Что касается катодного материала, то в промышленности используются, в основном, сталь, графит и титан. Важными их свойствами являются стойкость при анодной поляризации, низкий потенциал выделения хлора и высокая электропроводность.
Процесс электролиза растворов хлоридов сопровождается образованием на катодах отложений солей жесткости. Первоначально появляются тонкая пленка и отдельные кристаллы, количество которых со временем увеличивается, и вся поверхность катода постепенно покрывается осадком. Толщина осадка непрерывно возрастает, в связи с чем межэлектродное пространство забивается отложениями, снижается сила тока через электролизер и уменьшается производительность установки.
Рядом исследователей было установлено, что скорость образования осадков и структура солевой пленки зависят от плотности тока, времени поляризации, химического состава раствора, состояния поверхности электродов.
С увеличением плотности тока и времени поляризации обрастание катода происходит интенсивнее. Скорость налипания отложений снижается при применении электродов с более гладкой поверхностью. Наилучшие результаты достигаются при использовании полированных катодов.
Из перечисленных факторов наибольшее влияние на образование отложений на катодах оказывает химический состав воды и главным образом общая жесткость. С увеличением жесткости скорость образования катодных отложений возрастает. Механизм образования отложений, по-видимому, следующий. В прикатодном пространстве первичным продуктом является щелочь, получающаяся в результате разложения воды. При наличии в растворе ионов Са 2+и Mg2+ происходит образование соответствующих гидроокисей, а в присутствии ионов СО3- карбонатов.
Существует несколько технических приемов, применение которых предотвращает рост осадков на катодах:
- создание высокой линейной скорости движения жидкости относительно электродов; механическая очистка поверхности катодов;
- растворение отложений кислотой;
- «скалывание» осадков с катодов методом временной перемены полярности электродов.
При создании высокой линейной скорости движения жидкости относительно электродов отложения отрываются от поверхности катода и выносятся потоком. Скорость движения жидкости должна составлять не менее 1,5—2 м/с. Техническое осуществление данного способа возможно при применении специального насосного оборудования или электролизеров специальной конструкции, благодаря чему в межэлектродном пространстве создаются требуемые линейные скорости.
Электролит насосом под давлением снизу вверх вводится в электролизер и по магистрали поступает в сепаратор. Сепаратор оборудован устройством для удаления водорода, конусообразным дном для сбора отложений, штуцером для подвода электролита и штуцером с клапаном для отвода готового продукта.
Электролит непрерывно с заданной скоростью циркулирует по замкнутому объему до достижения требуемой концентрации по активному хлору. Катодные отложения выносятся из электролизера, собираются в конусной части сепаратора, откуда периодически удаляются. Новая порция электролита добавляется в количестве, равном отведенному готовому продукту.
Впускная камера обеспечивает равномерное распределение электролита по сечению электролизера. В электролизной части аппарата вертикально поочередно расположены анодные и катодные пластины.
В разделительной секции смонтированы устройства, сужающиеся в верхней части. Ширина зазора в этих устройствах меньше, чем расстояние между
электродами.
Ячейка снабжена патрубком для подвода электролита, крышкой с гидравлическим затвором и отверстием для удаления водорода, штуцером для отвода получаемого гипохлорита натрия и патрубком с пробкой для периодического удаления отложений солей жесткости.
Электролит движется снизу вверх со скоростью, затрудняющей образование катодных отложений. Продукты электролиза взаимодействуют не в электролитической ячейке, а в разделительной камере.
В случае применения механической очистки снятие отложений осуществляется вручную или с помощью специальных механизмов. При ручной очистке требуются полная разборка установки и выполнение обслуживающим персоналом трудоемких работ.
Типичная конструкция электролизера состоит из ряда биполярно включенных дисков, закрепленных поочередно на валу, покрытом изоляционным материалом. Электролизер закрывается крышкой и стягивается болтами. Для снятия отложений солей жесткости в электролизер введены скребковые механизмы. Удаление отложений с поверхности электродов осуществляется при повороте вала.
Технически более простой операцией является растворение отложений кислотой, в связи с чем этот метод нашел довольно широкое применение в практике. Сущность метода заключается в том, что периодически по мере обрастания катодов солями жесткости через установку пропускают 3— 5%-ный раствор соляной или азотной кислоты, который и растворяет отложения. Кислота на промывку подается с помощью так называемого замкнутого кислотного контура, состоящего из насоса небольшой подачи, бачка с кислотой, соединительных магистралей и запорной арматуры. Все оборудование выполняется из антикоррозионного материала. При проведении кислотной промывки закрывают задвижки и прекращают поступление электролита в электролизер. Открывают спускной вентиль, воздухоотделитель и сливают рассол из установки. Включают насос и в установку подают раствор кислоты, который сливается в сборный бачок по возвратной магистрали. Промывку осуществляют до полного растворения отложений, после чего электролизер снова включают в работу.
Периодичность промывки и ее длительность зависят от интенсивности обрастания катодов.
Одним из наиболее предпочтительных методов снятия отложений является способ «скалывания» осадков, который осуществляется путем проведения временной перемены полярности электродов. В этом случае исключается необходимость применения ручного труда и реагентов и, кроме того, возможна автоматизация процесса. Однако этот метод применим только для ограниченного числа материалов, способных попеременно работать как в качестве анода, так и катода. К числу таких электродов относятся, например платиновые, магнетитовые, из платинированного титана.
2.5.Виды электролитических ванн установки электролиза
хлорида натрия
В практике электрохимического производства хлорпродуктов нашли применение разнообразные конструкции электролитических ванн. На основании общих признаков они могут быть разделены на две группы: монополярные и биполярные. Схема включения электродов в электрическую цепь для ванн каждой из этих групп является общей.
Монополярные ванны имеют ряд параллельно расположенных электродов, одна половина которых соединена с положительной шиной цепи - аноды, другая - с отрицательной шиной - катоды. При таком соединении каждый электрод имеет только одну полярность, т. е. является или анодом, или катодом. Сила тока на ванне пропорциональна плотности тока и поверхности всех электродов одной какой-либо полярности, напряжение на ванне определяется разностью потенциалов на одной паре электродов (катоде и аноде), поэтому для работы монополярных ванн требуется большая токовая нагрузка при низком напряжении.
Биполярные ванны, так же как и монополярные, имеют ряд расположенных параллельно друг другу электродов, но включенных в электрическую цепь последовательно. Ток подводят только к крайним электродам — аноду и катоду. Промежуточные электроды включены в электрическую цепь через проводники второго рода — электролит.
Таким образом, крайние электроды и являются монополярными, а все промежуточные — биполярными электродами, т. е. одной стороной они работают как катоды, а другой — как аноды.
Сила тока на биполярной ванне зависит только от плотности тока и площади поверхности одного монополярного электрода (анода или катода) и не зависит от числа биполярных электродов. Напряжение на ванне, наоборот, зависит от разности потенциалов между соседними электродами и прямо пропорционально числу пар анодов и катодов. Современные электролизеры в основном относятся к биполярному типу.
Количество продукта Gт, кг, которое теоретически должно выделиться на аноде при электролизе, может быть определено, согласно закону Фарадея, по формуле:
GT = AInt/ 1000
А – электрохимический эквивалент, г/(Ач)
I – полный ток через электролизер
n- число работающих анодов
t – продолжительность работы электролизера
хлорида натрия
■ реакция электрохимическое окисление гипохлорита до хлората: