影响。我公司在过滤盐水工序后增加敖合树脂塔来降低盐水中的金属离子,使其达到进槽盐水指标,因为在电解过程中离子交换膜允许Na+透过的同时,一部分OH―也反渗透到阳极室,如果遇到有金属离子Ca2+、Mg2+、Fe2+,它们将与OH―生成氢氧化物沉淀在交换膜的表面或膜内部。就是因为这些微溶物金属化合物能直接导致高分子物形态的物理破坏、断裂或者其它能堵塞离子交换膜的某些区域,引起其它区域中局部的应力,导致离子交换膜结构的不可修复性的破坏,更加剧了OH―向阳极室的迁移,降低电流效率。对离子交换膜有不良影响的典型金属离子有Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Ba2+、Sr2+、Si2+、SiO2,其影响程度随不同离子而变化,微量的Ca2+、Mg2+显著影响槽压和电流效率,Fe2+、Fe3+在量比较小时,主要影响槽电压,在量大时也对电流效率有影响。如果金属离子在膜的表面生产沉淀物造成离子交换膜性能下降,可以通过停车冲洗来恢复,此时电流效率稍有下降,但是由于金属离子在离子交换膜的内部生成沉淀物,造成离子交换膜的物理损坏,伤害是永久的,电流效率会迅速下降。
因此要保证离子交换膜在较稳定的电流效率下运行就需要提供高纯度质量合格的盐水。
二、控制最佳的烧碱浓度
阴极液中NaOH浓度与电流效率的关系存在一个极大值,美国杜邦公司Nafion膜要求NaOH浓度控制在32～33%,此范围内电流效率最佳,随着NaOH浓度的升高,阴极侧的离子交换膜的含水率减少,固定离子浓度增大,因此电流效率随之增加,但是随着NaOH浓度的继续升高,离子交换膜阴极一侧的脱水而使交换膜的微观结构遭到不可逆的改变,导致交换膜对OH―反渗的阻挡作用下降,交换膜的含水极度不足,使交换膜收缩,通道变窄,反而影响了Na+由阳极室向阴极室的迁移,导致电流效率的直接下降。因此NaOH浓度长期稳定的控制在32~33%,可保证电流效率保持在较高的水平。
三、控制最佳的阳极液NaCL浓度
阳极液NaCL浓度控制的好坏直接影响离子交换膜的寿命和电流效率的高低。美国杜邦公司Nafion膜要求阳极液NaCL浓度控制210～230g/l,如果阳极液NaCL浓度低于210g/l,离子交换膜中伴随着Na+而迁移的水量也迅速增加,从而导致阳极液中CL―向阴极室的渗透也相应增加,交换摸中含水量的增多,超过离子交换膜输送液体的能力,引起离子交换膜鼓泡或脱层分离,直接导致离子交换膜寿命缩短,电流效率的下降,当阳极液浓度大于230g/l时,离子交换膜阻力增大,水迁移能力降低,槽电压升高,电耗增加,因此NaCL浓度必须控制在合适的范围内。
四、控制合适的电流密度
电流密度的高低对电流效率的影响也至关重要,当电流密度在1.5～4.0KA/m2范围中,电流效率较稳定,但是在1.5KA/m2以下时,OH―的扩散泄漏比率逐渐增加,尤其是刚开车时,电流密度过低,电解液温度长时间提不上去,会导致电解液的电导率过低,过低的电导率会使离子交换膜过载和过热,造成电流分布不均匀,也会造成膜鼓泡。为使电解槽温度不低于80℃,电解槽的电流密度也不能控制过低,如果超过极限电流密度,因来不急向膜的界面上补充NaCL,不仅使Na+的电流效率降低,电压上升,而且使交换膜的内部结构受到损坏,在稍低于极限密度运转时,因交换膜的界面处几乎不存在NaCL,故不会发生NaCL自阳极通过交换膜扩散至阴极侧的现象,为了在高的电流下获得高纯度的NaOH,运转时电流密度最好接近临界电流密度控制。
五、阳极液PH控制不要过低
因阴极液中的OH―通过离子交换膜向阳极室反渗,不仅直接降低阴极电流效率,而且反渗到阳极室的OH―还会与溶解在盐水中的氯发生一系列的副反应,这些反应导致阳极上析氯的消耗,使阳极电流效率下降,采取向阳极液中加盐酸的方法,可以将反渗到阳极室的OH―与HCL反应除去,从而提高阳极效率。但是杜邦公司的Nafion膜要求阳极液PH>2,如果阳极液PH过低就会使交换膜内部发生水泡而受到破坏,使膜阻上升,电解槽电压就会急剧上升,电流效率下降。因此阳极液加酸不能过量,且要均匀,严格控制阳极液PH不能低于2,可保证离子交换处于良好的运行状态中,延长了使用寿命,稳定了电流效率。
六、电解液温度控制在合适的范围内
杜邦膜要求阴极液出口温度控制在80℃～90℃,这个温度的高低也是随着电流密度的高低而变化,温度低槽电压升高,电耗增加。槽温每升高1℃,槽电压可降低5～10mv,当然温度的上升不仅有助于提高膜的电导率,还可以使电解液的电导率提高,从而有助于降低溶液的电压降,随着温度的升高,离子交换膜阴极孔隙逐渐增大,使Na+的迁移数量增多,有助于电流效率的提高,但槽温不宜超过90℃,因槽温太高时,水的蒸发量增加导致汽水比例增加,使电压上升,同时因电解液趋向沸腾,加速了交换膜的恶化,也加剧了电极的腐蚀和涂层的钝化,因此电解液温度控制在合适的范围内是由必要的。
七、电解槽阴阳室压力控制在合适的范围内
杜邦公司Nafion膜对电解槽的阴阳极室压力要求较严格,一般阴极室压力控制在80～120mmH2O,阳极室压力控制在-20～-50mmH2O。在此范围内运行可以较好的保护离子交换膜不受伤害,若正压差过大将使阳极永久变形,极距增大,电压上升,而且易损坏交换膜;若正压差过小不仅槽电压上升,而且使电解槽压差波动频繁,交换摸因受到震动而受到损伤。在开停车或紧急停车时,操作工处理不当或者仪表设备有问题时,最易出现负压差,不仅使槽电压上升,而且使平时贴向阳极一边的交换膜反移贴向阴极,阴极表面上的脏物,容易使交换膜受到污染,而且因交换膜移动或摩擦而受到损坏。压差的变化和频繁的波动,会使交换膜同电极反复摩擦,而受到机械性损伤,特别是交换膜有褶皱时,更容易在交换膜上产生裂纹,因此除了电极表面要做的光滑,还要使阴极室压力始终大于阳极室压力,使交换膜紧贴在阳极侧,同时要自动调节阴极室和阳极室的压差,使其控制在要求的范围内,这样可以最大限度的减少震动,避免交换膜的磨损,从而延长那个交换膜的寿命和稳定电流效率。
此外,避免频繁的开车和停车等也是影响电流效率的因素。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-465343.htm
