電解槽主體結(jié)構(gòu):
1、電極
①陽極
陽極和陰極的作用不同,對(duì)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?cè)陔娊膺^程基本不發(fā)生變化,但對(duì)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(zhǎng)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(duì)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。突出特點(diǎn)是具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性,工作壽命比石墨陽極長(zhǎng)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,改善陽極的選擇性,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)中已得到普遍推廣。
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(duì)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。
②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)必須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,用水分解鈉汞齊制取高純度、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。
③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(zhǎng)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(huì)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(duì)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。
- 下一篇:電解槽的強(qiáng)度