Количественные характеристики процесса электролиза

Критериями рационального проведения процесса электроли­за считают выход вещества по току (выход по веществу) В_т и коэффициент использования энергии (выход по энергии) В_э.

Выходом по току называется отношение массы вещества, практически выделившейся при электролизе m_п, к массе ве­щества, которая должна выделиться по закону Фарадея при тех же значениях силы тока и времени электролиза m_т:

В_т = (21.8)

По закону Фарадея масса выделившегося при электролизе вещества:

m_т = (кг) (21.9)

где: Э — химический эквивалент вещества,

J — сила тока. А,

 — время электролиза, ч,

F = 26,8 — константа Фарадея, А ^. ч,

10³ — коэффициент перевода массы из граммов в килограммы,

М_эх — электрохимический коэффициент, равный массе вещества (г), выделившегося при про­хождении через электролит тока силой один ампер в течение одного часа (г/А ^. ч). В табл. 21.1 приведены значения М_эх.

Таблица 21.1.

Электрохимические эквиваленты некоторых металлов и их соединений

	Атомная	Ox - Red	Электрохимические эквиваленты
Металл	масса	форма	г / (А . ч)	А . ч / г	мг (А. с)	А. с / мг
1	2	3	4	5	6	7
Магний	24,3050	Mg2+ /Mg	0,454	2,204	0,126	7,936
Алюминий	26,9815	Al3+/Al	0,335	2,982	0,093	10,730
Хром	51,9960	Сr6+/Cr	0,323	3,094	0,090	11,111
		Cr3+/Cr	0,646	1,548	0,180	5,555
Марганец	54,9380	Мn2+/Mn	1,023	0,975	0,284	3,520
		MnO4--/Mn	0,632	1,582	0,175	5,716
		MnO4--/MnO2--	4,434	0,226	1,230	0,812
Железо	55,8470	Fe3+/Fe	0,694	1,441	0,193	5,184
		Fe2+/Fe	1,042	0,960	0,289	3,456
Кобальт	58,9332	Сo3+/Co	0,733	1,364	0,208	4,808
		Co2+/Co	1,099	0,910	0,305	3,275
Никель	58,7000	Ni3+/Ni	0,730	1,370	0,203	4,933
		Ni2+/Ni	1,095	0,913	0,304	3,288
		Ni(OH)2/Ni	1,729	0,578	0,481	2,082
Медь	63,546	Сu2+/Cu	1,186	0,843	0,329	3,036
		Cu+/Cu	2,372	0,422	0,658	1,518
		Cu Cl/Cu	3,690	0,271	1,050	0,975
Цинк	65,38	Zn2+/Zn	1,220	0,819	0,339	2,950
		ZnO/Zn	1,519	0,658	0,422	2,368
		Zn(OH)2/Zn	1,854	0,539	0,515	1,942
Ниобий	92,9064	Nb5+/Nb	0,650	1,539	0,181	5,192
Палладий	106,400	Pd2+/Pd	1,990	0,503	0,551	0,907
Серебро	107,8682	Ag+/Ag	4,025	0,249	1,118	1,814
		AgO2/Ag	4,345	0,231	1,207	0,828
		AgO/Ag	2,313	0,432	0,642	1,556
Кадмий	112,4100	Cd2+/Cd	2,097	0,477	0,582	1,717
		CdO/Cd	2,395	0,418	0,664	1,507
Олово	118,6900	Sn4+/Sn	1,107	0,903	0,307	3,252
		Sn2+/Sn	2,214	0,452	0,615	1,626
Платина	195,0900	Pt4+/Pt	1,821	0,549	0,506	1,978
Золото	196,9665	Au1+/Au	7,357	0,136	2,042	0,490
		Au3+/Au	2,450	0,408	0,681	1,469
Свинец	207,2000	Pb2+/Pb	3,870	0,270	1,074	0,930
		PbO/Pb	4,162	0,241	1,152	0,867
		PbSO4 /Pb	5,661	0,177	1,572	0,637
		PbO2 /PbSO4	4,461	0,224	1,239	0,807

Из (21.8) и (21.9) следует, что масса практически получае­мого при электролизе вещества равна:

m_п = m_т В_т (кг) . (21.10)

Выход по току характеризует эффективность использования пропущенного через электролизер количества электричества, то есть электричества, затраченного непосредственно на обра­зование целевого продукта электролиза и составляет для рас­плавов 0,7— 0,9 дол. ед., а для растворов около единицы.

Выходом по энергии называется отношение количества энер­гии, теоретически необходимого для выделения при электроли­зе единицы массы вещества W_т, к количеству энергии, факти­чески затраченному для этого в тех же условиях W_п:

В_э = . (21.11)

Количество энергии, затрачиваемое на выделение единицы массы вещества, рассчитывается в обоих случаях по идентичной формуле:

W_т/п = (кВт ^. ч), (21.12)

где: V_т/п - теоретическое / практическое напряжение элект­ролиза,

J - сила тока. А,

 - время электролиза, ч,

m_т/п - теоретическая / практическая масса вещества, полученная при электролизе за время .

Так как сила тока есть величина постоянная, то для равного времени произведение j ^.  = конст. Тогда, подставив значения W_т и W_п из формулы (21.12) в формулу (21.11) и используя формулу (21.8) полу­чим зависимость:

В_э = , то есть

В_э = (21.13)

Выход по энергии характеризует эффективность использо­вания электрической энергии при электролизе, то есть долю ее, непосредственно затрачиваемую на реакции разряда ионов. Из формулы (21.13) следует, что выход по энергии падает при уменьше­нии выхода по току и возрастании разницы между практичес­ким и теоретическим напряжением электролиза. Основные по­тери энергии при электролизе связаны с тепловыми процесса­ми (нагрев и поддержание высокой температуры электролита). Поэтому, выход по энергии составляет для растворов около 0,6 дол. ед., а для расплавов не более 0,2—0,3 дол. ед.

Удельный расход электроэнергии на производство единицы массы (1 тонны) продукта определяется из закона Фарадея (21.9), преобразовав его в:

J ^.  = .

Подставив это значение в формулу (21.12), получаем:

W_т = кВт ^. ч/т (21.14)

и так как из (21.11): m_т = m_п / В_т:

W_п = кВт ^. ч/т (21.15)

Здесь коэффициенты 10³ и 10³ введены для пересчета кило­граммов в тонны и Вт ^. ч. в кВт ^. ч.

Для осуществления процесса электролиза к электролизерам подводится постоянный ток силой несколько килоампер и на­пряжением 4 — 6 В. Он вырабатывается в выпрямителях преобразованием переменного тока, подаваемого от электрогенерато­ров. Потребляемую мощность этих генераторов в кВт рассчи­тывают по формуле:

А = (кВт), (21.16)

где: J — сила тока, А,

V_п — практическое напряжение на токоподводах элект­ролизера, В,

n — число электролизеров (электролитических ванн). Сечение токоподводов к электролизерам выбирается, исхо­дя из параметров проходящего через них постоянного тока — силы и напряжения.