При электролизе на электродах при пропускании электрического тока через растворы или расплавы электролитов протекают окислительно-восстановительные реакции.




Электрохимический способ получения гипохлорита натрия (NaClO) основан на получении хлора путем электролиза водного раствора хлорида натрия (NaCl) и его взаимодействии со щелочью в одном и том же аппарате – электролизере.

В данном случае, когда в качестве электролита используется раствор поваренной соли, сущность процесса заключается в следующем:

На аноде идет разряд ионов хлора (процесс окисления):

 

2Cl- =Cl2 + 2e-

Выделяющийся хлор растворяется в электролите (NaCl) с образованием хлорноватистой и соляной кислот:

 

Cl2 + H2O = HClO +HCl

 

На катоде происходит разряд молекул воды (процесс восстановления):

 

H2O + e- = OH- + H+

 

Атомы водорода после рекомбинации выделяются из раствора в виде газа, оставшиеся же в растворе ионы OH- образуют возле катода с ионами Na+ щелочь.

Вследствие перемешивания анолита с католитом происходит взаимодействие хлорноватистой кислоты со щелочью с образованием гипохлорита натрия:

 

 

HClO + NaOH = NaClO + H2O

 

Если все количество щелочи, образующееся на катоде, будет поступать к аноду, то процесс электролиза протекает только с образованием раствора гипохлорита натрия.

Получающийся гипохлорит натрия в значительной степени диссоциирует с образованием ионов ClO-, которые способны к дальнейшему анодному окислению с образованием хлорат-иона СlO3-:

 

6СlO-+6OH- -6e-=6H2O +4Cl- +2ClO3- + 1,5O2

 

Концентрация ионов СlO- существенно влияет на дальнейший ход электролиза. Ионы ClO- разряжаются при значительно меньших потенциалах анода, чем ионы Сl-, поэтому уже при незначительных концентрациях гипохлорита натрия на аноде начинается совместный разряд ионов Сl- и СlO-.

Образование хлората может протекать и химическим путем по реакции:

 

2HClО+ClO- = ClO3-+2Cl- + 2H+

 

Получаемый раствор гипохлорита натрия достаточно стоек и может длительное время храниться без значительного разложения при соблюдении следующих факторов, влияющих на его стойкость:

1. низкая температура (не более 200С)

2. исключение воздействия света

3. отсутствие ионов тяжелых металлов

4. значение водородного показателя рН не менее 10

 

Разряд ионов Сl- приводит к образованию гипохлорита натрия с постепенно увеличивающейся концентрацией, а разряд ионов СlO- уменьшает его концентрацию. При достаточной длительности электролиза скорости этих двух процессов становятся одинаковыми (v1=v2) и дальнейший рост концентрации образующегося гипохлорита натрия прекратится.

Поэтому задачей получения гипохлорита натрия является осуществление процесса электролиза в таких условиях, при которых равновесная концентрация гипохлорита натрия наступала бы как можно позднее. Очевидно, что этим условиям будут благоприятствовать все факторы, облегчающие разряд ионов Сl- и затруд­няющие разряд ионов CIО-.

 

2.2.Факторы, влияющие на электролиз хлорида натрия

Наиболее существенное значение для ведения электролиза на оптимальном уровне имеют следующие факторы:

1. концентрация растворов хлоридов

2. температурный режим

3. анодная плотность тока

4. характер движения жидкости

5. способ разложения электродов

 

1. Чем выше концентрация хлоридов, тем меньше перенапряжение выделения хлора и тем больше сдвигается его равновесный потенциал в электро­отрицательную сторону. Следовательно, увеличение концентрации NaCI облегчает выделение хлора. Однако чем выше концентрация раствора NaCI, тем больше расход поваренной соли на 1 кг гипохлорита натрия, поэтому в практических условиях концентрацию раствора хлористого натрия выби­рают в зависимости от требуемой концентрации гипохлорита натрия. Чем меньше раствор должен содержать гипохлорита, тем меньше может быть исходная концентрация NaCI.

 

2. Процесс окисления гипохлорита с последующим образованием хлоратов замедляется при понижении температуры раствора, поэтому электролиз це­лесообразно вести при низких температурах в интервале 20—25°С.

 

3. Выход гипохлорита по току увеличивается с возрастанием анодной плот­ности тока, так как в этих условиях затрудняется доступ ионов СlO- к аноду. При очень малых плотностях тока, отвечающих интервалу потенциалов +0,8—1,33 В, на аноде будет выделяться кислород, затем при достижении равновесного потенциала выделения хлора начнется совместное выделение кислорода и хлора, причем с ростом плотности тока выход хлора по току будет быстро возрастать. При плотностях тока около 1000 А/м2 на выделе­ние кислорода будет расходоваться всего несколько процентов тока.

 

4. Весьма существенное значение имеет характер движения электролита. Если прианодный слой электролита не нарушается, то в нем находится преимущественно слабо диссоциированная хлорноватистая кислота, а обра­зование гипохлорита натрия происходит на некотором расстоянии от анода. В этом случае ионы СlO- могут поступать к аноду из глубины раствора только благодаря диффузии и электропереносу, поэтому при отсутствии пе­ремешивания прианодного слоя в растворе может накапливаться гипохлорит натрия более высокой концентрации, чем это соответствует началу раз­ряда ионов СlO-, Из сказанного следует, что необходимо избегать механического перемешивания раствора.

 

5.Для проведения процесса электролитического получения гипохлорита натрия с минимальными энергетическими затратами большое значение имеет выбор материала анода. Аноды работают в условиях непосредственного соприкосновения с химически активными веществами, поэтому основным требованием к материалу анода является их химическая устойчивость. От стойкости электродных материалов и их удельного износа зависят продолжительность эксплуатации, затраты на ремонт и обслуживание электролизеров. Материал анода должен способствовать разряду ионов Сl-,т. е. перенапряжение хлора на нем должно быть наименьшим.

 

2.3.Характеристика катодов и анодов установки электролиза

хлорида натрия

С конца 60-х годов началось широкое внедрение в хлорную промышленность и постепенная замена графитовых электродов на титановые аноды из диоксидов рутения и титана. За рубежом они нашли применение под названием DSA (dimensionally stable anodes). В отечественной практике они применяются под названием ОРТА (оксидные рутениево-титановые аноды). ОРТА являются официально зарегистрированным товарным знаком.

Малоизнашиваемые аноды типа ОРТА обладают рядом неоспоримых преимуществ по сравнению с графитовыми электродами:

Они обладают более высокими селективными и электрокаталитическими свойствами (перенапряжение выделения хлора на ОРТА значительно ниже) по отношению к основному процессу – выделению хлора на аноде. Это позволяет при всех прочих равных условиях ведения электролиза осуществлять процесс при более низком значении напряжения на ванне и интенсифицировать его, используя более высокие анодные плотности тока (вплоть до 10 кА/м2 на ртутных электролизерах, что недостижимо на графите). Тем самым увеличивается выход конечного продукта с единицы поверхности анода, что обеспечивает возможность выполнять конструкции электролизеров меньших габаритов при аналогичной производительности.

Коррозионная стойкость ОРТА значительно выше, чем у графитов анодов – время непрерывной эксплуатации металлоксидных анодов (без существенной потери своих электрофизических характеристик) в диафрагменных хлорных электролизерах составляет ~ 5-6 лет, в электролизерах с ртутным катодом ~ 1,5 и более лет, в хлоратных и гипохлоритных электролизерах ~ 1 год. Графитовые аноды в хлорных электролизерах имеют срок пробега не более 6 месяцев; в хлоратных и гипохлоритных электролизерах не более 3-4 месяцев. При этом ОРТА, имея достаточно хорошие технико-эксплуатационные характеристики, позволяют проводить процесс электролитического получения ГПХН при минерализации хлорида в питающем растворе до 20-25 г/л. Это обстоятельство дает возможность проводить электролиз до более глубокой степени конверсии поваренной соли и снижает ее удельный расход в пересчете на конечный продукт.

Аноды типа ОРТА и их модификации (термин «dimensionally stable anodes» дословно означает «размерно стабильные аноды» или, что более принято на практике – «аноды неменяющихся размеров») в процессе длительной эксплуатации не меняют своей формы и в первую очередь межэлектродного расстояния по отношению к противоэлектроду (катоду), что несвойственно графиту. Титановую подложку анодов по мере срабатывания активного покрытия можно подвергать многократной регенерации и повторному нанесению активного покрытия, что в условиях и относительной дороговизны титана является немаловажным положительным фактором.

К недостаткам ОРТА можно отнести их сравнительно высокую стоимость. Для сохранения их коррозионной стойкости следует предусматривать меры, предотвращающие повышение анодного потенциала. ОРТА нельзя рекомендовать для использования в установках с периодическим изменением полярности электродов, поскольку в результате восстановления окислов образуется металлический рутений, который не стоек в условиях анодной поляризации. Однако, несмотря на указанные недостатки окисно-рутениевых анодов, из всех новых разработанных МИА они нашли наиболее широкое применение на практике.

Что касается катодного материала, то в промышленности используются, в основном, сталь, графит и титан. Важными их свойствами являются стойкость при анодной поляризации, низкий потенциал выделения хлора и высокая электропроводность.

Процесс электролиза растворов хлоридов сопровождается образованием на катодах отложений солей жесткости. Первоначально появляются тонкая пленка и отдельные кристаллы, количество которых со временем увеличи­вается, и вся поверхность катода постепенно покрывается осадком. Толщина осадка непрерывно возрастает, в связи с чем межэлектродное пространство забивается отложениями, снижается сила тока через электролизер и умень­шается производительность установки.

Рядом исследователей было установлено, что скорость образования осадков и структура солевой пленки зависят от плотности тока, времени поляризации, химического состава раствора, состояния поверхности электродов.

С увеличением плотности тока и времени поляризации обрастание като­да происходит интенсивнее. Скорость налипания отложений снижаетсяприприменении электродов с более гладкой поверхностью. Наилучшие результа­ты достигаются при использовании полированных катодов.

Из перечисленных факторов наибольшее влияние на образование отложений на катодах оказывает химический состав воды и главным образом общая жесткость. С увеличением жесткости скорость образования катодных отложений возрастает. Механизм образования отложений, по-видимому, сле­дующий. В прикатодном пространстве первичным продуктом является ще­лочь, получающаяся в результате разложения воды. При наличии в раство­ре ионов Са 2+и Mg2+ происходит образование соответствующих гидроокисей, а в присутствии ионов СО3- карбонатов.

Существует несколько технических приемов, применение которых предотвращает рост осадков на катодах:

- создание высокой линейной скорости движения жидкости относительно электродов; механическая очистка поверхностикатодов;

- растворение отложений кислотой;

- «скалывание» осадков с катодов методом временной перемены полярно­сти электродов.

При создании высокой линейной скорости движения жидкости относи­тельно электродов отложения отрываются от поверхности катода и выно­сятся потоком. Скорость движения жидкости должна составлять не менее 1,5—2 м/с. Техническое осуществление данного способа возможно при при­менении специального насосного оборудования или электролизеров специ­альной конструкции, благодаря чему в межэлектродном пространстве созда­ются требуемые линейные скорости.

Электролит насосом под давлением снизу вверх вводится в элект­ролизер и по магистрали поступает в сепаратор. Сепаратор оборудован уст­ройством для удаления водорода, конусообразным дном для сбора отложе­ний, штуцером для подвода электролита и штуцером с клапаном для отвода готового продукта.

Электролит непрерывно с заданной скоростью циркулирует по замкну­тому объему до достижения требуемой концентрации по активному хлору. Катодные отложения выносятся из электролизера, собираются в конусной части сепаратора, откуда периодически удаляются. Новая порция электро­лита добавляется в количестве, равном отведенному готовому продукту.

Впускная камера обеспечивает равномерное распределениеэлектролита по сечению электролизера. В электролизной части аппаратавертикально по­очередно расположены анодные и катодные пластины.

В разделительной секции смонтированы устройства, сужающиеся в верх­ней части. Ширина зазора в этих устройствах меньше, чем расстояние между

электродами.

Ячейка снабжена патрубком для подвода электролита, крышкой с гид­равлическим затвором и отверстием для удаления водорода, штуцером для отвода получаемого гипохлорита натрия и патрубком с пробкой для перио­дического удаления отложений солей жесткости.

Электролит движется снизу вверх со скоростью, затрудняющей образо­вание катодных отложений. Продукты электролиза взаимодействуют не в электролитической ячейке, а в разделительной камере.

