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离子膜电解槽电流效率的影响因素
碱工业第9期
氯9
No.
2004年9月Sep.,2004Chlor-AlkaliIndustry【电解】
王德山,荆天辅(,黑龙江齐齐哈尔161033;,河北秦皇岛066004)
[关键词]离子膜电解槽;电流效率的影响因素;电化学反应
[摘要]介绍离子膜电解槽中的电化学反应及电流效率的计算方法。重点分析影响电流效率的主要因素:离子交换膜的交换容量、烧碱浓度、阳极液中氯化钠浓度、电流密度、盐水中的杂质、操作温度和阳极液添加的盐酸。
[中图分类号] [文献标识码]B [文章编号]1008-133X(2004)09-0011-04
1
2
1 离子膜电解槽中的电化学反应
阳极上发生的反应
离子膜电解槽中,阳极上发生如下反应:
2Cl--2e2,4OH--4e
2+2H2O。
从热力学的平衡关系看,水氧化析出氧气的过程应该优先于氯离子氧化析出氯气的过程。因此要选择能促进氯离子氧化反应而又能抑制水的氧化反应的电极催化层,以得到较高的阳极效率。 阴极上发生的反应
阴极上发生如下反应:
2H2O+2e2+2OH-,O2+2H2O+4e
。
-
生成物,也可以用阴极还原的生成物来表达,即:
ηJCl2/(I/2F),A=
-ηOH=J″NaOH/(I/2F)=1-JNaOH/(I/F),
式中:J为各种产品的生产量,mol/h;I为电解电流,A;F为法拉第常数,·h/mol。
根据日本氯工程公司的DCM412型电解槽的数据,可得离子膜电解槽中电流效率的计算及其分布(如表1所示)。
表1 离子膜电解槽电流效率的计算及分布
阳极氯气
电流效率电流效率降低值其中,析氧氯的溶解 HClO的生成
NaClO3的生成


%
溶液中的反应(阳极室内)
(1)生成的氯气在电解液中物理溶解,Cl2(g2(l)。
+NaCl,
3+5NaCl+3H2O,2+4NaCl+2H2O,2+2NaCl+2H2O。
(2)溶解的氯气与阴极室反渗过来的烧碱反应,Cl2+NaOH3Cl2+6NaOH2Cl2+4NaOH2HClO+2NaOH
注:电流效率降低值=1-电流效率。
3 影响电流效率的因素
由电解槽内的物料平衡关系可知,要提高阳极电流效率,就要尽量减少阳极液中溶解氯与烧碱之
间发生的副反应,减少阳极上氧的析出。要提高碱的电流效率,就要尽量减少氢氧根离子向阳极室的反渗。归结起来,一方面要提高阳极的析氧过电压,以阻止或减少氧在阳极上的析出;另一方面则要提高离子膜的选择性能,减少或阻止氢氧根离子向阳极室的反渗。因此,除离子膜的特性直接影响着电流效率外,其他操作条件也对电流效率有着不同程度的影响。
溶液中的这些反应会消耗氯气,导致阳极效率降低。
2 电流效率的计算
在电解反应中,可用电流效率来表示电解电量的有效利用程度。电流效率η既可以用阳极氧化
[收稿日期]2004-07-28
[作者简介]王德山(1966-),男,高级工程师。1988年毕业于哈尔滨船舶工程学院化工系(现哈尔滨工程大学);2002年考取燕山大学工程硕士研究生,在职攻读材料学硕士学位。现工作于齐化集团有限公司生产运行部,从事生
产技术、调度管理工作。在《氯碱工业》、《聚氯乙烯》、《化工环保》、《中国氯碱》等期刊发表论文15篇,其中有2篇被评为优秀论文。
电解
氯碱工业
2004年
离子交换膜的交换容量对电流效率的影响
DuPont公司测定了电流效率与离子膜的离子交换容量之间的关系(见图1)
。
由图3可知,电流效率存在着极大值、极小值,这一现象不仅存在于全氟磺酸膜中,也存在于全氟羧酸膜中。离子膜的交换容量越高,电流效率的极大值也越偏向于高浓度一侧,这样的膜比较适合于制取高浓度烧碱,不太适宜制取低浓度烧碱。对于含水率很大的全氟磺酸膜,其极大值、极小值之差较大,而电流效率的极大值比羧酸膜要低一些。这一
现象可以用Donnan平衡来解释。在烧碱溶液中取得平衡的膜中,Donnan平衡的以下公式可以成立。
[Na+]m·[OH-]m=[Na+]s·[OH-]s,[Na+]s=[OH-]s,
图1 离子膜的离子交换容量与电流效率的关系
[Na+]m=[R-]m+[OH-]m。
式中: