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電解槽的主體結構(gòu)和分類

發布者: 学生妹国产在线第一页環保(bǎo)    時(shí)間:2021-12-7 15:14:21

陽極

陽極和陰極的(de)作用不同,對材質要求也各異。

分可溶性和不可溶性兩類。在精煉(liàn)銅用的電解(jiě)槽中,陽極材料(liào)為(wéi)可溶性的待精煉的粗銅。它在電解過程中溶入溶液,以補(bǔ)充在陰極上從(cóng)溶液中析出的銅。在電解水(shuǐ)溶液(yè)(如食鹽(yán)水溶液)用的電解(jiě)槽中,陽極為不溶性的(de),它們在(zài)電解(jiě)過(guò)程基本不發生變化,但對在電(diàn)極表麵上所進行的陽極反應常具有催化作用。在化學工業中,大多采用不溶性陽極。

陽極材料除需滿足一般電極材料的(de)基本需求(如導電性、催化活性強度、加工、來源、價格)外,還需能在強(qiáng)陽極極化和較高溫度的陽極液中不溶解、不鈍化,具有很高的穩定性。長期以來,石墨是使(shǐ)用廣泛的陽極材料。但石墨多孔(kǒng),機械強度差,且容易氧化成二氧化碳,在電解過程中不斷(duàn)地被腐蝕(shí)剝落,使電極間距逐漸(jiàn)增大,槽電壓升高。用於電解食(shí)鹽水(shuǐ)溶液(yè)時,石墨電極上的析氯過(guò)電位也較高。

60年代H.比爾提出的在鈦基上(shàng)塗覆氧化釕(liǎo)、氧化鈦而形成的金(jīn)屬氧化物電極是陽極材料的一個重大革新。二氧化釕對某些陽(yáng)極反應如析(xī)氯、析氧具(jù)有很好的催化活性,能在高電流密度下(xià)工作(zuò)而槽電壓比較低。比較(jiào)突出(chū)的特點是具有很好的化學穩定性,工作壽命比石墨陽極長得多。例如(rú)在氯堿生產用的隔膜電解槽中,其壽命可(kě)達10年以上(shàng)。由於它不易腐蝕,尺(chǐ)寸穩定,被稱為形穩性(xìng)陽極。為適應不同要求(qiú)和用途,可在塗層中添加(jiā)其他組(zǔ)分,如加入錫、銥可提高氧的過電位,完善陽(yáng)極的選擇性(xìng),又如加入鉑可提高電極的穩定性等。目前,貴金屬(shǔ)塗層的金屬陽極在(zài)化學工業中已做到普遍推廣。

在熔融鹽電解槽中,因電解溫度比水溶液電解槽(cáo)中高得多,對陽極材料要求更嚴,電解(jiě)熔融氫(qīng)氧化鈉,一般(bān)可用鋼鐵、鎳(niè)及其合金。電解熔(róng)融氯化物,隻(zhī)能用石墨。

陰極

以金(jīn)屬或合金作為陰極時(shí),由於在比較負的電位下工作,往往可以起(qǐ)到陰極保護作用,腐蝕性小,所以陰極材料(liào)比較容易選擇。在水溶液電解槽中,陰極(jí)一般產生析氫反應,過電位較高(gāo)。因此(cǐ)陰極材料的主要(yào)改(gǎi)進方向是降低析氫(qīng)過電位。除用硫酸作為電解液時必要采用鉛或石墨作陰極(jí)外,低碳鋼是常用的陰極材料。為降低電耗,目前采用各種(zhǒng)方法製備高比表麵積,並具有催化活性(xìng)的(de)陰極,如多孔鎳鍍(dù)層(céng)陰極。

為了提(tí)高產品(pǐn)質量(liàng),也可采用特殊的陰極材料(liào),如在水銀法(fǎ)電解食鹽(yán)水(shuǐ)溶液製取燒堿的汞陰極中,利用汞析氫過電位高的(de)特點,使鈉(nà)離子放電,生成鈉汞齊,然後在專用的設備中,用水瓦解鈉汞齊製取純度高、高濃度堿液。另外,為(wéi)了節約(yuē)電能也可采用耗氧陰極,使氧在陰極還原,以代替(tì)析氫(qīng)反應,按(àn)理論計(jì)算可(kě)降低(dī)槽電壓1.23V。

隔膜

為防止陰(yīn)、陽兩極產物混合,避免可能發生的(de)有害反應,在電解槽中,基本上都(dōu)用隔膜將陰、陽極室隔開。隔膜需有一定的孔隙率,能使(shǐ)離子通過,而(ér)不使分(fèn)子或氣泡通過,當有電流流過時(shí),隔膜的歐姆電壓降要低。這些性能要求在使用(yòng)過程中基本不變,並且要求在陰、陽極室電解(jiě)液的作用下,有良好的化(huà)學穩定性和機械強(qiáng)度(dù)。電解水時,陰、陽極室的電解(jiě)液相同,電解槽的隔膜隻需將陰、陽極室隔開,以保證氫、氧純度,並防止氫氧混合發(fā)生爆炸。更多見(jiàn)的比較複雜的情況(kuàng)是電解槽中陰、陽極室的電解液組成不同。這時隔膜還需要阻(zǔ)止陰、陽極室電(diàn)解液中電(diàn)解產物的相互擴散和(hé)作用,如氯堿生產中隔膜法電解槽中的隔膜,可以增大陰極室氫氧離子(zǐ)向陽極室擴散和遷移的阻力。

