孫中常，胡順程，侯 偉，汪云云，孔繁超

（1.新疆天業(yè)（集團(tuán)）天偉化工有限公司，新疆石河子832000；2.新疆天業(yè)（集團(tuán)）天域新實(shí)化工有限公司，新疆 石河子832000；3.新疆天業(yè)（集團(tuán)）天辰化工有限公司，新疆石河子832000）

離子膜電解槽是現(xiàn)代氯堿的核心設(shè)備，提高電解槽的電流效率和使用壽命是氯堿行業(yè)增加收益的重要手段。新疆天業(yè)集團(tuán)自本世紀(jì)初進(jìn)入氯堿行業(yè)以來(lái)，均以日本旭化成復(fù)極式離子膜電解槽作為氯堿的核心設(shè)備。先后投產(chǎn)生產(chǎn)能力為20 萬(wàn)t/a PVC 的天域新實(shí)化工責(zé)任有限公司、2 個(gè)生產(chǎn)能力為40 萬(wàn)t/a PVC 的天辰和天能化工責(zé)任有限公司，以及生產(chǎn)能力為20 萬(wàn)t/a 特種樹(shù)脂的天偉化工責(zé)任有限公司，并配備與產(chǎn)能相匹配的離子膜燒堿裝置。

1 電解工藝流程

鹽水在樹(shù)脂塔后加入高純酸去除一次精制過(guò)程中未反應(yīng)的碳酸根離子，充分反應(yīng)后進(jìn)入鹽水高位槽。鹽水在液位差的作用下自流進(jìn)入陽(yáng)極入口總管，并在單槽進(jìn)口管線上進(jìn)行二次加酸后，通過(guò)陽(yáng)極入口軟管進(jìn)入電解槽進(jìn)行電解。電解槽排出含有飽和氯氣的淡鹽水，經(jīng)氣液分離器進(jìn)入陽(yáng)極循環(huán)槽，由泵打到脫氯崗位，進(jìn)一步脫除淡鹽水中的氯氣，達(dá)到工藝要求后去一次精制鹽水崗位再次化鹽。電解槽出來(lái)的32%液堿經(jīng)氣液分離器進(jìn)入陰極循環(huán)槽，由泵打出，一路作為成品液堿去堿分廠，另一路去堿液高位槽經(jīng)純水稀釋后在液位差作用下，作為電解液進(jìn)入陰極入口總管，再通過(guò)陰極入口軟管進(jìn)入電解槽進(jìn)行電解。電解槽出來(lái)的濕氯氣和濕氫氣經(jīng)過(guò)絲網(wǎng)除霧器去氯氫處理崗位。

2 離子膜電解槽的區(qū)分

離子膜電解槽因供電方式不同分為單極式離子膜電解槽和復(fù)極式離子膜電解槽。因?yàn)閮烧呓Y(jié)構(gòu)不同，電解過(guò)程差別也很大。

2.1 復(fù)極式離子膜電解槽的組成

復(fù)極式離子膜電解槽主要由離子膜、槽框、陰陽(yáng)極進(jìn)口軟管、陰陽(yáng)極出口波紋管、陰陽(yáng)極密封墊及油壓?jiǎn)卧M成，氯堿行業(yè)應(yīng)用的離子膜有3 種：全氟羧酸膜、全氟磺酸膜、全氟羧酸/全氟磺酸復(fù)合膜。

槽框分陽(yáng)極端框、陰極端框及單元框。陽(yáng)極端框只有一個(gè)陽(yáng)極室，與整流器的正極相連。陰極端框只有一個(gè)陰極室，與整流器的負(fù)極相連。單元框由復(fù)合金屬隔板分成陰極室和陽(yáng)極室，串聯(lián)在陰、陽(yáng)極端框之間。

每個(gè)極室邊緣都貼有與之配套的密封墊，因?yàn)橄鹉z密封墊的間隔，各槽框之間無(wú)法形成電流，使電解槽由加熱設(shè)備向電解設(shè)備的完美轉(zhuǎn)變。離子膜夾在陰、陽(yáng)極密封墊之間，磺酸層面向陽(yáng)極室，羧酸層面向陰極室。油壓?jiǎn)卧o電解槽提供擠壓壓力，起到固定離子膜和防止電解液滲漏的作用。

