Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Презентации / ХТ_ЛЕКЦИЯ№10.pptx
Скачиваний:
43
Добавлен:
23.01.2022
Размер:
219.42 Кб
Скачать

ХИМИЧЕСКАЯ

ТЕХНОЛОГИЯ

Лекция №10

Электрохимические производства. Теоретические основы электролиза водных растворов и расплавленных сред. Технология электролиза раствора хлорида натрия.

Основные направления применения электрохимических производств

При электролизе водных растворов и расплавленных сред могут быть получены химические продукты: водород, хлор, гидроксиды натрия и калия. Методом электролиза водных растворов осуществляют энергохимический синтез многих неорганических и органических веществ – гипохлоритов, хлоратов, перхлоратов, хлорной кислоты, перманганатов, диоксида марганца, а также адипонитрила, антидетонаторов. На электролизе водных растворов основаны гидроэлектрометаллургия и гальванотехника. Гидроэлектрометалургия –извлечение металлов из водных растворов их солей путем электролиза.

Важнейшая область электрохимии –

получение и эксплуатация химических источников тока. Химические источники тока подразделяются на первичные и вторичные.

Первичные:источникиэнергии,которые могутбытьиспользованылишьооднократно: батареииигальваническиеэлементыенты..

Вторичные:е: аккумуляторы,улятор , работоспособность которыхх восстанавливаетсяпропусканием электрическоготока..

2

Электрохимические методы все более широко внедряются в технику очистки сточных вод, в частности для опреснения сильно минерализированных вод электролизом с регенерацией индивидуальных солей, кислот и щелочей.

Преимущества электрохимических методов

•В электрохимических процессах аппаратура во многих случаях проще и компактнее по сравнению с альтернативными химическими процессами;

•Электрохимические методы получения ряда продуктов характеризуются меньшим числом производственных стадий и операций, более дешевым сырьем и большей глубиной его превращения, одновременным образованием (причем в раздельном виде) ценных продуктов.

Эти преимущества часто обусловливают более низкую себестоимость получаемой продукции.

Одно из главныха достоинствств электрохимическихе т ес методов – чистотата получаемых продуктов..

Основной недостаток электрохимическихе т ес процессов – высокая энергоемкость,е г е сть, поэтому энергетическиее гет ес е затратыаты составляютста я т главнуюа статью себестоимостиест сти продуктов..

Поэтому для электрохимическихе т ес производств особенное важно снижениее е энергопотребленияе г т е е я путем совершенствованияе е ст а я технологии,г , аа также рационального,а ь г , экономичногого использованияа я электроэнергиит э е г ..

3

Электролиз раствора хлорида натрия

Электролиз раствора NaCl – наиболее простой и экономичный метод одновременного получения трех важнейших химических продуктов – хлора, водорода и гидроксида натрия с использованием дешевого и доступного природного сырья. Это самое крупномасштабное электрохимическое производство.

Хлор применяют как сырье для производства хлорорганических растворителей и пластмасс, синтетических каучуков, химических волокон, ядохимикатов. В металлургии : для хлорирующего обжига руд, в текстильной и целлюлозно- бумажной промышленности – для очистки и отбеливания целлюлозы, бумажной массы и тканей. Большие количества хлора идут на очистку и стерилизацию сточных вод и питьевой воды.

2 NaCl + 2 H2O

 

2 H2 + 2 NaOH + Cl2

 

Гидроксид натрия используется в производстве многих химических продуктов, прежде всего в промышленном органическом синтезе, в целлюлозно-бумажном производстве, в производстве искусственных волокон, в металлургии (производство алюминия), в нефтехимической промышленности и др.

Электролиз раствора NaCl осуществляется двумя методами:

•электролиз с твердым катодом и фильтрующей диафрагмой;

•электролиз без диафрагмы с жидким ртутным катодом.

Благодаря чистоте получаемых продуктов, компактному аппаратурному оформлению, а также одностадийности процесс электролиза раствора NaCl является единственным в мире способом

производства хлора и основным способом получения гидроксида натрия.

4

Электролиз раствора NaCl с твердым катодом и фильтрующей диафрагмой

При реализации этого процесса на катоде в соответствии с значениями электродных потенциалов протекают следующие процессы:

K : 2

H 2 O +

2 e -

 

2 O H - + 2 H (ад c) (1)

 

2

H (ад c)

 

 

H 2

(2)

 

 

Материалами для катода служит сталь, на которой водород выделяется с относительно невысоким перенапряжением (0,3 В). В реальных условиях электролиза (концентрированный раствор NaCl, содержащий NaOH, температура 90 С) фактический потенциал выделения водорода составляет около – 0,845 В. Снижение потенциала до 0,3 – 0,4 В можно достичь применением пористых графитовых катодов, для упрочнения и гидрофобизации пропитанных политетрафторэтиленом и активированных солями меди или серебра.

Вобъеме электролита анодного пространства в результате гидролиза хлора идут побочные химические реакции:

Cl2

+

H2O

 

 

 

HOCl

+

HCl

(6)

 

 

 

 

 

 

Cl2

+

OH -

 

 

HOCl

+

Cl -

(7)

 

 

 

 

HOCl

 

+ OH -

 

 

 

OCl

+

H2O

(8)

 

 

 

 

Накапливающиеся в катодном пространстве гидроксид-ионы образуют нейтральные молекулы гидроксида натрия:

OH - +

Na +

 

 

NaOH (3)

 

 

 

На аноде выделяется хлор:

A: 2 Cl -

- 2 e-

 

 

Cl2 (4)

 

 

Материалом анода служит оксидно-рутениевая система, обладающая прочностью и химической инертность по отношению к кислороду являющемуся побочным продуктом, образующемся на аноде:

A: 4 OH - - 4 e-

 

O

2

+ 2 H O (5)

 

 

 

 

2

Образующийся в результате этой последовательной реакции гипохлорит анион претерпевает анодное окисление

A: 6 OCl - + 3 H O - 6 e-

 

2 OCl3- + 4 Cl - + 3 O2 + 6 H + (9)

 

2

 

 

Побочные реакции снижают выход по току основных продуктов и повышают расходные коэффициенты по энергии. Электролиз реализуют в электролизерах непрерывного действия с вертикальными фильтрующими диафрагмами при противотоке движения электролита и OH ионов.

Корпус ванны разделен на катодное и анодное пространства пористой диафрагмой из асбеста. Диафрагма плотно прилегает к перфорированному стеклянному катоду. В анодном пространстве расположен оксидно-рутениевый анод. Очищенный рассол подают в анодное пространство и вследствие гидростатического давления он фильтруется через диафрагму и катод в катодное пространство. Из катодного пространства непрерывно отводят водород и раствор гидроксида натрия, а из анодного – хлор. В образующемся хлор-газе содержится 95 – 96% Cl2. Хлор-газ охлаждают до

20 С (при этом конденсируется вода) и дополнительно сушат промывкой концентрированной серной кислотой. Катодный продукт – раствор гидроксида натрия содержит 120 – 140 г/л NaOH и 170 – 180 г/л неразложившегося NaCl. Раствор выпаривают, при этом NaCl переходит в твердую фазу, т.к. его растворимость резко снижается с увеличением концентрации NaOH. После выпарки и плавки щелоков получают безводны гидроксид натрия, содержащий 92 – 95% NaOH и 2 – 4% NaCl.

Благодаря противотоку электролита и ионов OH -, последние практически не попадают в анодное пространство и побочные реакции (5), (7) – (9), за которые они ответственны, предельно минимизированы.

6

Электролиз раствора хлорида натрия с ртутным катодом

На ртутном катоде электродные реакции идут с большим перенапряжением – потенциал разряда составляет 1,7 – 1,8 В. Натрий выделяется на ртутном катоде с большим эффектом деполяризации и потенциал разряда Na + на ртути много ниже стандартного и равен 1,23 В. На перфорированном графитовом (или оксидно- рутениевом) аноде выделяется хлор.

K:

Na + + n Hg

+ e-

 

 

 

NaHg n

 

 

A:

2 Cl - -

2 e-

 

 

 

Cl2

 

 

 

Амальгаму натрия, содержащую 0,1 – 0,3% Na,

выводят из электролизера и разлагают нагретой

водой в отдельном реакторе-разлагателе. В

разлагателе идет электрохимическая реакция,

соответствующая процессу в короткозамкнутом

гальваническом элементе NaHg n [NaOH] С в котором амальгама служит катодом.

Na + H O + 2 e-

 

Na + + OH- + 1/2 H2

 

2

 

 

Na + + OH- NaOH

7

Схема электролизера с ртутным катодом

1-электролизер; 2-разлагатель; 3-насос.

Глубоко очищенный концентрированный раствор NaCl подают в наклонный удлиненный электролизер, по дну которого самотеком, противотоком рассолу, движется ртуть, служащая катодом. Над ртутью расположен горизонтальный оксидно-рутениевый анод, погруженный в рассол. Анодная жидкость, содержащая непрореагировавший NaCl, выводится из электролизера совместно с хлор-газом, от которого отделяется в сепараторах и продувочных колоннах. Хлор подают на осушку, а обесхлоренный рассол после очистки от ртути и примесей насыщается каменной солью и возвращается в электролизер. Амальгама натрия из электролизера перетекает в наклонный реактор-разлагатель, где движется противотоком дистиллированной воде, подаваемой в количестве, обеспечивающем получение 45%-ого раствора NaOH. На дне разлагателя размещены гребенчатые графитовые плиты, образующие с амальгамой короткозамкнутый гальванический элемент NaHg n

[NaOH] С. Отводимый гидроксид натрия отделяют в сепараторах от водорода и передают потребителям. Ртуть, вытекающую из разлагателя, ртутным насосом перекачивают в электролизер.

8

Соседние файлы в папке Презентации