Использование электролиза в промышленности

    Електроліз широко застосовують у промисловості. Електролізом одержують найбільш активні метали (К, Na, Ca, Mg, Al) і найбільш активні неметали (фтор і хлор). Електроліз також використовують для синтезу деяких складних речовин — їдкого натру (NaOH), їдкого калі (KOH), бертолетової солі (KClO₃).

    Електроліз також використовують для покриття поверхні металевих виробів шаром більш стійкого металу з метою захисту від корозії, наприклад цинкування, хромування, нікелювання. Шляхом електролізу метали можна очищувати від домішок.

    Електроліз застосовують у гальванотехніці ― електролітичному осадженні металів на поверхню металевих і неметалевих виробів. Це дозволяє знімати з різних предметів точні копії, які легко відокремити від оригіналу. Такий метод репродукування називають гальванопластикою

Применение  в промышленности

Электролиз широко применяется в различных отраслях промышленности. В химической промышленности электролизом получают такие важные продукты как хлор и  щелочи, хлораты и перхлораты, надсерную кислоту и персульфаты, перманганат калия, органические соединения, химически чистые водород, кислород, фтор и ряд других ценных продуктов.

    В цветной  металлургии электролиз используется для рафинирования металлов, для  извлечения металлов из руд. Металлы, которые  не могут быть выделены из водных растворов вследствие высокого отрицательного потенциала получают в цветной металлургии электролизом расплавленных сред, в качестве которых служат соли этих металлов, содержащие добавки различных соединений, вводимые с целью понижения температуры плавления расплава, повышения электропроводности и т.д. К числу металлов, получаемых электролизом расплавленных сред относятся алюминий, магний, цирконий, титан, уран, бериллий и ряд других металлов.

    Электролиз  применяют во многих отраслях машиностроения, радиотехники, электронной, полиграфической  промышленности для нанесения тонких покрытий металлов на поверхность изделий  для защиты их от коррозии, придания декоративного вида, повышения износостойкости, жаростойкости, получения металлических  копий.

    В основу классификации промышленных ванн могут  быть положены различные признаки. Например, по типу полярности ванны  могут быть монополярными, биполярными и комбинированными.      

 В промышленных  ваннах применяются различные  типы катодов: неподвижные  цельнометаллические, подвижные цельнометаллические(лента),  неподвижные пористые неметаллические, насыпные металлические и т.д.      

 Аноды же могут  быть расходуемые(вступающие в химическую реакцию),

растворимые твердые, растворимые жидкие, нерастворимые  твердые  и пористые, нерастворимые.      

 Сочетание вышеперечисленных  типов анодов и катодов с  учетом целей электролиза приводит  к следующим типам электролизеров: горизонтальные с жидким ртутным катодом, с вертикальными катодами и фильтрующей диафрагмой, с горизонтальной диафрагмой, с проточным электролитом, с движущимися электродами, с насыпными электродами и т.д.      

 Для электролиза  могут быть использованы следующие  типы электролитов: водные растворы  солей, кислот, оснований; неводные  растворы в неорганических растворителях;  неводные растворы в органических  растворителях ; расплавленные соли; твердые электролиты; газы.      

 К лучшим материалам  для нерастворимых анодов относятся  специальные сорта графита, двуокись  свинца, магнетит, композиции на  основе тантала и титана.      

 Несмотря на  большое разнообразие электролитов, электродов, электролизеров, имеются  общие проблемы технического  электролиза. К ним следует  отнести перенос зарядов, тепла,  массы, распределение электрических  полей. Для ускорения процесса  переноса целесообразно увеличивать  скорости всех потоков и применять  принудительную конвекцию. Электродные  процессы могут контролироваться  путем измерения предельных токов.       

 При проектировании  любого электрохимического производства  необходимо выяснить все возможности  оптимизации электролизных процессов.  Оптимизация условий электролиза  имеет большое значение как при составлении энергетического баланса, так и при определении капиталовложений.      

 Оптимизации должны  быть подвергнуты число ванн, способы очистки электролита,  конструкции ванн, материалы электродов, типы электродов. Кроме того очень  важно оценить оптимальные значения  силы тока, сопротивления электролизной  ячейки.  

    Производство  хлора и едкого натра

    Технический электролиз водных растворов может  осуществляться без выделения металлов или с их выделением на катоде. Среди  электрохимических процессов разложения водных растворов без выделения  металлов наибольшее распространение  получил электролиз водных растворов  хлорида натрия.

    Электролиз  водных растворов хлорида натрия. При электролизе водных растворов хлорида натрия получают хлор, водород и едкий натр (каустическая сода).

    Хлор  – при атмосферном давлении и  обычной температуре газ желто-зеленого цвета с удушливым запахом. при  атмосферном давлении температура  кипения хлора –33,6° С, температура замерзания -102° С. Хлор растворяется в воде, органических растворителях и обладает высокой химической активностью.

    Хлор  потребляется прежде всего химической промышленностью для производства различных органических хлорпроизводных, идущих для получения пластических масс, синтетических каучуков, химических волокон, растворителей, инсектицидов и т.п. В настоящее время более 60% мирового производства хлора используется для органического синтеза. Помимо этого хлор используют для производства соляной кислоты, хлорной извести, хлоратов и других продуктов. Значительные количества хлора идут в металлургию для хлорирования при переработке полиметаллических руд, извлечения золота из руд, а также его используют в нефтеперерабатывающей промышленности, в сельском хозяйстве, в медицине и санитарии, для обезвреживания питьевой и сточных вод, в пиротехнике и ряде других областей народного хозяйства. В результате развития сфер использования хлора, главным образом благодаря успехам органического синтеза, мировое производство хлора составляет более 20 млн. т/год.