2.2 單極式離子膜電解槽電解原理

單極式離子膜電解槽的結(jié)構(gòu)與隔膜電解槽的結(jié)構(gòu)相似，并沿襲了傳統(tǒng)電解法，各槽框的電極是并聯(lián)關(guān)系。陽(yáng)極電極與整流器的正極相連，陰極電極與整流器的負(fù)極相連，離子膜在陰、陽(yáng)電極之間。整流器將高壓交流電變?yōu)榈蛪褐绷麟?，?dāng)整流器為電解槽供電時(shí)，電極在膜兩側(cè)的形成電場(chǎng)。在電場(chǎng)力作用下，陽(yáng)極室中的氯離子向陽(yáng)極移動(dòng)并在陽(yáng)極釋放電子生成氯氣，反應(yīng)方程式如下：

陽(yáng)極室中鈉離子在電場(chǎng)力作用下穿過(guò)膜進(jìn)入陰極室，并在陰極得到由整流器流出的電子，生成鈉原子，鈉原子再和水反應(yīng)生成氫氧化鈉和氫氣。反應(yīng)方程式如下：

2.3 復(fù)極式離子膜電解槽工作原理推論

在復(fù)極式離子膜電解槽中陰、陽(yáng)極網(wǎng)面被視為電解槽的電極，給陰極網(wǎng)面加裝彈性體稱(chēng)為零極距改造，所以加裝彈性體的復(fù)極式離子膜電解槽也被稱(chēng)為零極距或膜極距離子膜電解槽。而單元框并不與整流器相連，將網(wǎng)面視為電極確實(shí)牽強(qiáng)。

復(fù)極式電解槽中只有陽(yáng)極端框和陰極端框與電源相連，以端框?yàn)殡姌O，在兩端框之間形成電場(chǎng)也能完整地推論整臺(tái)復(fù)極式電解槽的電解過(guò)程。電解槽電解過(guò)程原理推論示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 電解槽電解過(guò)程原理推論示意圖

在陽(yáng)極端框中，鈉離子在電場(chǎng)力作用下穿過(guò)膜進(jìn)入相鄰槽框陰極室。氯離子主要向陽(yáng)極端框的背板方向移動(dòng)，當(dāng)氯離子定向移動(dòng)被背板阻止時(shí)就會(huì)失電子生成氯氣，電子流回整流器的正極。

在單元框的陽(yáng)極室中，鈉離子在電場(chǎng)力作用下，穿過(guò)膜進(jìn)入相鄰槽框的陰極室。氯離子在電場(chǎng)力的作用下向陽(yáng)極端框方向移動(dòng)，當(dāng)氯離子定向移動(dòng)被隔板阻止時(shí)就會(huì)失電子生成氯氣，電子通過(guò)隔板傳播到陰極室。在單元框的陰極室中的氫氧根離子在電場(chǎng)力作用下向陽(yáng)極端框方向移動(dòng)，移動(dòng)至離子膜附近因?yàn)槟?duì)陰離子具有排斥力，阻止了氫氧根離子進(jìn)入陽(yáng)極室。鈉離子在電場(chǎng)力作用下向陰極端框方向移動(dòng)，在隔板上得到氯離子失去的電子，生成鈉原子，鈉原子再和水反應(yīng)生成氫氧化鈉和氫氣。在陰極端框中鈉離子在電場(chǎng)力作用下，向陰極端框的背板方向移動(dòng)，并得從整流器流出的電子生成鈉原子，鈉原子再和水反應(yīng)生成氫氧化鈉和氫氣。

結(jié)合復(fù)極式離子膜電解槽獨(dú)特的構(gòu)造和特殊供電方式，將陽(yáng)極端框和陰極端框視為電極似乎更合理，因?yàn)楦舭甯浇菑?fù)極式電解槽運(yùn)行時(shí)陰、陽(yáng)離子的富集區(qū)，是電解過(guò)程發(fā)生的主要場(chǎng)所。陰、陽(yáng)極網(wǎng)面的作用是降低電解槽在開(kāi)停車(chē)操作和升降電流時(shí)電解液波動(dòng)對(duì)離子膜造成的機(jī)械沖擊。

3 復(fù)極式離子膜電解槽運(yùn)行的重要參數(shù)

電解槽在生產(chǎn)中主要控制的工藝參數(shù)有：陰極液溫度、配堿水流量、陽(yáng)極入口酸度及陽(yáng)極出口酸度。

3.1 控制陰極液溫度和配堿水流量的目的

要嚴(yán)格控制電解槽陰極液溫度和配堿水流量，進(jìn)入電解槽的液堿濃度越小、溫度越高，羧酸層含水率越高，對(duì)陰離子的排斥力越小。進(jìn)入電解槽的液堿濃度越大、溫度越低，羧酸層含水率越低，膜電阻越大，鈉離子穿過(guò)膜所受的阻力就會(huì)增大，槽電壓就會(huì)上升。溫度太高還會(huì)加速離子膜老化，縮短離子膜使用壽命，增加生產(chǎn)成本。

3.2 控制陽(yáng)極入口酸度的目的

（1）抑制陽(yáng)極室的副反應(yīng)

隨著離子膜運(yùn)行時(shí)間的增加，離子膜會(huì)自然老化出現(xiàn)針孔，陰極室中的氫氧根離子會(huì)通過(guò)針孔進(jìn)入陽(yáng)極室，如果沒(méi)有足夠的酸中和這些氫氧根離子，會(huì)使陽(yáng)極室顯堿性，高溫條件下堿與氯氣生成氯酸鈉，反應(yīng)方程式如下：

陽(yáng)極系統(tǒng)中的氯酸鹽具有較強(qiáng)的氧化性，會(huì)腐蝕管道、機(jī)泵、及鹽水二次精制所用的螯合樹(shù)脂，增加了設(shè)備維護(hù)成本，降低了設(shè)備和物料的使用壽命。

（2）增加氯氣純度

在氧化還原反應(yīng)中氫氧根離子的失電子能力僅次于氯離子，電解過(guò)程中部分氫氧根離子也會(huì)失電子，生成水和氧氣反應(yīng)方程式如下：

生成的氧氣會(huì)降低氯氣純度，影響氯化氫合成時(shí)氯氣和氫氣的配比，使氯化氫含水量升高，氯化氫純度降低，氯中含氧升高還會(huì)威脅生產(chǎn)的安全進(jìn)行。

控制陽(yáng)極出口酸度的目的是因?yàn)樵谒嵝原h(huán)境下會(huì)加速離子膜的老化速度，使膜的韌性降低，機(jī)械強(qiáng)度變差，陰、陽(yáng)極系統(tǒng)壓力不穩(wěn)和頻繁地開(kāi)停車(chē)會(huì)使老化的膜針孔快速增加，膜阻擋氫氧根離子的能力下降，大量氫氧根離子通過(guò)針孔進(jìn)入陽(yáng)極室，要中和氫氧根離子就要增加陽(yáng)極系統(tǒng)的二次加酸量，增加的酸進(jìn)一步加速離子膜的老化速度。因此在實(shí)際生產(chǎn)中一定要根據(jù)離子膜的運(yùn)行狀況，及時(shí)調(diào)整陽(yáng)極入口酸度，盡量使電解槽在較低的陽(yáng)極出口酸度下運(yùn)行，以增加離子膜使用壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

復(fù)極式離子膜電解法經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，自動(dòng)化程度越來(lái)越高，在安全生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)和生產(chǎn)工藝等方面已經(jīng)非常成熟。只有不斷學(xué)習(xí)、不斷總結(jié)才能跟得上國(guó)際先進(jìn)潮流，才能使中國(guó)氯堿行業(yè)健康成長(zhǎng)。