11.2 Электролиз растворов и расплавов

Явление выделения вещества на электродах при прохождении через электролит тока, а также процессы окисления или восстановления на электродах, сопровождающиеся приобретением или потерей частицами вещества электронов, называются электролизом.

В промышленности электролиз применяется в основном для анодного растворения металла и его катодного осаждения из растворов и расплавов.

Если в электролизной ванне процесс происходит с поглощением электрической энергии, ванна называется электролизером. Принципиальная схема электролизера показана на рис. 11.1.

Рисунок 11.1. Схема электролизной установки и распределение потенциала между электродами: 1 – электролит; 2 – электроды; 3 – источник питания; 4 – проводящие ионы

Напряжение на электролизной ванне можно представить состоящим из трех составляющих: напряжение электрохимического разложения вещества, приэлектродные падения потенциала и падение напряжения в электролите:

, (11.4)

где U₁ – напряжение электрохимического разложения вещества; U_a , U_k – анодное и катодное падения потенциала соответственно; I – сила тока в ванне; – расстояние между электродами, σ – проводимость электролита.

Мощность, выделяющаяся в электролизной ванне,

, (11.5)

Только часть этой мощности ( ) идет на электрохимическое разложение вещества, остальная же мощность расходуется на нагрев электролита и транспортировку ионов через раствор.

Отношение количества вещества, полученного при электролизе, к теоретически возможному количеству вещества, определенному по закону Фарадея, называют выходом вещества по току  (%):

, (11.6)

где – фактически выделившееся количество вещества; – количество вещества, которое должно было выделиться по закону Фарадея при отсутствии электрических потерь. Выход по току указывает, насколько экономично и рационально идет процесс электролиза.

Эффективность электролизного процесса оценивается выходом по энергии:

, (11.7)

где α – электрохимический эквивалент вещества; – выход металла по току; U – напряжение на электролизной ванне.

Таким образом, выходом металла по энергии следует считать количество металла в граммах, выделенное на 1 Дж затраченной энергии (г/Дж).

Электродная плотность тока определяется (А/м²):

, (11.8)

где I – сила тока; S – поверхность погруженной в электролит части электрода.

Образующийся около поверхности электрода двойной электрический слой препятствует подходу к электроду иона, а также выходу иона с электрода. Для его разрушения применяют циркуляцию электролита, питание электролизной ванны импульсным напряжением, а также вибрацию электродов.

При этом выравнивается температура электролита по ванне, а при питании импульсным напряжением нейтрализуется объемный заряд.

Электролиз меди. Целью электролиза меди является снижение содержания примесей в черновой меди, полученной плавкой в отражательных печах, извлечение находящихся в ней благородных и других ценных металлов и получение чистой электролитической меди.

Процесс ведут в электролизных ваннах ящичного типа, устанавливаются литые аноды черновой меди, между которыми подвешиваются тонкие пластины чистой меди (катоды) и подаётся электролит, представляющий собой водный раствор медного купороса.

Процесс электролиза начинается при напряжении 0,3-0,35 В. Плотность тока колеблется в пределах 180-270 А/м². Фактический выход по току составляет 92-98 %. Удельный расход электроэнергии составляет 200-379 кВт ч/т чистовой меди.

Электролиз цинка. В ваннах устанавливаются алюминиевые катоды и свинцовые аноды, которые заполняются водным раствором сернокислого цинка ZnSO₄ (5-6 %), который диссоциирует на катионы цинка Zn²⁺ и анионы S и серной кислоты H₂SO₄, диссоциирующей на катионы водорода Н⁺ и анионы S . В результате на катоде осаждается металлический цинк, на аноде выделяется газообразный кислород, а в растворе образуется серная кислота H₂SO₄. Электролиз ведут при повышенных плотностях тока (400-600 А/м²).

Электролиз алюминия. Электролитом является раствор оксида алюминия Аl₂O₃ в расплавленном криолите (Na₃AlF₆), ток через ванну достигает значений более 100 кА, поэтому ванны включают в серии последовательно без предварительного объединения в блоки.

При нормальной работе напряжение на ванне составляет 4,2-4,5 В, что достигается поддержанием заданного состава электроплита.