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离子膜培训资料,阴极侧,阳极侧,,S2,S1,C,,,,离子膜 离子膜构造,离子膜的规格和型号,日本旭化成公司F系列离子交换膜：F-4100、F-4200、F-4600、F-4400 美国杜邦公司N系列离子交换膜：N-966、N-2010、N-982 日本旭硝子公司系列离子交换膜：8020、8030、8040 均为磺酸和羧酸的复合膜,没有水通道,(b)有水通道 F4400 系列,,,水通道,平织 卷织 F4200 系列, F4601 F4602,离子膜构造对比,(a) 没有水通道 F4200 系列 F4600 系列,高机械强度,低电压 对杂质高耐受性,(b) 有水通道（牺牲芯材膜） F4400 系列,,无牺牲芯材（没有水通道）,有牺牲芯材（有水通道）,无涂层,有涂层,有涂层,F4100系列,F4112,标准,高强度,高电密 ・ 低电压,F4200系列,,F4202,F4203,F4600系列,F4602,F4601,F4400系列,,F4402,F4401C,F4403,F4401,,电压,低,Aciplex-FTM系列的特点,槽电压 4 kA/m2, 90 ℃换算. 试验电槽运行条件: 电解面积 1 dm2, 电流密度 4 kA/m2, 温度90 ℃, 烧碱浓度 32%,淡盐水浓度205 g/l,AciplexTM-F 电解性能,*对芯材 45 度方向的拉伸强度,AciplexTM-F 机械强度,有关膜的问题事例,下面介绍由于膜操作及电解不当的原因而发生问题的事例 【事例介绍】 １． 装膜时发生的问题 (1) 由于膜的折皱而发生损伤及针孔 (2) 由于膜装反 （＋／－面装反 ） 而产生水泡 ２． 由于垫片安装发生的问题 (3) 由于垫片位置粘贴不当而产生盐泡 (4) 由于离型剂及粘着剂涂抹过多而产生盐泡 ３． 电槽运行时发生的问题 (5) 由于盐水浓度过低或盐水供给不足而产生水泡 (6) 由于盐酸添加过量而损伤离子膜 (7) 由于两极间压差不良使电解性能降低 ４． 由于盐水中的杂质而发生的问题 (8) 杂质的种类及电解性能降低的事例,事例 (1) 装膜时的问题-1 由于膜的折皱而发生龟裂,由于膜折皱产生的问题,离子膜如折皱的话，会产生龟裂及针孔。

特别是有牺牲芯材的膜、其阳极面（＋面）向外凸起折皱时， 容易发生 【有牺牲芯材的膜】 ＊阳极面牺牲芯材溶解后的孔（贯穿孔）很多是露出来的 ＊阳极面向外凸起折皱时，这一贯穿孔即成龟裂的起点,,,,贯穿孔,由于折皱使膜产生龟裂的原因,,,,,羧酸,磺酸,主芯材（PTFE）,,,贯穿孔,,＊ 没有牺牲芯材的膜，抗折皱性 比较强 ＊ 有牺牲芯材的膜，在操作时要 注意在装膜时会发生的折皱,用手持膜的两端站立时，由于膜上部松弛而出现皱褶,○,×,进行膜的操作时，因没注意拿好而掉在地上 将膜贴在阳极时，有皱褶出现但没注意到，就将阴极一侧合上在装膜时会发生的折皱,将操作台上展开的膜移到电槽上时，把膜折叠后运走×,×,将操作台上展开的膜卷到筒上时，在有皱褶的状态下卷起来×,×,事例 (2) 装膜时的问题-2 膜的阴阳极装反,＋／－面装反，对膜的影响,原因,＊ 没有确认膜的方向（ 阳阴极）,影响,发生水泡 膜的劣化・损伤 （例如） 电压上升,,,膜装反进行电解后膜的状态,电解条件 ： 阳阴极装反时 （磺酸层在阴极侧，羧酸层在阳极侧） 电流密度=4kA/m2, 槽温=90℃, 阴极液浓度=32％, 阳极液浓度=205g/l, 压差=0 , 运行天数=2,,整个膜发生水泡,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,膜装反电解时电压上升,电解条件 ： 阳阴极装反 （磺酸层在阴极侧，羧酸层在阳极侧）： 电流密度=4kA/m2, 槽温=90℃, 阴极液浓度=32％, 阳极液浓度=205g/l, 压差=0 , 运行天数=2,虽然运行只两天，但仍可看到电压上升了500～1,000mV,膜装反电解时产生水泡的原因,,,,,,阳极,阴极,Na+的 移动量大,Na+的 移动量小,Na+的移动量不同,羧酸,磺酸,,Na+的浓缩层 ： 羧酸／磺酸层的尺寸变形增大 由于渗透压，水发生渗透,,,水泡,,,由于渗透压 水的移动,事例 (3) 垫片的安装-1 垫片的安装位置不合适,垫片位置的重要性,阳极及阴极垫片粘贴位置的正确，对膜的长期稳定的使用是非常重要的 。

如果阳极垫片的位置比阴极垫片位置更突出于电槽内的话 ， 在阳极垫片的突出部分，膜易产生盐泡，并易发生针孔＋,,－,,?子膜,?子膜,Cell,槽框,,,,,＋,,－,,,,,,,,,,,,,,盐泡,,垫片,,槽框,离子膜,盐泡发生的原因,NaOH,垫片,垫片,离子膜,槽框,槽框,阳极,阴极,2NaOH ＋ Cl2 → NaClO ＋ NaCl ＋ H2O,,事例 (4) 垫片的安装-2 离型剂及粘接剂涂抹过多,离型剂涂抹过多的影响,离型剂和粘结剂涂抹过多，流到电解面，附着在膜上使电解性能下降 →→ 膜附着的部分 ： 发生盐泡，发生针孔，电压上升等 ＜ 使膜性能恶化的原因与上述垫片粘贴位置不良相同＞ 硅系列离型剂 ： 因不具有疏水性所以损伤较轻，但 在膜的附着面上，羧酸层会发生损伤 氟系列离型剂 ： 因有疏水性，所以会引起非常严重的损伤 重要的是：涂抹适量 ・ 不使用氟系列离型剂,,离型剂涂抹过量的实验 （Lab.）,氟系列,,硅系列,,侵入到电解面,氟系列,硅系列,发生严重的损伤,轻微、但羧酸层发生损伤,,,,,＋,,,槽框,,,,,,,,,,,垫片,,,＋,,,－,,,－,,,,,,,,,,,,盐泡,,离型剂,,离子膜,离型剂涂抹过多使膜受到损伤的原因,2NaOH ＋ Cl2 → NaClO ＋ NaCl ＋ H2O,○,×,事例 (5) 运行时发生的问题-1 盐水浓度过低或盐水供给不足,盐水浓度过低对膜的影响,原因,＊ 盐水供给不足 盐水的进口・出口的短管发生部分堵塞 ＊ 供给盐水浓度低下,影响,产生水泡 膜劣化・损伤 （例如） 电压上升,,,所谓水泡,羧酸层,磺酸层,,,因磺酸高分子与羧酸高分子的含水率的差别，水滞留在羧酸层与磺酸层之间，在界面产生剥离。

