5.4　离子膜电解电流效率

5.4.1　电流及电流密度

电流是指电荷的定向移动。电压是使电路中电荷定向移动形成电流的原因。电流的大小称为电流强度（简称电流，符号为I），是指单位时间内通过导线某一截面的电荷量，每秒通过1库仑的电量称为1（A）（安培）。安培是国际单位制中所有电性的基本单位。 除了安培，常用的单位有毫安（mA）、微安（μA）。

电流密度是描述电路中某点电流强弱和流动方向的物理量。它是矢量，其大小等于单位时间内通过垂直于电流方向单位面积的电量，以正电荷流动的方向为该矢量的正方向。单位为安培/米2，记作A/m2。 它在物理中一般用J表示。

电流强度和电流密度之间的关系

J=I/S

式中　J——电流密度，A/ m2；

I——电流强度，A；

S——导电截面积，m2。

在氯碱工业中，我们所说的电流就是指电流强度，是指通过电解槽的总的电流强度的大小。电流密度一般是指通过电解槽的电流与该电解槽的单元面积的比值。

按照目前各种电解槽的实际电流密度情况，将电流密度分为低电流密度、中电流密度、高电流密度、超高电流密度，3.5kA/m2以下为低电流密度，3.5～4.5kA/m2为中电流密度。4.5～6.0 kA/m2为高电流密度，6.0 kA/m2以上为超高电流密度。

5.4.2　电流效率

5.4.2.1　电流效率

按照法拉第定律，当通过电解槽的电量为96485.6C时，在电极上应析出1克当量的电解产物。但在实际中所得到的电解产物，常常比理论量低。电解时，电极上实际析出的产物量与通过同样电量所得到的理论产物量之比，以百分率计算称为电流效率η。

一个离子膜电解过程，存在阴极电流效率、阳极电流效率、膜分离效率和产品电流效率等多种电流效率。通常我们最关心烧碱电流效率，烧碱产品却不是电极产物，是膜效率和阴极效率的综合结果，各种电流效率关系见图5-5。

阳极电流效率是指阳极侧的理论产物量与通过同样电量理论上应生成的产量之比。在电解生产中，阳极产物为氯，随着氯下游产品附加值的提高，氯效率越来越受到重视；阴极生成物是氢氧根和氢，氢氧根生成效率是100%，但阴极室的产物烧碱通常是我们需要的主要产物，生成效率受到膜分离效率的影响，因此我们研究的烧碱电流效率通常是指电流作用下的膜分离效率。电流效率达不到 100%的主要原因是膜分离效率低、在电极上存在副反应、已析出的产物再分解和电路的漏电和短路等的叠加效果。电流效率是生产上的一个重要技术经济指标。

5.4.2.2　NaOH电化当量、离子膜电解槽的年产量及吨碱电耗

离子膜电解槽年产量计算方法：

M=KITNη

式中　M——离子膜电解槽每年烧碱产量，g；

K——NaOH电化当量，1.492 g/（A·h）；

I——电槽总电流，A；

T——每年运行时间，8000h；

N——电槽单元槽数；

η——电流效率，平均94%。

离子膜电解槽吨碱电耗计算方法：

式中　W——直流电耗，kW·h/t NaOH；

V——单元槽平均槽电压，V；

1.492——NaOH的电化当量，g/（A·h）；

η——电流效率，%。

电解过程中，随着等于（1-η）的OH-从阴极室向阳极室的迁移，阳极室的酸度将降低，根据给阳极液和返回阳极液酸度的差别，假设电槽加足够盐酸，完全抵消阴极反迁氢氧根，阳极液没有新的氯酸盐产生，可以根据阳极气体和液体特性，计算出电解槽碱效率。

电解槽碱效率：

式中　Ci——电解槽入口阳极液酸度，mol/m3；

Co——电解槽出口阳极液酸度，mol/m3；

Q+——电解槽入口阳极液流量，m3/h；

I——单元槽开动电流，kA；

N——电解槽单元槽数；

n——电解槽数；

——氯中含氧，体积分数，%；

ηC——泄漏电流率（泄漏电流量占通电量的百分数），%。

假设电槽加酸不足，阳极液有新的氯酸盐产生，同样可以由阳极气体和液体特性，导出电解槽碱效率。

式中　Ci——电解槽入口阳极液酸度，mol/m3；

Co——电解槽出口阳极液酸度，mol/m3；

Ct——电解槽入口阳极液氯酸盐浓度，mol/m3；

Cc——电解槽出口阳极液氯酸盐浓度，mol/m3；

Q+——电解槽入口阳极液流量，m3/h；

I——单元槽开动电流，kA；

N——电解槽单元槽数；

n——电解槽数；

——氯中含氧，体积分数，%；

ηC——泄漏电流率（泄漏电流量占通电量的百分数），%。

为精确计算，应单独测量每台复极槽氯气和盐水特性，这时上式中槽数n=1。

随着氯产品受到重视，氯效率也得到重视，假设电槽加酸不足，阳极液有新的氯酸盐产生，同样可以由阳极气体和液体特性，导出电解槽氯效率。

电解槽氯效率：

式中　Ct——电解槽入口阳极液氯酸盐浓度，mol/m3；

Cc——电解槽出口阳极液氯酸盐浓度，mol/m3；

Q+——电解槽入口阳极液流量，m3/h；

I——单元槽开动电流，kA；

N——电解槽单元槽数；

n——电解槽数；

——氯中含氧，体积分数，%；

ηC——泄漏电流率（泄漏电流量占通电量的百分数），%。

如果知道实际产碱量，则阴极效率可用下式计算：

式中　W实——单位时间内的NaOH的实际产量（100% NaOH），t/h；

W理——单位时间内的NaOH的理论产量（100% NaOH），t/h；

——单位时间内NaOH的流量，m3/h；

——NaOH的浓度（质量分数），%；

——NaOH的密度，t/m3；

I——单元槽通过的电流，kA；

N——单元槽数；

n——电解槽数。

5.4.2.3　影响电流效率的因素

由电解槽内的物料平衡关系可知，要提高阳极的电流效率，就要尽量减少在阳极液中产生溶解氯与氢氧化钠之间发生的副反应，减少阳极上氧的析出量。要提高电流效率，就要减少氢氧根离子向阳极室的反渗。归结起来，一方面要提高阳极的析氧过电位，以阻止或减少氧在阳极上的析出；另一方面则要提高膜的选择性能，减少和阻止氢氧根离子向阳极室的反渗。因此，除膜的特性直接影响电流效率外，电解槽结构和操作条件也对电流效率有着不同的影响。影响电流效率的主要因素可概括为：①离子交换膜的交换容量及质量；②电解槽结构；③氢氧化钠浓度；④阳极液氯化钠浓度；⑤电流密度；⑥操作温度；⑦阳极液pH值；⑧盐水杂质；⑨电解槽操作压力和压差；开停车及电流波动。