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電解槽的主體結(jié)構(gòu)和分類

發(fā)布者: 正州環(huán)保    時(shí)間:2021/12/7 15:14:21

陽極

陽極和陰極的作用不同,對材質(zhì)要求也各異。

分可溶性和不可溶性兩類。在精煉銅用的電解槽中,陽極材料為可溶性的待精煉的粗銅。它在電解過程中溶入溶液,以補(bǔ)充在陰極上從溶液中析出的銅。在電解水溶液(如食鹽水溶液)用的電解槽中,陽極為不溶性的,它們在電解過程基本不發(fā)生變化,但對在電極表面上所進(jìn)行的陽極反應(yīng)常具有催化作用。在化學(xué)工業(yè)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基本需求(如導(dǎo)電性、催化活性強(qiáng)度、加工、來源、價(jià)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(wěn)定性。長期以來,石墨是使用廣泛的陽極材料。但石墨多孔,機(jī)械強(qiáng)度差,且容易氧化成二氧化碳,在電解過程中不斷地被腐蝕剝落,使電極間距逐漸增大,槽電壓升高。用于電解食鹽水溶液時(shí),石墨電極上的析氯過電位也較高。

60年代H.比爾提出的在鈦基上涂覆氧化釕、氧化鈦而形成的金屬氧化物電極是陽極材料的一個(gè)重大革新。二氧化釕對某些陽極反應(yīng)如析氯、析氧具有很好的催化活性,能在高電流密度下工作而槽電壓比較低。比較突出的特點(diǎn)是具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性,工作壽命比石墨陽極長得多。例如在氯堿生產(chǎn)用的隔膜電解槽中,其壽命可達(dá)10年以上。由于它不易腐蝕,尺寸穩(wěn)定,被稱為形穩(wěn)性陽極。為適應(yīng)不同要求和用途,可在涂層中添加其他組分,如加入錫、銥可提高氧的過電位,完善陽極的選擇性,又如加入鉑可提高電極的穩(wěn)定性等。目前,貴金屬涂層的金屬陽極在化學(xué)工業(yè)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中高得多,對陽極材料要求更嚴(yán),電解熔融氫氧化鈉,一般可用鋼鐵、鎳及其合金。電解熔融氯化物,只能用石墨。

陰極

以金屬或合金作為陰極時(shí),由于在比較負(fù)的電位下工作,往往可以起到陰極保護(hù)作用,腐蝕性小,所以陰極材料比較容易選擇。在水溶液電解槽中,陰極一般產(chǎn)生析氫反應(yīng),過電位較高。因此陰極材料的主要改進(jìn)方向是降低析氫過電位。除用硫酸作為電解液時(shí)必要采用鉛或石墨作陰極外,低碳鋼是常用的陰極材料。為降低電耗,目前采用各種方法制備高比表面積,并具有催化活性的陰極,如多孔鎳鍍層陰極。

為了提高產(chǎn)品質(zhì)量,也可采用特殊的陰極材料,如在水銀法電解食鹽水溶液制取燒堿的汞陰極中,利用汞析氫過電位高的特點(diǎn),使鈉離子放電,生成鈉汞齊,然后在專用的設(shè)備中,用水瓦解鈉汞齊制取純度高、高濃度堿液。另外,為了節(jié)約電能也可采用耗氧陰極,使氧在陰極還原,以代替析氫反應(yīng),按理論計(jì)算可降低槽電壓1.23V。

隔膜

為防止陰、陽兩極產(chǎn)物混合,避免可能發(fā)生的有害反應(yīng),在電解槽中,基本上都用隔膜將陰、陽極室隔開。隔膜需有一定的孔隙率,能使離子通過,而不使分子或氣泡通過,當(dāng)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過程中基本不變,并且要求在陰、陽極室電解液的作用下,有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。電解水時(shí),陰、陽極室的電解液相同,電解槽的隔膜只需將陰、陽極室隔開,以保證氫、氧純度,并防止氫氧混合發(fā)生爆炸。更多見的比較復(fù)雜的情況是電解槽中陰、陽極室的電解液組成不同。這時(shí)隔膜還需要阻止陰、陽極室電解液中電解產(chǎn)物的相互擴(kuò)散和作用,如氯堿生產(chǎn)中隔膜法電解槽中的隔膜,可以增大陰極室氫氧離子向陽極室擴(kuò)散和遷移的阻力。

隔膜由惰性材料制作,如氯堿工業(yè)中長期使用的石棉隔膜。但石棉隔膜性能不穩(wěn)定,當(dāng)鹽水中含有鈣、鎂雜質(zhì)時(shí),容易在隔膜中生成氫氧化物沉淀,降低透過率;在比較高的溫度和在電解液作用下,還會發(fā)生膨脹、松脫。為此可以在石棉中加入樹脂作為增強(qiáng)材料,或以樹脂為主體做成微孔隔膜,在穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度方面都有很大改進(jìn)。近年來氯堿生產(chǎn)開發(fā)的陽離子交換膜是新型的隔膜材料。它具有對離子透過的選擇性,可使氯離子基本上不進(jìn)入陰極室,從而可以制得氯化鈉含量極低的堿液。

按電解液的不同分類

水溶液電解槽

水溶液電解槽的形式,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均向膜(石棉絨)、離子膜及固體電解質(zhì)膜(如β-Al2O3)等形式;無隔膜電解槽又分為水銀電解槽和氧化電解槽等。

采用不同的電解液時(shí),電解槽的結(jié)構(gòu)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(chǎn)和水銀法生產(chǎn)氯氣和燒堿時(shí),采用無隔膜電解槽。盡量增大單位體積內(nèi)的電極表面積,可以提高電解槽的生產(chǎn)強(qiáng)度。因此,現(xiàn)代隔膜電解槽中的電極多為直立式。電解槽因內(nèi)部部件材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、安裝等不同表現(xiàn)出不同的性能與特點(diǎn)。

熔融鹽電解槽

多用于制取低熔點(diǎn)金屬,其特點(diǎn)是在高溫下運(yùn)轉(zhuǎn),并應(yīng)盡量防止水分進(jìn)入,避免氫離子在陰極上還原。例如制取金屬鈉時(shí),由于鈉離子的陰極還原電位很負(fù),還原很困難,必要用不含氫離子的無水熔融鹽或熔融的氫氧化物,以免陰極析出氫。為此電解過程需在高溫下進(jìn)行,例如電解熔融氫氧化鈉時(shí)為 310℃,如其中含有氯化鈉成為混合電解質(zhì)時(shí),電解溫度為650℃左右。

電解槽的高溫可以通過改變電極間距,將歐姆電壓降所消耗的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃縼磉_(dá)到。電解熔融氫氧化鈉時(shí),槽體可用鐵或鎳,電解含有氯化物的熔融電解質(zhì)時(shí)常由于原料中不可避免地帶入少量水分,會使陽極生成潮濕的氯氣,對電解槽的腐蝕作用很強(qiáng),因此電解熔融氯化物的電解槽,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(chǎn)物,同樣要求妥善隔開,而且應(yīng)盡快由槽中引出,以免陰極產(chǎn)物金屬鈉長時(shí)間飄浮在電解液表面,會進(jìn)一步與陽極產(chǎn)物或空氣中的氧起作用。

非水溶液電解槽

由于非水溶液電解槽在制取有機(jī)產(chǎn)品或電解有機(jī)物時(shí),常伴隨有各種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),使其應(yīng)用受到限制,工業(yè)化的不多。一般采用的有機(jī)電解液,電導(dǎo)率低,反應(yīng)速度也小。因此,必要采用較低的電流密度,極間距盡量縮小。采用固定床或流化床的電極結(jié)構(gòu)有較大的電極表面積,可提高電解槽生產(chǎn)能力。

按電極的連接方式分類

電解槽按電極的連接方式,可分為單極式和復(fù)極式兩類電解槽。單極式電解槽中同極性的電極與直流電源并聯(lián)連接,電極兩面的極性相同,即同時(shí)為陽極或同時(shí)為陰極。復(fù)極式電解槽兩端的電極分別與直流電源的正負(fù)極相連,成為陽極或陰極。電流通過串聯(lián)的電極流過電解槽時(shí),中間各電極的一面為陽極,另一面為陰極,因此具有雙極性。當(dāng)電極總面積相同時(shí),復(fù)極式電解槽的電流較小,電壓較高,所需直流電源的投資比單極式者省。復(fù)極式一般采用壓濾機(jī)結(jié)構(gòu)形式,比較緊湊。但易漏電和短路,槽結(jié)構(gòu)和操作管理比單極式復(fù)雜。單極式電解槽截面一般為長方形或方形,圓筒形占地大,空間利用率低,采用較少。


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