Нижегородский государственный технический университет

имени Р.Е. Алексеева

Кафедра «Технология электрохимических производств»

Лабораторная работа №6 « исследование процесса электролиза водных растворов NaCl в диафрагменном электролизере с проточным электролитом»

Выполнил: ст. гр. 07-ТЭП

Бекетов С.С.

Проверил: Гунько Ю.Л.

Н.Новгород

2011 г

Введение

Основная масса хлора и щелочи получается электролизом водных растворов NaCl в ваннах трех типов: диафрагменных, мембранных (аналог диафрагменных) и ртутных. В электролизерах первого типа катодом служит стальная сетка, анодом — графитовые стержни (или оксидно-рутениево-титановые электроды); катодное пространство от­делено от анодного асбестовой диафрагмой. Последняя разде­ляет катодный и анодный газы, щелочной католит и кислый анолит. Диафрагма, препятствуя диффузии и конвекции в электролите, не устраняет однако попадание ионов ОН' в анодное пространство путем миграции в процессе электроли­за. В результате такой миграции будет происходить взаимо­действие катодного и анодного продуктов (щелочи и хлора), что приведет к понижению выходов по току для этих веществ и загрязнению получающейся щелочи хлора­том. Попадание ионов гидроксила в анодное пространство при их миграции устраняется путем непрерывной подачи рассола в это пространство и протекания его через диафрагму со ско­ростью, большей скорости встречной миграции ионов ОН'. Для того, чтобы получить вытекающие щелока более концентрированными по щелочи, скорость подачи рассола держат по возможности меньшей, когда скорости встречных процессов миграция ионов ОН' и протекания рассола близки друг к другу.

Во всех случаях выход по току для хлора и щелочи не до­стигают 100%. Одной из причин этого является частичное попадание хлора в катодное пространство. Хлор, растворенный в анолите, попадает вместе с ним в катодное пространство, где, реагируя со щелочью, дает хлораты. Эти соеди­нения частично восстанавливаются на катоде, а частично вы­водятся вместе со щелоками.

Экспериментальная часть

Цель работы: определить средний выход по току для хлор-газа и щелочи (через 0,5 часа) при электролизе раствора NaCl 50г/л (анолит) и NaOH 5% (католит) при мембранном электролизе при токе I = 3A. Скорость протока через анолит и католит из расчета 17 капель в минуту. Время электролиза 1,5 часа.

Анодная часть электролизера представляет собой сосуд из оргстекла. На его верхней крышке укреп­лен анод; здесь же имеются отверстия для вывода хлора и подачи рассола. Поступление рассола осуществляется через жидкостной затвор во избежание выхода хлора. Боковой сто­роной анодный сосуд прижимается к катодному комплекту с последовательным расположением в нем диафрагмы и никелевой сетки, которая является катодом.

Катодный комплект закрепляется во внешнем сосуде элект­ролизера, в котором собираются образующиеся щелока. Верх­ний слив во внешнем сосуде служит для вывода щелоков. Выделяющийся водород удаляется в атмосферу. Хлороотвод в ходе опыта должен быть постоянно погружен на определен­ную глубину в поглотительную склянку с раствором щелочи. Выходной наконечник поглотительной склянки соединить с водоструйным насосом для создания необходимого разряже­ния на линии хлороотвода, для барботирования хлора в погло­тительной склянке. На линии хлоропровода от электролизера до поглотительной склянки необходимо создать подсос возду­ха во избежание захвата анолита и протекания его в поглотительную склянку (на линии поставлена трубка с отверстием, через которое и осуществляется подсос воздуха).

Электролизер заполняется рассолом до полного покрытия анода раствором (концентрация исходного рассола, скорость его проте­кания через электролизер, электродная плотность тока и про­должительность опыта—по заданию руководителя). Необхо­димая токовая нагрузка на электролизер рассчитывается на поверхность анода. В поглотительную склянку заливается 5Н раствор NaOH. После подготовки установки к опыту, начинается подача рассола с заданной скоростью; включается водоструй­ный насос и, после установления режима, включается ток нуж­ной силы.

Рисунок 1 - Электролизер и электрическая схема работы.

Аn — анод; Кt — катод; Д — диафрагма; Пщел, — приемник щелоков; Пхл—поглотительная склянка для хлора; Р- емкость с рассолом; А — ампер­метр; V—вольтметр; СИПТ- стабилизированный источник постоянного тока.

Записывается начальное напряжение на ванне; затем напряжение записывается через каждые 0,5 час. За 5 -10 минут до окончания каждого периода склянка с собранными щелоками заменяется на новую. Собранный за это время электролит соответствует составу электролита в катодном пространстве электролизера (католит).

После каждого 0,5 – 1 часа опыта отбирают собранные щелока к ставится новая склянка для их сбора. Измеряется объем щелоков и проводится их анализ на щелочь и активный хлор и одновременно – анализ на щелочь и активный хлор католита.