隔膜由惰性材料(liào)製作,如氯堿工業中長期使用的石棉隔膜。但石棉隔膜性能(néng)不穩定,當鹽(yán)水中含有鈣、鎂雜質時,容(róng)易在隔膜中生成氫氧化物(wù)沉澱,降低透過率;在比較高的溫度和在電解液作用下,還會(huì)發生膨(péng)脹、鬆脫。為此可以(yǐ)在石棉中加入樹脂(zhī)作為增強材料,或以(yǐ)樹脂為主體(tǐ)做成微(wēi)孔隔膜(mó),在穩定性和機械強度(dù)方(fāng)麵都有很大改進。近年來氯堿生(shēng)產開發的陽離(lí)子交換膜是新型的隔膜材料(liào)。它(tā)具有對離子透過的選擇性,可(kě)使氯離子基本上不進(jìn)入陰極室(shì),從而可以製得氯化鈉含量極(jí)低的堿液。

按電解液的不同分類

水溶液電解槽

水溶液電解槽的形式(shì),可分為隔膜電解槽和無隔膜電解槽兩類。隔膜電解槽又可分為(wéi)均向膜(石棉絨(róng))、離子膜及固體電解質膜(如β-Al2O3)等形式;無隔膜電解槽又分為水銀電解槽和氧化(huà)電解槽等。

采用不同的電解(jiě)液時(shí),電解槽的結構也有所不同。

水溶液電解槽分有隔膜和無隔膜兩類。一般多用隔膜電解槽。在氯酸鹽生產和水銀法生產氯(lǜ)氣和燒堿時,采用無隔(gé)膜電解槽。盡量增(zēng)大單位體(tǐ)積內的電極表麵(miàn)積,可以提高電(diàn)解槽的生產強度。因此,現代隔(gé)膜電解(jiě)槽中的(de)電極多為(wéi)直(zhí)立式。電解槽因內部部件材質、結構、安(ān)裝等不同表現出不同的性能與特點。

熔融鹽電解槽

多(duō)用於製取低熔點金屬,其特點是在高(gāo)溫下運(yùn)轉,並應盡量防止水分進入,避免氫離子在(zài)陰極(jí)上(shàng)還原。例如製取金屬鈉時,由於(yú)鈉離子的陰極還原電位很負,還原(yuán)很困難,必要用不含氫離子的無水熔融鹽或熔融的氫氧化物,以免陰極析出(chū)氫。為此(cǐ)電解過程(chéng)需在高溫下進行,例如電解(jiě)熔融氫氧化鈉時(shí)為 310℃,如其中含(hán)有(yǒu)氯化鈉成為混合電解質(zhì)時,電解溫度為650℃左(zuǒ)右。

電解(jiě)槽的高溫可以通過改變電極間距,將歐姆電壓降所消耗(hào)的電能轉變為熱量來達到。電解熔融氫氧化鈉(nà)時,槽體可用鐵或鎳,電解含有氯化物的熔融電解質時常由於原料中不可避免地帶入(rù)少量水分,會使陽極生成潮濕的氯氣,對電(diàn)解槽(cáo)的腐蝕作用很強,因此(cǐ)電解熔融氯化物的電解(jiě)槽,一般用陶瓷或磷酸鹽材料,而不受氯氣作用的部位可用鐵。熔融鹽電解槽中的陰、陽極產物,同樣要求妥(tuǒ)善隔開,而且應盡快由槽中引出,以免陰極(jí)產(chǎn)物金(jīn)屬(shǔ)鈉長時間飄浮在(zài)電解液表麵,會進一步與陽極產物或空氣(qì)中的氧起作用。

非水溶(róng)液電解槽

由於非水溶液電(diàn)解槽在製取有機產品或電解有(yǒu)機物時,常伴隨有(yǒu)各種複雜的化學反應,使其應用受到限製(zhì),工業化的不多。一般采用的有機(jī)電解液,電導率低(dī),反應速度也小。因此,必要采用較低的電流密度,極間距盡量縮小。采用固定床或(huò)流化床的電極結構有較大的電極表麵(miàn)積,可提高電解槽生產能力。

按電(diàn)極(jí)的連接方式分類(lèi)

電解(jiě)槽按電極的連接方式,可分(fèn)為單極(jí)式和複極式兩類電(diàn)解槽。單極式電(diàn)解槽中同極(jí)性的電極與直流(liú)電源並聯連接,電極兩麵的(de)極性相同,即(jí)同時為陽極(jí)或同時為陰極。複極(jí)式電解槽兩端的電極分別與直流電源的正負極相連,成為(wéi)陽極或陰極。電流(liú)通過串聯的電(diàn)極流過電解槽時,中間各(gè)電極的一麵為陽極,另一麵為陰極(jí),因此具有雙極性。當電極總麵積相同時,複極式(shì)電解槽的電流較小(xiǎo),電壓較高,所需直流電源的投資比(bǐ)單(dān)極式者省。複極式一般采用壓濾機(jī)結構形式,比較(jiào)緊湊。但易漏電和短路,槽(cáo)結構和操作管理比單極式複雜(zá)。單極式電解槽截(jié)麵一般為長方形或方形,圓筒形占地大,空間利用率(lǜ)低,采用較少。


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