Электродные материалы

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный университет»

(Национальный исследовательский  университет)

Факультет «Химический»

Кафедра «Химическая технология»

 

 

Наименование темы реферата .                  Электродные материалы в прикладной электрохимии.

 

 

 

РЕФЕРАТ

ПО УЧЕБНОЙ (ознакомительной) ПРАКТИКЕ

 

 

 

 

	Руководитель практики от ЮУрГУ, доцент кафедры, к.х.н. _____________________К.Р. Смолякова ____________________________2013 г.
	Автор, студент     группы     Хим-143 ___________________Р.Х.Ходжаева ____________________________2013 г.
	Реферат     защищен     комиссии с  оценкой    (прописью, цифрой) __________________________________ ____________________________2013 г.

 

 

 

 

 

                                                       Челябинск 2013

  

                                                      Аннотация   

 

                                                                                                                Ходжаева Р.Х.

                                                                          Электродные материалы в прикладной                 

                                                                            электрохимии.- Челябинск : ЮУрГУ ,

                                                                                                 Хим – 143 , 27 с., 1 таб.,                      

                                                                                                библиогр.список 21 наим.

 

Цель реферата- изучить электродные материалы, разновидности электродов и материалы, из которых их изготавливают, их применение в прикладной электрохимии.

 

Задачи реферата- изучить особенности строения электродов, описать их разновидности, выяснить их применение в прикладной электрохимии, а также грамотно и логично изложить всю информацию и сделать выводы по полученным сведениям.

 

Найдены и изучены основные характеристики электродов, особенности их строения, описаны разновидности электродов, выяснено их применение в электрохимии. Сделано заключение по широкому диапазону свойств электродов, особенностям их строения и применения  прикладной электрохимии. Подведен итог по достижению поставленной цели и  решению задач.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                           Оглавление

 

Введение……………………………………………………………………………….

Основная часть………………………………………………………………………

     1. Электроды в прикладной электрохимии…………………………………… 
          1.1 Общие требования к материалу электродов

          в прикладной электрохимии………………………………………………….  
          1.2 Основные критерии для выбора электродных материалов……………… 
               1.2.1 Общие требования к электродам……………………………… 
               1.2.2 Требования к конструкции электродов…………………………… 
               1.2.3 Электрохимические свойства материала электрода ……………

               1.2.4 Жидкие электроды и электроды с движущейся поверхностью…… 
               1.2.5 Пористые электроды……………………………………………… 
               1.2.6 Кусковые электроды………………………………………………… 
               1.2.7 Основные типы стационарных электродов……………………… 
               1.2.8 Поддержание расстояния между электродами………………

Заключение…………………………………………………………………………. 
Библиографический список …………………………………………………………

                                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                           

                                                          

                                                     

 

 

 

 

 

 

                                                            

 

                                                               Введение 
       Электрохимические методы производства очень широко применяются в настоящее время в химической промышленности, цветной металлургии и во многих других отраслях народного хозяйства. 

В дальнейшем можно ожидать быстрый рост электрохимических методов производства, поскольку в ряде случаев они позволяют получать продукты высокой чистоты более удобным и экономичным способом по сравнению с чисто химическими методами.  
      При осуществлении электрохимических процессов в промышленности большое значение имеет правильный выбор электродных материалов и конструкции электродов. От правильного, решения этих задач зависят такие основные технико-экономические показатели производства, как удельная затрата электроэнергии, селективность процесса, выход целевого продукта по току и чистота получаемого продукта, затраты на организацию производства, а также затраты материальных и трудовых ресурсов на ремонт электролизеров.  
Обычно конструкции электродов и применяемые для их изготовления материалы рассматриваются в монографиях, посвященных отдельным производствам прикладной электрохимии; опубликованы также монографии, посвященные производству отдельных видов электродов, например угольных и графитовых анодов.  
        Важную роль играют составные электроды, в которых на металлическую основу электрода (из титана или аналогичного ему пленкообразующего металла или сплава), служащую для придания электроду механической прочности, а также для подвода и разводки тока по всей поверхности электрода, наносят электрохимрчески активный слой.     

        Электродные материалы и конструкции электродов рассмотрены применительно к процессам электролиза без выделения металлов. Такие процессы используются для получения химических продуктов. 

       Значения электродных потенциалов, за исключением особо оговоренных случаев, приведены по сравнению с нормальным водородным электродом. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основная часть

 

          1.Электроды в прикладной электрохимии

 

          1.1 Общие требования к материалам электродов в прикладной химии

 

       Одной из наиболее  важных технических проблем прикладной  электрохимии является правильный выбор материала и конструкция электродов. От решения этих задач зависят во многом конструкция электролизера, энергетический баланс электролитической ячейки и расход электрической энергии, а также направление и селективность протекания электродных процессов. Продукты коррозии электродов могут загрязнять электролит и конечные продукты электролиза и вызывать ряд побочных, вредных процессов.  
     Затраты на изготовление и последующую замену изношенных электродов часто составляют значительную часть стоимости электролизера, а затраты электрической энергии на процесс электролиза — основную часть затрат на производство.  
       В каждом из процессов прикладной электрохимии есть своя специфика в протекании электродных процессов и свои требования к условиям проведения технологического процесса, материалу и конструкции электродов, к устройству электролизера.  
       Во многих производствах прикладной электрохимии желательно иметь минимальное напряжение на ячейке и поэтому применять для анода и катода материалы с возможно более низким перенапряжением для процессов, протекающих на электродах. К таким процессам относятся электролиз водных растворов хлоридов с целью получения хлора и каустической соды, хлоратов, гипохлорита натрия, электролиз водных растворов сульфата натрия для получения серной кислоты и щелочи, электролиз воды для получения водорода и кислорода и некоторые другие.  
       Однако в ряде случаев для протекания желательных электродных процессов необходимо высокое значение электродного потенциала: на аноде — положительнее потенциала выделения кислорода, а на катоде — отрицательнее потенциала выделения водорода. Поэтому стараются подобрать -материал электрода и условия протекания , электродного процесса так, чтобы иметь возможно более высокое перенапряжение выделения па аноде кислорода или галоида, а на катоде — водорода, и затормозить нежелательные процессы их выделения. Так, например, в процессах анодного окисления хлоратов до перхлоратов, электрохимического синтеза хлорной кислоты, получения надсерной кислоты и в ряде процессов электрохимического синтеза перекисных соединений на аноде параллельно с главным процессом синтеза продуктов высшей степени окисления происходит выделение кислорода, а в хлоридсодержащих электролитах — и хлора. Поэтому для обеспечения протекания желательного анодного процесса и повышения выхода целевого продукта необходимо затруднить процесс разряда кислорода и хлора путем повышения перенапряжения их выделения [1]. 