В случае применения механической очистки снятие отложений осуществ­ляется вручную или с помощью специальных механизмов. При ручной очист­ке требуются полная разборка установки и выполнение обслуживающим персоналом трудоемких работ.

Типичная конструкция электролизера состоит из ряда биполярно включенных дисков, закрепленных поочередно на валу, по­крытом изоляционным материалом. Электролизер за­крывается крышкой и стягивается болтами. Для снятия отложений солей жесткости в электролизер введены скребковые механизмы. Удаление отло­жений с поверхности электродов осуществляется при повороте вала.

Технически более простой операцией является растворение отложений кислотой, в связи с чем этот метод нашел довольно широкое применение в практике. Сущность метода заключается в том, что периодически по мере обрастания катодов солями жесткости через установку пропускают 3— 5%-ный раствор соляной или азотной кислоты, который и растворяет отло­жения. Кислота на промывку подается с помощью так называемого замк­нутого кислотного контура, состо­ящегоиз насоса небольшой подачи, бачка с кислотой, соединительных магистралей и запорной арматуры. Все оборудование вы­полняется из антикоррозионного материала. При проведении кислотной промывки закрывают задвижки и прекращают поступление электролита в электролизер. Открывают спускной вентиль, воздухоотделитель и сливают рассол из установки. Включают насос и в установку подают раствор кислоты, который сливается в сборный бачок по возвратной магистрали. Промывку осуществ­ляют до полного растворения отложений, после чего электролизер снова включают в работу.

Периодичностьпромывки и ее длительность зависят от интенсивности обрастания катодов.

Одним из наиболее предпочтительных методов снятия отложений является способ «скалывания» осадков, который осуществляется путем про­ведения временной перемены полярности электродов. В этом случае исклю­чается необходимость применения ручного труда и реагентов и, кроме того, возможна автоматизация процесса. Однако этот метод применим только для ограниченного числа материалов, способных попеременно работать как в качестве анода, так и катода. К числу таких электродов относятся, например платиновые, магнетитовые, из платинированного титана.

 

2.5.Виды электролитических ванн установки электролиза

хлорида натрия

В практике электрохимического производства хлорпродуктов нашли применение разнообразные конструкции электролитических ванн. На основании общих признаков они могут быть разделе­ны на две группы: монополярные и биполярные. Схема включения электро­дов в электрическую цепь для ванн каждой из этих групп является общей.

Монополярные ванны имеют ряд параллельно расположенных электродов, одна половина которых соединена с положительной шиной це­пи - аноды, другая - с отрицательной шиной - катоды. При таком соеди­нении каждый электрод имеет только одну полярность, т. е. является или анодом, или катодом. Сила тока на ванне пропорциональна плотности тока и поверхности всех электродов одной какой-либо полярности, напряжение на ванне определяется разностью потенциалов на одной паре электродов (ка­тоде и аноде), поэтому для работы монополярных ванн требуется большая токовая нагрузка при низком напряжении.

Биполярные ванны, так же как и монополярные, имеют ряд расположенных параллельно друг другу электродов, но включенных в электрическую цепь последовательно. Ток подводят только к крайним элект­родам — аноду и катоду. Промежуточные электроды включены в элект­рическую цепь через проводники второго рода — электролит.

При наложении напряжения на крайние токоподводящие элементы промежуточные электроды поляризуются. На одной их стороне, обращенной к аноду, концентрируются отрицательные заряды, на другой — положительные.

Таким образом, крайние электроды и являются монополярными, а все промежуточные — биполярными электродами, т. е. одной стороной они работают как катоды, а другой — как аноды.

Сила тока на биполярной ванне зависит только от плотности тока и пло­щади поверхности одного монополярного электрода (анода или катода) ине зависит от числа биполярных электродов. Напряжение на ванне, наоборот, за­висит от разности потенциалов между соседними электродами и прямо про­порционально числу пар анодов и катодов. Современные электролизеры в основном относятся к биполярному типу.

Количество продукта Gт, кг, которое теоретически должно выделиться на аноде при электролизе, может быть определено, согласно закону Фарадея, по формуле:

GT = AInt/ 1000

А – электрохимический эквивалент, г/(Ач)

I – полный ток через электролизер

n- число работающих анодов

t – продолжительность работы электролизера

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-10-17 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: