Описание электролитических процессов

Электролиз связан с наложением определённого электрического поля, под действием которого в электролите могут возникать некоторые характерные процессы.

Электро-кинетические процессы происходят в тех случаях, когда одна фаза диспергированна в другой; к их числу относится электрофорез – движение взвешенных твёрдых частиц внутри жидкости. При наложении электрического поля наблюдается явление электроосмоса – движение жидкости относительно твердого тела.

Аппарат для электролиза называется электролизёром или электролитической ванной.

Принцип действия можно рассмотреть на схеме электролизера с анодным растворением и катодным осаждением (рисунок 3.26).

Рисунок 3.26 Схема электролизной установки

Основными элементами установки являются: электролит (1), электроды (2) и источник питания (3).

Напряжение на электролизной ванне (1) состоит из трех составляющихU=U1+Uak+Uэ,

где U1 — напряжение электрохимического разложения вещества, Uакприэлектродное напряжение (на аноде и катоде), Uэ — напряжение в электролите.

Мощность, выделяющая в электролизной ванне. Р определяется

выражением

Рэв=I(U1+Ua+Uk+Il/сигма)

где I — ток в ванне, А, Uf,Uk — падение напряжения на аноде и катоде, В:

1 расстояние между электродами, м; сигма — удельная проводимость электролита, 1/(Ом м).

Только часть этой мощности (расходуется на разложение вещества. Остальная мощность идет на нагрев электролита и транспортировку но нов через раствор.

Выход металла по току — это количество металла (г), выделяемое на единицу затраченной энергии (Дж).

Около поверхности электродов образуется двойной электрический слой, который противодействует подходу и выходу ионов для ослабления противодействия применяются:

- циркуляция электролита, для выравнивания температуры;

- вибрация электродов;

- импульсный источник питания.

В промышленности электролиз металлов и исходная среда определяются электрическим потенциалом выделяемого металла.

Металлы с положительным потенциалом выделяют из твердой черновой основы путем ее растворения (например, медь с потенциалом «+0,34 В»).

Металлы с отрицательным потенциалом больше «—1» выделяют из растворов их солей (например, цинк с потенциалом «—0,76 В»).

Металлы с отрицательным потенциалом меньше «—1» выделяют из расплавов их солей (например, алюминий с потенциалом «—1,43»).

Примечание — Потенциалы металлов определены по отношению к «водороду», у которого электрический потенциал равен «нулю».

Электролиз меди применяется для получения чистой электролитической меди из черновой (полученной после плавки в печах) и для извлечения ценных металлов, находящихся в ней.

Процесс ведется в электролизных ваннах. Анодом является литая черновая медь в виде плит толщиной 35…45 мм и массой около 300 кг.

Катодом является электролитическая (чистая) медь в виде пластин толщиной 0,6…0,7 мм, подвешенных на ушках между анодами. Расстояние между соседними анодами и катодами 35…40 мм.

Электролитом, которым заполняется ванна, является водный раствор медного купороса (Сц подкисленный серной кислотой (Н для уменьшения сопротивления.

Процесс идет следующим образом: при пропускании через ванну электрического тока черновая медь анодов растворяется, чистая медь осаждается на катодах; а благородные металлы (некоторые примеси тоже) выпадают в осадок или переходят в раствор (например, никель).

Процесс характеризуется следующими показателями:

- начальное напряжение u = 0,3...0,35 В;

- плотность тока электродная = 180…270 А/м

- выход по току фактический А = 92...98 %;

- удельный расход электроэнергии %Г = 200...379 кВт ч/т;

- температура электролита поддерживается Т = 60 °С.

В целях выравнивания концентрации ионов меди у электродов и обеспечения необходимой температуры применяется прямая циркуляция электролита, который подается снизу и сливается сверху ванны.

Электролиз цинка применяется для получения высококачественного цинка из водных растворов его солей.Катодом являются алюминиевые пластины толщиной 4 мм. Анодом являются свинцовые пластины толщиной 5…8 мм, с добавкой 1 % серебра для снижения коррозии. Электролитом является 5...6 % водный раствор сернокислого цинка и серной кислоты (Н). Во время электролиза на катоде осаждается металлический цинк (уп), который периодически снимают.

Корпус электролизёра изготовляют из стали, керамики, пластмассы, стекла. Для защиты от коррозии и действия высоких температур корпус электролизёра иногда изнутри гумлеируют, выкладывают пластмассой, огнеупорнымкирпичём или коррозионностойкими в данной среде металлами. Для поддержания определённого теплого режима в некоторых случаях снабжают теплоизоляцией. Для изготовления катодов применяют сталь, многие цветные металлы, ртуть, свинец, платину, цинк, олово, медь, алюминий, сплавы металлов, уголь или графит. Аноды бывают растворимые и нерастворимые. Растворимые аноды изготавливают из вышеупомянутых цветных металлов, углеродной стали, некоторых других сплавов, нерастворимые аноды – из платины, графита или угля, никеля, нержавеющей стали, двуокиси свинца, двуокиси марганца, магнетита., в некоторых случаях используют биометаллические аноды, у которых тонкий слой драгоценного металла, например платины, наносится на токопроводящую основу из другого металла, инертного в данном электролите и в данных условиях. Материал для электрода выбирается с
учётом многих факторов – природы исходного и конечного продуктов электролиза, природы электролита, условий проведения процесса и т.д.
Электролитами могут быть минеральные или органические кислоты, соли и их смеси.

В некоторых случаях электролит одновременно является исходным веществом для получения того или иного продукта электрохимического окисления или восстановления, в других случаях – лишь токопроводящей добавкой. Растворителями электролитов служат вода, спирты, пиридин, диметилформальдегид, ацетонитрили некоторые другие органические соединения или их смеси. Электролиз можно проводить и без растворителя, в расплаве электролита или смеси электролитов.

Контрольные вопросы

1. Области применения электротермических установок.

2. В чем состоят достоинства электронагрева?

3. Как можно классифицировать электротермическое оборудование?

4. Установки нагрева сопротивлением?

5. Для чего предназначены индукционные плавильные установки?

6. Перечислите способы электронагрева.

7. Объясните принцип действия индукционной тигельной печи.

Дата добавления: 2014-10-15