(离子膜)培训教材

离子膜培训资料阴极侧阳极侧Carboxylatelayer（羧酸层）高离子选择性阻止OH-侵入(高电流效率)阻止Cl-扩散(低碱中含盐)阳极面涂敷促进Cl2、气泡剥离阴极面涂敷促进H2气泡剥离PTFEweb（芯材）机械的强度尺寸的稳定抗拉伸Sulfonatelayer（磺酸层）高机械强度低电阻S2S1C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(a)没有水通道(b)有水通道F4400系列水通道平织卷织F4200系列,F4601F4602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F4202F4203F4600系列F4602F4601F4400系列F4402F4401CF4403F4401电压低Aciplex-FTM系列的特点F4202F4203F4601F4602F4401F4402F4403电压(V)3.022.973.013.032.922.952.94电流效率(%)97.097.097.097.097.597.097.050%烧碱中含盐量(ppm)20252015302015槽电压4kA/m2,90℃换算.试验电槽运行条件:电解面积1dm2,电流密度4kA/m2,温度90℃,烧碱浓度32%,淡盐水浓度205g/lAciplexTM-F电解性能F4202F4203F4601F4602F4401F4402F4403拉伸强度(kg/cm)5.75.45.77.54.34.74.8拉伸强度*(kg/cm)1.71.62.02.21.51.92.0撕裂强度(kg)4.54.55.55.01.51.52.5*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从牺牲芯材的孔（贯穿孔）的地方发生龟裂龟裂在磺酸层（阳极侧）向外折皱时最易发生。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Ａ膜Ｂ膜Ｃ0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5电压（Ｖ）正常时装反时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膜A膜Ｂ膜Ｃ膜Ｄ膜Ｅ膜Ｆ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不加酸加酸低←O2/Cl2（％）→高低←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9192939495969798990.0010.010.11CH+　（N)７天後電流効率　(%)12345７天後電圧(V)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H+H+H+H+H+OH-OH-OH-H+OH-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NaClHCl＋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0.1VLab.celldata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）02/2/2502/8/2403/2/2003/8/1904/2/15電圧（Ｖ）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Cl2OH-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0246810121416膜内部的位置pH磺酸层羧酸层阴极侧阳极侧MgNiFeBaSrCa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的。总结(1)分类事例影响留意点膜的安装膜的折皱膜损伤发生针孔膜的处理膜装反发生水泡电压上升膜的确认垫片的安装位置不合适膜损伤发生盐泡阳极侧不要比阴极侧更突出于电槽内・遵守操作手册的位置离型剂涂抹过多膜损伤发生盐泡涂抹适量不使用氟系列的离型剂运行盐水浓度降低发生水泡电压上升运行管理・设备的保养盐酸添加过量羧酸层白化・起泡电解性能降低注意适当的范围两极间压差异常膜损伤・电解性能降低阴・阳极变形注意适当的范围盐水中的杂质膜损伤电解性能降低盐水精制遵守操作手册的规定！