Общая химическая технология. В 2-х частях. Ч. II. Важнейшие химические производства. Изд. 3-е, перераб. и доп. - Мухленов И.П.
Скачать (прямая ссылка):
Разряд ионов натрия из водных растворов на твердом катоде невозможен вследствие более высокого потенциала их разряда по сравнению с водородом. Поэтому остающиеся в растворе гидро-ксильные ионы образуют с ионами натрия раствор щелочи. Процесс разложения NaCl можно выразить следующими реакциями:
2СГ—2е-»с;2 2H2O+с=2Н+гонги H2
2Н2о+2СГ Ci2 + H2+гонили
2H2O + 2NaCl -*¦ Cl2 + H2 + 2NaOH
т. е. на аноде идет образование хлора, а у катода — водорода и едкого натра. При электролизе наряду с основными описанными процессами могут протекать и побочные, один из которых описывается уравнением (б). Помимо этого, хлор, выделяющийся на аноде, частично растворяется в электролите и гидролизуется по реакции -
Cl2+H2O^ HOCl+ HCl
В случае диффузии щелочи (ионов ОН"") к аноду или смешения катодных и анодных продуктов хлорноватистая и соляная кислоты нейтрализуются щелочью с образованием гипохлорита и хлорида натрия:
HOCl + NaOH = NaOCl +IL2O HCl + NaOH = NaCl + H2O
ИоныС10"на аноде легко окисляются в ClO/". Следовательно, из-за побочных процессов при электролизе будут образовываться гипохло-рит, хлорид и хлорат натрия, что снижает выход по току и коэффициент использования энергии. В щелочной среде облегчается выделение кислорода на аноде, что также будет ухудшать показатели электролиза. Чтобы уменьшить протекание побочных реакций, следует создать условия, препятствующие смешению катодных и анодных продуктов. К ним относятся разделение катодного и анодного пространств диафрагмой и фильтрация электролита через диафрагму в направлении, противоположном движению ОН~-ионов к аноду. Такие диафрагмы называются фильтрующими диафрагмами и выполняются из асбеста.
Повышение температуры электролиза и концентрации NaCl в электролите, благодаря которым уменьшается растворимость хлора, а также снижение концентрации NaOH в католите сокращают вероятность побочных процессов. Выход по току в данный момент может быть для электролиза раствора хлорида натрия приближенно определен по уравнению
^'-1+OJg(C1CO' (VIU0)
где C1 и C2 — соответственно концентрации NaCl и NaOH в растворе. 134
Уравнение (VII. 10) подтверждает, что выход по току уменьшается с ростом концентрации NaOH и понижением концентрации хлорида натрия. Влияние концентрации щелочи в католите на выход потоку показано на рис. 55, из которого следует, что увеличение концентрации NaOH более 155 г/л сопровождается резким уменьшением выхода по току. Повышение температуры электролиза увеличивает не только выход потоку, но и электропроводность электролита, благодаря чему сни-
к 100H
S 90-80-70-
а
и
а
80
100 120 140 1G0 180 Концентрация NaOH1 г/л
Рис. 55. Зависимость выхода по току от концентрации щелочи в католите
NaCl
жается напряжение на ванне. Таким образом, повышение температуры уменьшает расход электрической энергии и поэтому обычно электролиз растворов хлорида натрия проводят при 70—80° С.
Промышленные электролизеры с фильтрующей диафрагмой широко применяются в промышленности. Принципиальная схема такой ванны приведена на рис. 56. Ванна имеет стальной перфорированный (с отверстиями) катод и графитовый анод. К катоду плотно прилегает фильтрующая диафрагма из асбестового картона. Раствор хлорида натрия подается в анодное пространство, фильтруется сквозб диафрагму и достигает катода. Скорость фильтрации электролита характеризуется так называемой протекае-мостью 'диафрагмы v (см3/ч) и зависит от площади сечения диафрагмы F (см2), гидростатического давления столба электролита h (см вод. ст.), толщины диафрагмы Ь (см) и вязкости электролита Li (сПз):
v = (Fhlb\i) k, (VII.11)
где k — коэффициент протекаемости, учитывающий пористость диафрагмы.
При прохождении постоянного электрического тока на аноде образуется хлор, на катоде — водород и щелочь, которая, проходя через отверстия катода, стекает в катодное пространство и удаляется из ванны. В ваннах не происходит полного разложения поваренной соли и устанавливается постоянная концентрация щелочи и неразложившейся поварен-°и соли. В электролитическом щелоке, вытекающем из ванны, содержится 110—120 г/л NaOH и 180—170 г/л NaCl. Во Промышленные электролизеры должны иметь большую произ-НцЛ'ИТЄЛЬН0СТЬ' 4X0 Достигается увеличением нагрузки. Примене-е катодов с очень развитой поверхностью позволяет создавать
NaOH
Рис. 56. Схема ванны с фильтрующей диафрагмой:
' — диафрагма: 2 — стальной катод, j _ катодное пространство, 4 _ анод; 5 — анодное пространство
компактные электролизеры с 'нагрузкой до 50 ООО А. Диафрагма в этом случае насасывается или «осаждается» на поверхность катода, из суспензии асбестового волокна в соляно-щелочных растворах при помощи вакуума. На рис. 57 приведена схема ванны с осажденной диафрагмой. Эта ванна состоит из трех основных частей — бетонного днища, стального катода и бетонной крышки.
A-A
Б-Б
Рис. • 57. Ванна с осажденной диафрагмой:
/ — бетонное днище; 2— стальной катод: 3 — бетонная крышка; 4 — труба для подачи рассола; 5 — труба для отвода хлора; 6" — графитовые аноды; 7 — штуцер для удаления водорода; 8 — трубка для слива электролитического щелока; 9 — медный токоведущин стержень