       На графитовых анодах могут протекать процессы окисления водных растворов хлоридов щелочных металлов до элементарного хлора, гипохлоритов и хлоратов, однако невозможно осуществить окисление хлоратов до перхлоратов. На платиновых анодах с высоким перенапряжением выделения кислорода электрохимический синтез перхлоратов протекает с хорошим выходом по току, по на платиновых анодах невозможно достичь высокой степени окисления хлорида до хлората без параллельно протекающего при этом процесса синтеза перхлората в той или иной степени. При проведении на аноде электрохимического синтеза органических соединений в качестве анода необходимо также применять материалы с высоким перенапряжением для выделения кислорода.  
       При электролизе водных растворов на катоде обычно выделяется водород. Изменения возможны только в том случае, если в растворе присутствуют катионы, разряжающиеся па данном катоде при потенциалах, более положительных, чем потенциал выделения водорода, либо если присутствуют вещества, легко восстанавливающиеся на катоде. Для того чтобы на катоде протекали другие реакции с потенциалами, отрицательнее потенциала выделения водорода, необходимо принять меры для повышения перенапряжения выделения водорода па катоде. Так, например, при проведении процессов электрохимического восстановления органических соединений используют катоды из материалов с высоким перенапряжением выделения водорода, таких, как ртуть, свинец, магнетит и др.  
       При электролизе водных растворов хлорида натрия с ртутным катодом, вследствие высокого перенапряжения выделения водорода на ртути и амальгамах щелочных металлов, вместо водорода на катоде выделяется металлический, натрий, образующий с ртутью амальгаму. Процесс образования амальгамы щелочного металла способствует снижению потенциала выделения щелочного металла. При содержании в электролите даже незначительных примесей катионов металлов, которые легко восстанавливаются на катоде, и растворяются в ртути плохо ею смачиваются, на поверхности ртути образуются металлические включения, которые являются катодными участками с малым перенапряжением выделения водорода. Такие примеси обычно называют амальгамными ядами. Амальгамные яды, присутствующие в электролите или в образовавшейся амальгаме, приводят к увеличению скорости выделения водорода на амальгамном катоде и снижению выхода щелочного металла по току.  
       При электрохимическом восстановлении, когда получаемый на аноде кислород не представляет интереса, рационально применять аноды с водородной деполяризацией. При этом уменьшение анодного потенциала может приводить не только к снижению расхода электроэнергии на процесс, но и к уменьшению или предотвращению вредных процессов окисления исходного сырья в электролите, а также промежуточных или конечных продуктов восстановления на катоде. При электрохимическом окислении также целесообразнее использовать катод с кислородной деполяризацией. Такие предложения были опубликованы, например, для процесса электролитического получения хлората натрия [2]. К анодам и катодам, работающим с деполяризацией (водородной и кислородной соответственно), предъявляются определенные требования, аналогичные требованиям для электродов кислородно-водородных топливных элементов.  
       Обычно на электродах, как на аноде, так и на катоде, протекает одновременно не одна, а несколько реакций. Селективность протекания реакции и соответственно распределение тока между целевой и побочными реакциями можно в определенной степени регулировать выбором материала электрода, его обработкой и условиями проведения электродного процесса.

      На катоде при электролизе водных растворов хлоридов щелочных металлов в электролизерах с твердым катодом кроме разряда водорода могут протекать процессы восстановления гипохлорита и хлората, присутствующих в виде примесей в раствора, поступающем через диафрагму в катодное пространство. Эти процессы нельзя рассматривать как вредные, так как они приводят к полной или частичной очистке электролитических щелоков от гипохлорита и хлората. Однако в производствах гипохлоритов, хлоратов или при электролитическом окислении хлоратов до перхлоратов в бездиафрагменных электролизерах процессы катодного восстановления гипохлоритов и хлоратов могут значительно снижать выход целевого продукта по току. Для уменьшения процессов катодного восстановления промежуточных продуктов и конечных продуктов при проведении окислительных процессов принимают специальные меры — разделение электродных пространств диафрагмами, подбор материала катода, введение специальных добавок. Так, например, добавляют хромовокислые соли к электролиту при электрохимическом окислении водного раствора хлористого натрия до хлората. Образующаяся на поверхности катода пористая пленка хромовых соединений затрудняет диффузию ионов гипохлорита и хлората к работающей поверхности катода, что снижает потери тока на катодное восстановление. 

 

                1.2 Основные критерии для выбора электродных материалов

 

       Свойствами материалов, применяемых для изготовления электродов, в значительной степени определяются не только протекание, кинетика электродных процессов и энергетические показатели технологического процесса, но также и возможные конструктивные формы электродов и электролизеров в целом. От стойкости электродных материалов, их удельного износа зависят продолжительность эксплуатации, затраты на ремонт и обслуживание электролизеров.  
        При выборе электродного материала необходимо учитывать также экономические факторы — стоимость электродных материалов, затраты на производство, обслуживание и ремонт электролизеров, которые могут меняться в зависимости от электродного материала.  
       В большинстве электрохимических процессов наибольшие трудности возникают «при выборе материалов для анодов; выбор материала для катодов, как правило, решается легче. В наиболее широко применяемых в промышленности электрохимических процессах получения хлора и каустической соды, хлоратов, перхлоратов, надсерной кислоты или ее солей, водорода и кислорода (электролиз воды) и ряда других продуктов на катоде происходит выделение водорода, поэтому катодный материал должен иметь низкое перенапряжение выделения водорода, причем катодное восстановление продуктов, получаемых па аноде, как это происходит, например, в производстве гипохлоритов и хлоратов, должно подавляться.  
       Для большинства электрохимических процессов в качестве катодного материала может использоваться обычная сталь, которая в условиях катодной поляризации достаточно стойка во многих применяемых электролитах. При использовании сильно кислых агрессивных электролитов, например при электролизе соляной кислоты, получении надсернои кислоты, применяют графитовые катоды, не боящиеся перерывов в катодной поляризации.  
       В некоторых процессах в электролит вводят специальные добавки, образующие на стальном катоде пленки, препятствующие катодному восстановлению получаемых в процессе продуктов (в производстве хлоратов), или для снижения потенциала разряда водорода наносят на стальной катод слой активного покрытия (при электролизе воды). В процессах электрохимического восстановления химических соединений на катоде к катодному материалу предъявляют другие требования, в частности, необходимы материалы с высоким перенапряжением выделения водорода.  
        Использование материалов, пригодных для изготовления анодов, довольно ограничено вследствие высокой коррозионной активности среды для большинства электрохимических процессов. Только в процессах электролиза воды при использовании щелочных электролитов в качестве анодов можно применять сталь, покрытую никелем. При соблюдении определенных условий никелевые или стальные никелированные аноды довольно стойки.  
        Из металлов высокой коррозионной стойкостью при анодной поляризации в большинстве электролитов обладают чистая платина и ее сплавы с другими металлами платиновой группы (иридий, родий). Высокая коррозионная стойкость и приемлемые электрохимические характеристики платины и ее сплавов позволили использовать ее в качестве анодного материала на первых этапах развития процесса получения хлора и хлоратов электрохимическими методами, а также применять аноды из платины и ее сплава в производстве перхлоратов, хлорной кислоты, надсерной кислоты и ее солей.  
       До последнего времени не было разработано анодов, которые бы полностью могли заменить платиновые в производствах перхлоратов, хлорной и надсернои кислот и некоторых других, поэтому в этих производствах широко применяют платиновые, а в последнее время платино-титановые аноды. Применение платиновых анодов ограничивалось вследствие их высокой стоимости.  
       Дефицитностью платины объяснялись попытки изготовлять аноды в виде тонкой фольги или проволоки. Конструкции таких электродов и устройств для подвода и разводки тока по всей поверхности анода были сложны, требовалась ювелирность в изготовлении анодов. Поэтому в процессе развития промышленной электрохимии в производстве хлора и хлоратов платиновые аноды были заменены сначала на угольные и магнетитовые, а затем на графитовые.  
       Одним из наиболее важных требований к материалу для изготовления электродов является его коррозионная устойчивость в условиях протекания электрохимического процесса. Это очень важно для материала анодов, обычно работающих в коррозионных средах.  
        В процессе электролиза по мере износа электродов увеличивается электрическое сопротивление электрода и межэлектродное расстояние, что существенно влияет на величину напряжения электролитической ячейки. При этом изменяется энергетический баланс электролитической ячейки, ее температурный режим, и поддерживать оптимальные условия процесса становится трудно. Замена электродов новыми вызывает перерывы производственного процесса и требует больших затрат труда. Продукты коррозии электродов загрязняют электролит и целевые продукты электролиза, снижая их качество, что вызывает необходимость дополнительных производственных операций по очистке. Такие осложнения возможны при электрохимическом получении хлора и каустической соды, а также хлоратов с использованием графитовых анодов.