盐水浓度过低的实验,随着盐水浓度的降低，水泡的发生量急剧增大,水泡发生量,低 ←← 盐水浓度 →→ 高,水泡产生的原因,磺酸层,,,,,,,,,,,羧酸层,,,,,,,,,PTFE,,,,透水,（羧酸/磺酸膨胀程度的差别增大）,（发生变形）,,（产生水泡）,透水（电渗透水）的透过性 ： 磺酸层＞羧酸层 →对羧酸 /磺酸界面的压力，羧酸 /磺酸界面的变形， 水透过性的羧酸 /磺酸差别增大,事例 (6) 运行时的问题-2 盐酸添加过量（阳极液） ＜ 目的 ： 降低O2 / Cl2 ＞,阳极液中添加盐酸的必要性 (1),目的 ： 降低O2 / Cl2,添加盐酸对降低O2 / Cl2 是有效的，但添加过会引起膜的损伤,低 ← 电流效率（％） → 高,阳极液中添加盐酸的必要性(2),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,盐水浓度 淡,,盐水浓度 浓,小 ←← 电解槽出口的盐水酸度(N) →→ 大,低 ←← O2 / Cl2 （％） →→ 高,盐酸添加过量引起羧酸高分子的损伤,电解条件 : 电流密度=4kA/m2, 阴极液浓度=33%, 阳极液浓度=3.35N, 槽温=90C, 运行天数=7,膜的白化,盐酸添加过量引起羧酸高分子的损伤,,起泡,,,羧酸,磺酸,电解条件 : 电流密度=5kA/m2, 阴极液浓度=32%, 阳极液浓度=205g/l, H+浓度=0.1N, 天数=3,盐酸添加过量引起羧酸高分子损伤的原因,,由于H+ 羧酸及磺酸高分子氧化,羧酸／磺酸 剥離,羧酸层损伤,,,,羧酸高分子 ： 收缩 磺酸高分子 ： 膨胀,,,由于过热 损伤羧酸层,向羧酸层析出NaCl,-SO3Na → -SO3H 膨胀,-COONa → -COOH 收缩,羧酸／磺酸剥离,中和反应, 析出NaCl HCl ＋ NaOH → NaCl ＋ H2O,-COONa → -COOH (1) 外表上EW增加 (2) 电阻增加 (3) 由于发热引起羧酸层起泡,（推定）,事例 (7) 运行时的问题-3 两极间压差不良使电解性能降低,两极间压差的影响一览,,,０,压差（ΔP） ： （阴极室压 －阳极室压）,正,负,,压差不足,膜振动 ↓ 膜磨损 ↓ 针孔,,,异常过大压差,膜损伤 阳极变形 针孔 盐水供给不足 ↓ 电解性能降低,压差逆转,过大逆压差,压差合适,电压上升,阴极变形 针孔,合适的压差，因电槽类型、极间距、循环方式、电极形状、电解条件、膜的种类等的不同而不同,阳极室压 ＞ 阴极室压的重要性,液体的比电阻 ： 阳极液（盐水） ＞ 阴极液（烧碱） 电解液的（气／液）比 ： 阳极室 ＞ 阴极室 （阳极液电压损失大）,将膜压附在阳极上 →→ (1) 液体电阻减小 (2) 膜被压附在（气／液）比大的电极上,,两极间的压差 ： 阳极室压 ＜ 阴极室压,重要,约0.1V Lab. cell data,ー ＜ ＋ ← 压差 → ＋ ＜ －,电压 （V）,,０,,不稳定领域,正常压差 ： ＋＜－,逆压差 ： ＋＞－,由于压差逆转使电压上升,阳极液 比电阻大,阳极,阴极,阴极液 比电阻小,膜,,,,,（例） 电解条件 ： 电流密度=4kA/m2、槽温=90℃、阳极液浓度=205gpl、阴极液浓度=32%、 极间距=2mm 正常压差时： （阳极侧=0、阴极侧=2mm）的情况下 ； 阳极液的比电阻＝1.90Ω・cm、阴极液的比电阻＝0.83Ω・cm （出典：烧碱手册） 电压损失(IR)＝（电流效率）＊ （极间隔）＊（比电阻） 正常压差时： 阳极液的IR≒0、 阴极的IR＝0.0664 逆压差时 ：阳极液的IR＝0.152、阴极的IR≒0 → 光是液体阻力就上升了大约約90mV,由于逆压差引起的电压上升 （实例）,正常压差,正常压差,压差不足,压差逆转,約100mV,压差不足的影响,两极间的压差不足时，膜发生振动，容易接触到阴极阳极。

膜被电极磨损 有时会形成针孔 这一现象易发生在压差不足时，多出现在电槽上部以及阳极液出口附近盐水入口,,盐水出口,,这部分容易发生压差不足,由于压差不足膜的磨损及针孔 (1),,上部垫片位置,,,,,阴极侧,阴极侧,有被阴极磨损的痕迹，形成针孔压差过大发生盐泡的原因 (1),阳极液,阴极液,由于压差过大 将膜压到阳极,,在阳极与膜的接触部 分，阳极液浓度降低由于水的电分解， 产生H+,,由于H+引起 羧酸 及磺酸高分子的氧化,羧酸／磺酸 剥离,羧酸层损伤,,,,羧酸高分子 ： 收缩 磺酸高分子 ： 膨胀,,,由于过热 羧酸层损伤,向羧酸层析出NaCl,（推定）,,,压差过大发生盐泡的原因(2),,,阳极侧,阴极侧,,Cl2,,,OH -,磺酸,羧酸,2NaOH ＋ Cl2 → NaClO ＋ NaCl ＋ H2O,盐泡的防止 １． 电解槽的结构 ＊ 防止在阳极液上部形成气体区域 ２． 垫片 ＊ 抑制氯气层的形成 ３． 膜 ＊ 提高对盐泡的耐受性,事例 (8) 盐水中杂质的问题 杂质的种类以及 电解性能降低的例子,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,0,2,4,6,8,10,12,14,16,膜内部的位置,pH,,,,磺酸层,,羧酸层,阴极侧,,阳极侧,,Mg,,Ni,,Fe,,Ba,,Sr,,Ca,,羧酸/磺酸界面,杂质的蓄积,金属氧化物、根据pH值生成难溶性的沉淀。

沉淀在羧酸表层的杂质 ： 影响电流效率使之降低 沉淀在磺酸表层的杂质 ： 影响电压使之上升 → 严格盐水的杂质管理、对于稳定运行是非常重要。