Электросинтез хлорной кислоты (стр. 3 из 4)

Пассивация поверхности платинового анода, наблюдаемая в процессе электрохимического получения хлорной кислоты, связана с образованием на поверхности слоев адсорбированного кислорода и фазовых оксидов различного состава. Структура оксидных слоев на поверхности платины и ее коррозионная стойкость зависят от соотношения концентраций НС10₄ ,и НС1 в электролите. В процессе электролиза соляной кислоты с целью получения хлора и водорода добавление к электролиту 50—150 г/л хлорной кислоты снижает скорость анодного растворения платины. При электролизе чистых растворов НС10₄ кислород связан с поверхностью платины более прочно, чем при электролизе смесей НС10₄ и НС1

На рис. 5 приведена зависимость плотности общего тока поляризации на платиновом аноде и плотности тока растворения платины от потенциала анода при электролизе 3 н. НС10₄ при различных температурах .

С увеличением содержания НС1 в электролите количество фазовых оксидов на поверхности анода уменьшается. В процессе электролиза смесей НС10₄ и НС1 при высоких анодных потенциалах и постоянной суммарной кислотности увеличение содержания НС1 в электролите или растворение элементарного хлора приводит к повышению коррозионной стойкости платинового анода . Как при комнатной, так и при пониженной температуре, увеличение содержания НС1 в электролите или насыщение его элементарным хлором приводит к снижению плотности тока растворения платины. Результаты исследований, проведенных при температурах —15 и —25 °С и потенциале 2,8В (н.в.э.), приведены на рис. 6.

На рис. 7 приведена зависимость доли тока, расходуемого на растворение платины, от концентрации НС1 в электролите или от насыщения электролита хлором для тех же условий электролиза.

При увеличении концентрации НС1 плотность тока растворения платины и доля тока, расходуемого на ее растворение, снижаются, особенно сильно при введении первых порций НС1 в электролит. Поэтому при выборе условий электрохимического производства хлорной кислоты целесообразно применять верхний предел концентрации НС1, при котором еще не наблюдается существенного снижения выхода хлорной кислоты по току. С понижением температуры электролиза, эта наиболее целесообразная концентрация НС1 в электролите возрастает .

Насыщение электролита элементарным хлором снижает плотность тока растворения платины, но мало влияет на долю тока, расходуемого на растворение, так как практически в равной мере снижаются скорости основных анодных процессов и общая плотность поляризующего тока .

Ранее для изготовления анодов применяли платиновые проволоки или фольгу. В настоящее время используются платино-титановые аноды, в которыхплатина в виде тонкой фольги приваривается к титановой основе электрода При длительном электролизе происходит постепенное разрушение платино-титановых анодов, как за счет растворения платины на работающей поверхности анода, так и вследствие нарушения контакта между платиновой фольгой и титановой основой. При этом платина, перешедшая в раствор, частично осаждается на графитовых катодах; остальная ее часть выводится из электролизера с потоком хлорной кислоты. Платина осаждается в поверхностном слое графитового катода толщиной не более 100 мкм.

При включении нового электролизера со свежими графитовыми катодами содержание платины в хлорной кислоте, отбираемой из электролизера, составляет 0,3—0,5 мг/л, но по мере отложения платины на поверхности графитового катода условия осаждения ее на катоде изменяются. Скорость осаждения платины на катоде снижается. Это приводит к уменьшению осаждения платины из

lg j,A/см²

Рис. 5. Влияние потенциала на скорость суммарного анодного процесса (/—3) и скорость растворения платины 4—6 в 3 н. Н НС10₄при различной температуре:

1,4—при 57 °С: 2,5—при 25 ⁰С; 3.5 — при —18⁰С.

400 800 1200 1600 2000 0 400 800 1200 1600 2000 Время, мин Время, мин

Рис. 6. Скорость растворения платины в электролитах разного состава (в н.): 1—ЗНС104; 2—ЗНС104+0.01НС1; 3- 2,9НС104+ 0.1НС1; 4—2НС104+ 1НС1; 5—ЗНС104.насыщенный С12

Рис. 7. Доля тока, расходуемого на растворение платины в электролитах разного состава (обозначения те же, что и на рис. 6).

раствора на катоде к постепенному возрастанию содержания платины в растворе, вытекающем из электролизера, до 2—2,5 мг/л .Стационарная концентрация платины в электролите зависит также от его состава и несколько возрастает с увеличением концентрации НС10₄ в интервале от 300 до 600 г/л и концентрации НС1 в интервале от 0 до 30 г/л.