По окончании опыта измерить объем раствора в поглоти­тельной склянке и анализируется на содержание актив­ного хлора (по методике приложения) для расчетов параметров электролиза анодного процесса.

Средний выход по току для щелочи В_т^NaOH рассчитываем по формуле:

(1)

где G_NaOH – количество щелочи, полученной за все время опыта, г;

I – сила тока, А;

t– время, 1 ч;

q – электрохимический эквивалент NaOH, г/А·ч.

Удельный расход электроэнергии для отдельных периодов опыта и средний определяется по формуле:

(2)

где V_ср – среднее напряжение на ванне, В;

B_т – выход по току, %.

Среднее напряжение на ванне V_cp рассчитывается как среднее арифметическое из его промежуточных значений.

V_ср = (V₁ + V₂ + ... + V_n ) / n (3)

где: n – число замеров

Расчеты параметров электролиза по хлору проводят по формулам аналогичным данным выше для расчетов по ще­лочи.

Концентрация анолита NaCl = 50 г/л

Концентрация католита NaOH = 5%

Расчет токовой нагрузки на электролизер:

I=j·S (4)

где j – плотность тока, А/см²;

S – площадь электрода, см²

I=3 А

Таблица 1 - Экспериментальные данные

t, мин	U, В
0	6,4
25	5,6
30	5,4
55	5,3
60	5,2
85	5
90	4,9

V_ср = (66.4+5.6+5.4+5.3+5.2+5+4.9) / 7 = 5.4В

Построим зависимость напряжения на электролизере от времени электролиза (рисунок 2)

Рисунок 2 - Зависимость напряжения на электролизере от времени электролиза

1 Расчет среднего выхода по току для щелочи

V_{1 NaOH} = мл – объем щелочи в сборнике;

V_{2 NaOH} = мл – объем католита;

V_{1 НСl} = мл – объем соляной кислоты, пошедший на титрование аликвотной доли щелочи из сборника;

V_{2 НСl} = мл – объем соляной кислоты, пошедший на титрование аликвотной доли католита.

Концентрацию щелочи в полученных растворах рассчитываем по формуле:

, г/л (5)

где: V_HCl - объём 0,1Н НСl, пошедший на титрование раствора, мл;

N_HCl = 0,1Н – нормальность раствора соляной кислоты;

V_NaOH = 1 мл – объем аликвотной доли раствора щелочи, взятого на титрование;

М_NaOH = 40 г-экв/л – эквивалентная масса NaOH.

Общее количество щелочи, полученное за все время опыта, можно рассчитать по формуле:

G_NaOH = [С_{1 NaOH}·V_{1 NaOH}+ С_{2 NaOH}·V_{2 NaOH}- С_{0 NaOH}·(V_{1 NaOH}+V_{2 NaOH})]·10^-3

где: С_{0 NaOH} – исходная концентрация раствора NaOH, 5% или 50г/л

G_NaOH =[70*14.5+15.5*75.6-(50*30)]·10^-3 = 2.037 г

Выход по току рассчитываем по формуле (1)

2 Расчет среднего выхода по току для хлор-газа

V = 120 мл – объем поглотительной щелочи;

a = 14.4 мл – объем раствора Na₂S₂O₃, пошедший на титрование аликвотной доли щелочи из сборника;

Концентрация активного хлора С_Cl2 в щелочи поглотительной склянке рассчитывается по формуле:

(6)

где: а—объем 0,1 Н Na₂S₂O₃, пошедший на титрование пробы, мл;

0,003546—титр 0,1Н раствора гипосульфита по хлору, г/мл.

Количество всего поглощенного хлора g_Cl2 (г), будет рав­няться

g_Cl2 = C_Cl2 · V, (7)

где: V — объем щелочи в поглотительной склянке, л.

g_Cl2 = C_Cl2 · V = 25.53·0,12 = 3.067 г

Выход по току для хлор-газа рассчитываем по формуле (1)

_{3 Расчет удельного расхода электроэнергии}

Опытные и расчетные данные для щелочи приводим в таблице 2, для хлора – в таблице 3.

Таблица 2 - Параметры электролиза по щелочи

Время опыта, мин

Количество протекшего электричества, А·ч

Среднее напряжение, В

Объём щелоков, мл

мл 0,1Н HCl, пошедшего на титрование 1мл щелочи

NaOH в сборнике

NaOH в католите

ВтNaOH, %

Wр, кВт·ч/т

сборник

католит

из сборника

католита

г/л

г

г/л

г

90

5,4

70

75.6

30

12080

Таблица 3 - Параметры электролиза по хлору

Время опыта, мин	Количество протекшего электричества, А·ч	Среднее напряжение, В	мл 0,1Н раствора Na2S2O3, пошедшего на титрование 1мл поглотительной щелочи	Концентрация активного хлора в поглотительной щелочи, г/л	Количество выделенного хлора (общее), г	ВтСl2, %	Wр, кВт·ч/т
90		5,4	14.4	25.53	3.07	52	7867