    Едкий натр, или каустическая сода, -- кристаллическое непрозрачное вещество, хорошо растворимое в воде, имеющее при атмосферном давлении температуру плавления 328° С. В промышленности выпускается твердый едкий натр и его водные растворы. Едкий натр широко используется во многих отраслях промышленности – целлюлозно-бумажной, химических волокон, нефтеперерабатывающей, органического синтеза, мыловаренной, лакокрасочной и в ряде других.

    Водород – газ, температура кипения которого при атмосферном давлении –252,8°  С. Водород используют для синтеза  важнейших неорганических и органических продуктов: аммиака, метанола и других спиртов, для гидрогенизации жиров, твердых и жидких топлив, очистки нефтепродуктов и др.

    Сырьем  для производства хлора и щелочи служат, главным образом, растворы поваренной соли, получаемые растворением твердой  соли, или же природные рассолы. Растворы поваренной соли независимо от пути их получения содержат примеси солей  кальция и магния и до того, как  они передаются в цеха электролиза, подвергаются очистке от этих солей. Очистка необходима потому, что в  процессе электролиза могут образовываться плохо растворимые гидроокиси кальция  и магния, которые нарушают нормальный ход электролиза. Очистка рассолов производится раствором соды и известковым  молоком. Помимо химической очистки, растворы освобождаются от механических примесей отстаиванием и фильтрацией. Электролиз растворов поваренной соли производится в ваннах с твердым железным (стальным) катодом и с диафрагмами и  в ваннах с жидким ртутным катодом. Промышленные электролизеры, применяемые  для оборудования современных крупных  хлорных цехов, должны иметь высокую  производительность, простую конструкцию, быть компактными, работать надежно  и устойчиво.

    Электролиз  растворов хлорида натрия в ваннах со стальным катодом и графитовым анодом позволяет получать едкий  натр, хлор и водород в одном  электролизере. При прохождении  постоянного электрического тока через  водный раствор хлорида натрия можно  ожидать выделения хлора:

    а также  кислорода:  (а)  (б) 

     2OH^- - 2ē→1/2О₂+Н₂О        (а)      или  

                             2Cl^- - 2ē→Cl₂ (б)

    Нормальный  электродный потенциал разряда  OH^- -ионов составляет +0,41 В, а нормальный электродный потенциал разряда ионов хлора равен +1,36 В. В нейтральном насыщенном растворе хлорида натрия концентрация гидроксильных ионов около 1·10^-7 г-экв/л. При 25° С равновесный потенциал разряда гидроксильных ионов будет φ_ар=0,82 В. 

    Равновесный потенциал разряда ионов хлора  при концентрации NaCl в растворе 4,6 г-экв/л равен φ_ар=1,32 В.

    Следовательно, на аноде с малым перенапряжением  должен в первую очередь разряжаться  кислород. Однако на графитовых анодах перенапряжение кислорода много  выше перенапряжения хлора и поэтому  на них будет происходить в  основном разряд ионов Cl^- с выделением газообразного хлора по реакции (а). Выделение хлора облегчается при увеличении концентрации NaCl в растворе вследствие уменьшения при этом равновесного потенциала. Это является одной из причин использования при электролизе концентрированных растворов хлорида натрия, содержащих 310-315 г/л. На катоде в щелочном растворе происходит разряд молекул воды по уравнению

H₂O + ē→H + OH^-   

Атомы водорода после  рекомбинации выделяются в виде молекулярного  водорода:

2H→H₂

    Разряд  ионов натрия из водных растворов  на твердом катоде невозможен вследствие более высокого потенциала их разряда  по сравнению с водородом. Поэтому  остающиеся в растворе гидроксильные  ионы образуют с ионами натрия раствор  щелочи. Процесс разложения NaCl можно выразить следующими реакциями:

    2Cl^- - 2ē→Cl₂

    Н₂О + ē=2Н + ОН^-  

    2H→H₂

Просуммировав уравнения  получим:

    2Н₂О + 2Cl^-→ Cl₂ + H₂ + 2ОН^-

или

    2Н₂О + 2NaCl→ Cl₂ + H₂ + 2NaOH

    То есть на аноде идет образование хлора, а у катода – водорода и едкого натра. При электролизе наряду с  основными описанными процессами могут  протекать и побочные, один из которых описывается уравнением (б). Помимо этого, хлор, выделяющийся на аноде, частично растворяется в электролите и гидролизуется по реакции 

      Cl₂ + Н₂О↔НОCl + НCl 

    В случае диффузии щелочи (ионов ОН^-) к аноду или смешения катодных и анодных продуктов хлорноватистая и соляная кислоты нейтрализуются щелочью с образованием гипохлорита и хлорида натрия: 

    НОC + NaOH=NaOC + Н₂О               HCl + NaOH=NaCl + Н₂О

    Ионы  ClO^- на аноде легко окисляются в ClO₃^- . Следовательно, из-за побочных процессов при электролизе будут образовываться гипохлорит, хлорид и хлорат натрия, что снижает выход по току и коэффициент использования энергии. В щелочной среде облегчается выделение кислорода на аноде, что также будет ухудшать показатели электролиза. Чтобы уменьшить протекание побочных реакций, следует создать условия, препятствующие смешению катодных и анодных продуктов. К ним относятся разделение катодного и анодного пространств диафрагмой и фильтрация электролита через диафрагму в направлении, противоположном движению ОН^- -ионов к аноду. Такие диафрагмы называются фильтрующими диафрагмами и выполняются из асбеста.   

    Экспериментальная часть.  

Электролиз проводился при силе тока 2 А. Электролизер состоял из стеклянной электролитической ванны и графитовых электродов.