Рис. 7. Зависимость равновесной концентрации платины от содержания НС104в электролите (концентрация НС1 16—18г/л, содержание Pt на графите 9,9 мг/см2, температура 24—26 °С).

Рис. 8. Зависимость равновесной концентрации платины от содержания НС1 в каталите (концентрация НС104 423—433 г/л, содержание платины на графите 9,0 мг/см2, 24—26°С).

На рис. 7 и 8 показано изменение количества платины в катодном пространстве, отделенном малопроточной диафрагмой от анодного пространства, через 5—7 ч электролиза при начальном содержании ее в катодной жидкости 6,8 мг/л. Повышение содержания НС1 и НС10₄ в электролите в исследованных пределах приводит к снижению скорости осаждения платины на графите и увеличению остаточного содержания ее в жидкости в 1,3—1,5 раза .Платина, осажденная на катоде, может быть собрана и возвращена на регенерацию; платина, уносимая из электролизера с потоком хлорной кислоты, теряется безвозвратно.

При определенных условиях процесса наиболее уязвимым в платино-титановых электродах является место приварки платиновой фольги к титановой основе электрода. В этом месте образуются сплавы платины с титаном переменного состава, которые отличаются меньшей коррозионной стойкостью, чем платина.

В качестве основы анода может быть использован также тантал. При испытаниях платино-танталовых анодов, полученных нанесением платины на танталовую основу электрода электроискровым способом, при потенциалах 3,0—3,1 В и комнатной температуре полученные электрохимические показатели аналогичны показателям на платино-титановых анодах. При температуре —20 °С выход хлорной кислоты и хлора по току несколько ниже, а кислорода выше, чем на платино-титановом аноде. Это, по-видимому, можно объяснить образованием платино-танталовых сплавов на поверхности анода при нанесении платины электроискровым способом

Для получения хлорной кислоты в качестве анода могут быть использованы и другие металлы платиновой группы. Электролиз смешанных растворов НС10₄ и НС1 (содержание НС1 1 н.) предложено проводить на иридиевом аноде в интервале (—5)—(—30) °С при анодном потенциале 2,9—3,3 В, а также на родиевом аноде. Однако в промышленных условиях обычно применяются пла-тино-титановые аноды.

5.ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА.

Технологическая схема производства хлорной кислоты включает следующие основные стадии: приготовление электролита, электролиз, вакуумная дистилляция и получение безводной кислоты.

Содержание примесей в хлорной кислоте зависит от чистоты исходной хлороводородной кислоты, а также от типа конструкционных материалов электролизеров, трубопроводов и вспомогательной аппаратуры. С целью уменьшения содержания ионов хлорида в получаемой хлорной кислоте обычно используют каскад электролизеров, в котором осуществляется более полное окисление хлорид-ионов до НСLO₄.

При получении хлорной кислоты путем анодного окисления хлора удается обеспечить очень высокое качество НСLO₄, так как с хлором в электролит не вводится никаких примесей.

На стадии приготовления электролита часть хлорной кислоты, полученной в результате электролиза, из сборника насосом перекачивают в холодильник, в котором с помощью охлаждающего рассола понижают ее температуру до —5 "С. После охлаждения хлорную кислоту направляют в абсорбер, в который также подают хлор. В абсорбере осуществляют насыщение раствора хлорной кислоты хлором. Раствор, содержащий 40% (масс.) НСLO₄ и около 3 кг/м³ растворенного хлора, с температурой О °С выводят из абсорбера и подают на электролиз. Из электролизера через промежуточный сборник выводят раствор хлорной кислоты, содержащей незначительное количество хлора и хлористого водорода, и направляют на вакуумную дистилляцию. В процессе дистилляции при давлении 2,66—3,23 кПа отгоняются пары воды, хлор и хлорид водорода. Отогнанные пары конденсируют в холодильнике и возвращают в сборник на стадию приготовления электролита.

Полученную хлорную кислоту с температурой около 90 °С направляют в холодильник и далее через вакуумный приемник в виде 60—70%-го раствора подают в сборник готового продукта.

При получении безводной хлорной кислоты используют процесс обезвоживания раствора хлорной кислоты олеумом с вакуумной отгонкой НСLO₄ в обогреваемом аппарате из кварцевого песка.

6. КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ.

В литературе имеется мало публикаций о конструкциях современных электролизеров