75

где GoNaCl - масса хлорида натрия, поступившего на электролиз;

GNaCl - масса хлорида натрия, не прореагировавшего

впроцессе электролиза.

Впромышленных условиях за один цикл конверсия хлорида натрия составляет 40 - 45% при содержании NaOH в католите 120 - 140 г/л.

2.2.4. Выбор оптимального технологического режима

Процесс электролиза хлорида натрия проводят в условиях, позволяющих получить максимальное количество высококачественных продуктов: гидроксида натрия, хлора и водорода при наименьших затратах сырья и, особенно, электроэнергии.

Состав электролита

В качестве электролита при электрохимическом получении гидроксида натрия используют раствор, содержащий 300 - 310 г/л хлорида натрия (близкий к насыщению), что позволяет поддерживать высокую электропроводность раствора, низкое напряжение на электролизной ванне и тем самым уменьшать расход электроэнергии. Кроме того, при высокой концентрации хлорид-ионов снижается перенапряжение выделения хлора и возрастает скорость его выделения на аноде, а вероятность выделения кислорода (Табл. 2.2.1) существенно уменьшается. Высокая концентрация хлорида натрия в электролите способствует понижению растворимости хлора в анолите.

Концентрация гидроксида натрия в католите определяет затраты энергии на стадии упаривания при получении товарного продукта. Поэтому при

76

электролизе стремятся получить раствор католита с высокой концентрацией щелочи. Однако при увеличении ее концентрации в католите возрастает вероятность попадания гидроксид-ионов в анодное пространство за счет диффузии, их превращения и снижения выхода по току. Оптимальная конечная концентрация гидроксида натрия в католите при диафрагменном процессе составляет 110 - 135 г/л.

Температура

В промышленных ваннах процесс электролиза проводят при температурах 80 - 90ОС. Это дает возможность снизить растворимость хлора в 5 - 8 раз, увеличить электропроводность электролита, снизить перенапряжение выделения водорода и хлора, тем самым увеличить скорость процесса электролиза и уменьшить расход электроэнергии.

		Плотность тока
Плотность		тока	(i)	в	электрохимических
процессах	играет		важнейшую		роль,	поскольку
скорость процесса пропорциональна величине i.
Так как, плотность тока (i)					равна	отношению
силы тока (I) к площади электрода (S):

	i	I
		S

аиз уравнения (2.2.16) следует

I GТ

ЭX

(2.2.28)

77

то :

i	G
	Т
	S Э	X

и, соответственно:

G	i S Э
Т
		X

(2.2.29)

Таким образом, если площадь электрода постоянна, то скорость процесса (Gпр / ) пропорциональна плотности тока. В этой связи для достижения высокой производительности электролизеров стремятся работать при высоких плотностях тока. Кроме того, использование высокой анодной плотности тока (2000 А/м2 и более), уменьшает расход тока на побочный электродный процесс, связанный с выделением кислорода (Табл. 2.2.1, реакция 2) и предотвращает разрушение графитового анода по реакции (2.2.12). При повышении плотности тока скорость выделения кислорода понижается, что связано с преимущественным ростом его перенапряжения по сравнению с ростом перенапряжения для хлора.

Материал электродов

Материал электродов должен обладать хорошей электропроводностью, химической стойкостью в агрессивных средах, доступностью и обеспечивать наименьшее перенапряжение при выделении хлора (анод) и водорода (катод). Минимальным перенапряжением при выделении водорода обладают платина и палладий, но эти металлы дороги и дефицитны. Из доступных металлов небольшим перенапряжением выделения водорода характеризуются железо, никель и титан. Поэтому при диафрагменном

78

процессе получения гидроксида натрия катоды изготавливают из наиболее дешевой и достаточно устойчивой в щелочной среде стальной (сталь 3) сетки, укрепленной на каркасе. Катоды имеют сложную форму и большую поверхность. При этом сохраняется постоянное минимальное расстояние между катодом и анодом. Увеличение расстояния между электродами на 1 мм повышает напряжение на ванне на 0,1 В, существенно увеличивая расход электроэнергии.

Аноды выполняют из специальных высокоплотных сортов графита в виде прямоугольных стержней толщиной 50 мм. Основным недостатком графитовых анодов является их относительно быстрое (10 - 16 месяцев) разрушение. При этом изменяется межэлектродное расстояние и растет напряжение на ванне. В последние годы графитовые аноды заменяют на малоизнашивающиеся (срок службы 4 - 6 лет), титановые аноды, покрытые смесью оксидов титана и рутения (электроды ОРТА). Аноды изготавливают из титановой проволоки или перфорированного листа. Толщина оксидного покрытия составляет около 0,1 мм. Такие аноды имеют перенапряжение выделения хлора в 8 - 10 раз меньше, чем графитовые. На них практически не происходит разряд гидроксид-ионов. Наличие перфорации способствует быстрому удалению хлора из межэлектродного пространства, что снижает электрическое сопротивление электролита за счет уменьшения газонаполнения. Кроме того, малая

толщина	анодов позволяет увеличить	их	число при
тех же	габаритах электролизера	и	тем самым

повысить нагрузку, а значит и производительность в 2 - 3 раза. Применение электродов ОРТА существенно снижает общее напряжение на ванне и расход электроэнергии на 15 - 20%.

79

Диафрагма

Для уменьшения скорости побочных процессов необходимо, в частности, исключить возможность смешения анолита и католита, попадания ионов гидроксила в анодное пространство за счет конвекционных потоков и диффузии. Это достигается применением фильтрующей диафрагмы, разделяющей анодное и катодное пространство, и созданием гидравлического противотока, обеспечивающего непрерывное движение электролита через диафрагму от анода к катоду (навстречу движению ионов гидроксила) со скоростью равной или несколько большей, чем скорость переноса указанных ионов.

Диафрагма должна быть механически прочной, химически стойкой к действию кислот, щелочей и окислителей, иметь одинаковую и равномерную по всей площади толщину, плотность, протекаемость, быть достаточно дешевой и доступной и т.д. Материалом, удовлетворяющим всем этим требованиям, является асбестовое волокно определенных сортов.

Диафрагму наносят на сетчатый железный катод

путем просасывания			через	его поверхность	пульпы
(10 - 15	г/л	асбестового волокна в растворе,
содержащем	220	-	240 г/л	хлорида натрия и	60 -

80 г/л гидроксида натрия) и сушат. Формирование структуры диафрагмы происходит в процессе работы электролизера. В последние годы асбестовые диафрагмы армируют термопластами для снижения набухаемости и увеличения прочности.

Существенную роль в процессе электролиза играет протекаемость диафрагмы, т.е. количество электролита, протекающее в единицу времени через единицу поверхности диафрагмы.

Принципиально возможны три режима работы диафрагмы:

скорость движения анолита через диафрагму равна скорости движения гидроксид-ионов к аноду. При этом режиме получаются высокие

80

выходы по току (98%) и достаточно концентрированная электролитическая щелочь (120 - 140 г/л). Этот режим используют в промышленности;

скорость движения анолита больше скорости движения гидроксид-ионов. В этом случае

содержание гидроксида натрия снижается. Кроме того, «кислый» анолит будет проникать в катодное пространство и при взаимодействии с гидроксидом натрия образовывать гипохлорит натрия, что уменьшает выход по току;

скорость движения анолита меньше скорости движения гидроксид-ионов, щелочь будет получаться более высокой концентрации, чем

при первом режиме, но выход по току будет меньше за счёт расхода гидроксида натрия на взаимодействие с соляной и хлорноватистой кислотами в анодном пространстве.

При содержании гидроксида натрия свыше 150 г/л выход по току начинает резко падать, так как поток анолита не может сдерживать движущиеся в анодное пространство гидроксид-ионы.

Для обеспечения постоянной протекаемости диафрагмы во времени необходимо применять растворы хлорида натрия, свободные от ионов кальция и магния, так как последние образуют карбонаты и гидроксиды, забивающие поры диафрагмы. Поэтому в производстве растворы хлорида натрия перед электролизом подвергаются тщательной очистке.

81

2.2.5. Экспериментальная часть

Схема лабораторной установки

Схема установки для электролиза водного раствора хлорида натрия представлена на рис. 2.2.1 и состоит из выпрямителя 8, электролизера 1, выполненного из органического стекла, имеющего в

верхней крышке дозатор электролита	5 и патрубок
для отвода анодных газов, а в	нижней части

патрубок для вывода католита и водорода. Католит собирают в мерный цилиндр 4.

Электролизер состоит из трех частей:

1)цилиндрического корпуса из оргстекла, в нижней части которого имеется фланец для крепления к днищу;

2)объемного днища конической формы со спиральной кольцевой выемкой для крепления катода;

3)крышки из оргстекла.

Катод 3 изготовлен из железной сетки. Перед сборкой на железную сетку наносят диафрагму из асбестовой массы.

Анод 2 изготовлен из графита в форме диска. Диск укреплен на графитовом стержне.