Теоретичні основи електролізу водних розчинів і розплавлених солей

Тема: Електрохімічні виробництва.

План

1. Основні напрямки використання електрохімічних виробництв.

2. Теоретичні основи електролізу водних розчинів і розплавлених солей.

3. Електроліз води.

4. Електроліз розчину NаСl.

а) Електроліз з твердим катодом і фільтрувальною діафрагмою.

б) Електроліз розчину хлориду натрію з ртутним катодом.

5. Водневі технології.

Основні напрямки використання електрохімічних виробництв.

Електрохімічна промисловість – один із значних напрямків хімічної промисловості. Включає електроліз водних розчинів, електроліз розплавів і виробництво джерел електричного струму (акумулятори, гальванічні елементи, паливні елементи). Розрізняють такі виробництва електрохімічної промисловості:

1) Багатотонажні виробництва: Н₂, С1₂, NaOH, КОН.

2) Електрохімічний синтез багатьох неорганічних і органічних речовин – хлоратів, гіпохлоритів, перхлоратів, хлорної кислоти, перманганатів, MnО₂, гідрохінону, фторпохідних низки органічних сполук.

3) На електролізі водних розчинів базуються гідроелектрометалургія і гальванотехніка. Гідроелектрометалургія – це добування металів з водних розчинів їхніх солей шляхом електролізу. Електроліз є завершальною стадією низки металургійних процесів. Електрохімічними методами отримують і рафінують мідь, цинк, кадмій, марганець, хром, свинець, олово, благородні метали. За допомогою електролізу проводять нанесення захисних покриттів на поверхні металів.

4) Хімічні джерела електричного струму. Вони підрозділяються на:

· первинні, енергія яких може бути використана лише одноразово (батарейки),

· вторинні, до яких відносяться акумулятори; їхня працездатність може бути відновлена шляхом пропускання електричного струму.

Використання джерел електричного струму:

а) електрохімічна енергетика – використання електрохімічних паливних елементів в енергоустановках – автотранспорті, електростанціях;

б) техніка очищення стічних вод;

в) опріснення сильно мінералізованих вод електролізом з регенерацією окремо солей, кислот і лугів.

За багатьма показниками електрохімічні методи мають переваги у порівнянні з хімічними. В електрохімічних виробництвах:

· апаратура простіша і компактніша, менша кількість виробничих операцій;

· дешевша сировина і вища повнота її використання;

· отримання цінних товарних побічних продуктів зменшує собівартість основних.

Однією з головних переваг електрохімічних методів є висока чистота отриманих продуктів. Недолік – велика витрата електроенергії, котра складає головну частину собівартості продукції.

Теоретичні основи електролізу водних розчинів і розплавлених солей.

Теоретично порядок виділення продуктів електролізу визначається розташуванням елементів у ряді напруг. Але ряд напруг справедливий лише для 1М (одномолярних) розчинів і стандартних умов (стандартний електродний потенціал).

З кількох типів іонів, що присутні у розчині, на катоді розряджається той, який має найбільший електродний потенціал, а на аноді – найменший.

На практиці послідовність виділення продуктів електролізу визначається не тільки їхнім стандартним електродним потенціалом, а й умовами електролізу:

· матеріалом електроду і станом його поверхні,

· концентрацією електроліту,

· інтенсивністю його перемішування,

· температурою та іншими чинниками.

Добором технологічних умов електролізу можна змінити черговість розрядження іонів і досягти достатньо високої селективності процесу. З цією метою використовують явище поляризації (перенапруги) на електродах.

Поляризацією на електродах називають відхилення електродного потенціалу від стандартного значення в реальних умовах електролізу. Теорія електролізу базується на законах Фарадея. Основними технологічними показниками електролізу і критеріями раціонального використання електричної енергії є:

· вихід по струму;

· ступінь використання електричної енергії;

· витратні коефіцієнти по електричній енергії і напрузі, яка прикладена до електролізеру.

Виходом по струму називається відношення маси речовини, яку фактично отримують при електролізі, до маси речовини, що повинна бути отримана у відповідності з законом Фарадея. Виражається в частках, або відсотках.

Вихід по струму завжди менший за одиницю в результаті протікання на електродах побічних процесів (утворення побічних продуктів), втрат цільового продукту в результаті розчинення в електроліті і взаємодії з ним. Вихід по струму на аноді і катоді може бути різним. Витрата електроенергії при електролізі визначається напругою на електролізері.

Ступінь використання електричної енергії – відношення кількості електричної енергії, необхідної для виділення одиниці цільового продукту, до фактично витраченої. Витрати електричної енергії (кВт×год.) на 1 кг або 1 т продукту:

Промисловий електроліз водних розчинів характеризується значеннями виходів по струму 80-90% і коефіцієнтами використання енергії не більш як 50-60%. Для розплавів цей показник це нижчий.

Електроліз води.

В промисловості електроліз води це добре опрацьований і засвоєний спосіб виробництва водню. Зараз він використовується у порівняно невеликому масштабі через високу вартість електричної енергії, і електролітичний водень не може конкурувати з тим, що отриманий конверсійними методами (наприклад, з СН₄). Але перспектива використання водню як енергоносія, зокрема як екологічно безпечного палива для транспорту, повинна призвести до значного розвитку виробництва водню електролітичним розкладом води.

При електролізі води, крім водню, отримують кисень, який використовується в металургії, хімічній промисловості, медицині.

Електролітичний розклад води проводять у присутності фонового електроліту – кислот, лугів або солей, оскільки електрична провідність води вельми мала.

Для виробництва водню електроліз ведуть у присутності NаОН або КОН (вони менш агресивні до конструкційних металів, ніж кислоти).

Матеріалом для електродів служить сталь, іноді для зниження перенапруги водню на сталевий катод наносять покриття з нікелю, який містить сірку. Анодом є сталь з нікелевим покриттям.

Електродні процеси:

К^-) 2Н₂О + 2е^- ® Н₂ + 2ОН^-

А⁺) 2ОН^- ® Н₂ + 0,5О₂ + 2е^-

За стандартних умов теоретична напруга розкладу води складає 1,23 В. Фактична напруга – 2,3-2,5 В; теоретична витрата електроенергії на отримання 1 м³ водню складає 2,55 кВт×год., а фактична – 5-6 кВт×год.

Для зниження перенапруги виділення водню і кисню, а також зменшення питомого опору електроліз водних розчинів проводять при підвищеній температурі. Оптимальними є умови: t = 120ºС, Р = 1-3 МПа.

Для електролізу води використовують біполярні електролізери фільтрпресного типу з циркуляцією електроліту. Електролізер складають з 50-170 окремих біполярних елементів.

Вартість електроенергії складає 90% від вартості водню, причому, ступінь використання електроенергії не перевищує 30%.

При великомасштабному виробництві електролітичного водню в каскаді послідовно з’єднаних електродів як побічний продукт отримують важку воду шляхом поступового її концентрування в електролізерах. Збагачену воду виводять з останнього ступеню каскаду електролізера.

Поиск по сайту: