应用电化学---第五章 无机物的电解合成

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
❖用石墨阳极、DSA阳极,阴极为金属汞。 ❖电极反应:
h
18
h
19
❖氢在汞电极上有很高的超电势,氢离子不容 易在阴极上放电,而Na可以与汞生成汞齐, 因而降低了钠离子的析出电位,使其可以在 汞阴极上析出。
❖在解汞器中加人浸渍Ni,Fe等的石墨小球作 为催化剂能加速汞齐分解:
h
20
❖汞法的主要优点是所得碱液的浓度高,接 近50%(隔膜法只有10%左右),可直接 作为商品出售,而且纯度高,几乎不含氯 离子。其直流电能消耗虽高,但它不需要 蒸发浓缩碱液的后处理空作,故每吨碱的 总能耗仍和其他二法相仿,而且对盐水的 净化要求不像隔膜槽那样高。
❖阳极材料::Pt、镀贵金属的Co、PbO2; 阴极材料:青铜、碳钢、Ni等。
❖表5.5给出生产中使用的技术参 数.
h
40
h
41
§5.4 锰化合物的电解合成
❖§5.4.1 电解制取二氧化锰 应用:电池、精细化工、医药 二氧化锰的活性及其性质与晶粒大小、晶格
缺陷的密度和水合程度相关。
通过电化学方法,阳极氧化二价锰制得的 MnO2有很好的活性,大多被用于制造高质 量锌锰电池和碱性MnO2电池。
h
34
2.电解槽
❖电解槽采用DSA阳极,阴极常用软钢制成, 电极间距减少;采用了高的电解液流速; 化学反应器另外设置。
❖图5.5是氯酸钠电解槽系统的一种。图中电 解槽产生的气体(主要为氢气)把电解液向上 提升,进入反应器。分离掉气体后,电解 液再流回电解槽,省去了循环泵。电极为 平板式,冷却器用来除去稳定操作条件下 系统所产生的热量。
于氯碱电解槽的主要是全氟化高聚物离子 交换膜.此膜的特点是只允许钠离子透过, 而阻止氯离子、氢离子和氢氧根离子透过。
离子膜槽电解法的优点是没有汞和石棉的 公害;所得NaOH 不含氯离子,其浓度可 达20%-40%,蒸发浓缩的后处理费用少得 多;电流密度比隔膜槽所使用的大一倍, 总能耗(包括电解用电、动力用电和蒸气消 耗)相对较低。
h
13
3.阴极 阴极材料一般采用软钢或钢网阴极,并喷砂 处理使其表面粗糙,以降低超电势。
4.隔膜 作用是防止氢氧根离子进入阳极室,减少副 反应。
--在阳极和阴极之间设置石棉隔膜,厚度35mm,阻止两极的电解产物混合,但允许离 子透过。
食盐水从阳极室注入并以一定流速通过隔膜 进入阴极室,以控制氢氧根离子进入阳极室。
❖ --通过控制电势,选择适当的电极等方法,实 现电解反应的控制,避免副反应,得到所希 望的产品。
❖(4)环境污染少、产品纯净。
❖ --电合成中一般用不外加化学氧化剂或还原 剂,杂质少,产品纯。且能实现自动、连续、 密闭生产,对环境造成的污染少。
h
4
二.电解合成法的缺点
❖ (1)消耗大量电能。例如生产1吨铝耗电 14000-15000KWh。
❖汞法的主要缺点是汞污染。
h
21
h
22
§5.2.3离子膜槽电解法
离子膜槽电解法的原理和电极材料与隔膜 法相同,所不同的是以离子交换膜(或称离 子选择性透过膜)石棉隔膜。
石棉隔膜是一种机械的隔离膜,可防止液 体的对流和电解产物混和,不能阻止离子 的相互扩散和迁移。
h
23
离子交换膜由离子交换树脂压制而成,用
1.生产原理:仍然是电解食盐水,不同的是 两个电极之间没有隔膜,使氯气水解后与 氢氧根直接作用生成氯酸钠,而由于氢氧 根参与反应,又促进了氯气的水解。
h
31
电极反应:
h
32
❖溶液中的主要反应:
❖总反应为:
h
33
❖由于是放热反应,过程应该在低温下进行。 另外,在阳极区域还存在副反应:
❖这个反应在溶液中进行,会引起电能的浪 费,所以要避免阳极区域中次氯酸根的浓 度,从而减少这个反应进行的量。
❖电合成高氯酸钠一般均采用氯酸盐溶液进 行电解。阳极反应:
h
38
❖从反应机理看,阳极反应有2种理论:氯酸 根优先氧化理论和水优先氧化理论,但都不 影响阳极反应结果。
❖阴极反应:
❖电解总反应:
h
39
❖电解槽设计简单,因为不存在像氯酸盐生 产中有副反应的问题,电解液的流速不必 太快。为了防止产物在阴极还原,电解液 中加入少量重铬酸钾,使阴极表面形成保 护膜,减少产物还原所造成的损失。
h
35
h
36
❖该装置的主要特点是:次氯酸根转化为氯 酸根的反应在电解槽外进行,基本上是在 管路中完成,而且转化率高;在化学反应 器中生成的氯根可循环使用;在充分低的 次氯酸根浓度下进行电解操作,有效的降 低了次氯酸根放电。
h
37
§5.3.2电合成高氯酸钠
❖主要用于军事工业制造炸药或喷气推进剂。 1895年第一个电解法生产NH4ClO4、 KClO4的工厂投入运转。
电压。
❖V= E+η++η-+IRsol+IR
h
6
3.电压效率
❖ VE=E/V 4.电流效率 ❖ CE=实际产量/理论产量, 或CE等于生产
一定量产物所需要的理论电量与实际电量 之比
Hale Waihona Puke Baidu
h
7
5.电能效率
❖ EE=CE*VE
6.时空产率(产能)
❖ 单位时间、单位体积(或单位电极面积)所 能生产产品的量,单位:Kg/m3.h,T/ m3.h, Kg/m3.d,T/ m2.h,Kg/m2.d
❖ 目前存在三种电解生产方法,三种方法分 别采用不同的电解槽:隔膜槽、汞槽和离子 膜槽。它们在能量消耗方面的差别不大,但 从槽的结构、性能、维护和投资等方面来看 各有特点。离子膜槽是最新的一种,已经基 本取代另两种电解槽。
h
10
§5.2.1隔膜槽电解法
h
11
❖1.电极反应
h
12
2.阳极
❖阳极室有氯气、盐酸和次氯酸等存在,要 求阳极材料具有很高的耐腐蚀性,同时要
h
8
§5.2氯碱工业
氯碱工业:电解氯化钠水溶液生产得到烧碱、 氯气、氢气。 --主产品:Na0H或Na0H的水溶液、液态氯。 --氢是副产品,因水煤气法制氢更经济,但 电解制得的氢纯度高。 --烧碱用途:化工原料约50%,约15%用于 纸浆生产,其他用途约占35%。
h
9
❖ 从1890年第一只食盐水电解槽问世以来, 氯碱工业已有100多年的历史。
9.有关金属的电化学腐蚀与防护的理论、应 用、研究方面的评述。
h
29
小论文格式
扉页:题目,作者,完成时间等必要信息
1.论文摘要:简要介绍该文的主要内容(论 文完成后才能写)
2.正文(分前言、主要内容和结论三个主要 部分)
3.参考文献(注意引用格式)
h
30
§5.3氯酸盐和高氯酸盐的电合成
❖§5.3.1电合成氯酸钠 氯酸钠主要用于工业漂白,如纸张的漂白。
h
24
❖ 全氟磺酸膜 (Nafion膜)的分子结构含强酸 根:
h
25
❖ Plemion膜(全氟羧酸膜)的分子结构含有弱 酸根:
h
26
两种膜都是聚四氟乙烯基的离子文换树脂,
故既能耐强碱和酸,耐有机物侵蚀,但价 格昂贵。用强酸膜时,阳极室NaOH浓度 限于20%以下;用弱酸膜时,NaOH浓度 可达40%,最大电流密度6KA/m2。
h
51
52
第五章 无机物的电解合成
无机物的电解工业包括电解合成 和电解提取。本章介绍无机物的电解 合成。
1
主要内容
§ 5.1关于无机电解合成的概述 § 5.2氯碱工业 § 5.3氯酸盐和高氯酸盐的电合成 § 5.4 锰化合物的电解合成
§ 5.5 电解水生产氢气和氧气
h
2
§5.1关于无机电解合成的概述
一.电解合成法的优点
h
14
h
15
5.主要副反应 主要是在阳极室发生 (1)氯气的与水反应,
(2)部分碱从阴极扩散过来发生反应
h
16
如果采用石墨阳极,还会有如下反应: C+[O]=CO或C+2[O]=CO2
隔膜法的缺点:碱浓度低,需要加热浓缩; 杂质含量高,电解槽电阻大,电压高;槽 寿命短,维修、维护难。
h
17
§5.2.2汞槽电解法
❖ (2)占用厂房而积大。由于生产中要同时用 许多电解槽,一些前处理还要占用厂房等。
❖ (3)电解槽结构通常复杂,电极间电器绝缘, 隔膜的制造、保护和调换比较困难。
❖ (4)电极易受污染,活性不易维持,阳极尤 易受到腐蚀损耗。
h
5
❖三.重要的概念和术语 ❖1.理论分解电压 E=φ+-φ-, ❖ φ+= ❖ φ-= ❖2.槽电压 ❖使电化学过程能在电解槽上顺利进行的合理
h
48
❖然后,减压蒸馏即可得30%H2O2水溶液, 商品名为“双氧水”。过氧化氢的3%水溶 液为医用消毒剂。
❖所有电解法生产过氧化氢的工艺都采用铂 电极,投资大,加上铂阳极的损失,以及 电能消耗等原因,大大限制了此法的发展。 非电解法更有更有竞争性,即采用化学自 动氧化法。
h
49
§5.5 电解水生产氢气和氧气
h
45
h
46
❖电解槽通常不用隔膜,采用Ni或Ni/Cu阳极, 铁或钢阴极,电流密度5-150 mA/cm2, 电流效率60-90%,电流效率低的原因是高 锰酸钾的还原。高锰酸钾在浓KOH溶液中 的溶解度不大,高锰酸钾以结晶形式析出。
h
47
§5.5 电解法生产过氧化氢
❖过氧化氢是广泛应用的脱色剂、氧化剂和 消毒剂。二次世界大战期间,德国首先用 电解法产出过氧化氢。电解法的基本原理 是:
h
42
❖ 用惰性阳极电解氧化MnSO4溶液制取活性 MnO2,可能的阳极反应:
h
43
生产工艺简述:
h
44
§5.4.2 电解制备高锰酸钾
❖高锰酸钾被广泛用作氧化剂,特别是作为精 细有机化学品工业的氧化剂。
❖电解锰酸钾溶液可制得KMnO4。锰酸钾用 化学方法制备,原料为软锰矿(大约含60% MnO2),浸入50%-80%的KOH溶液加热至 200-700℃并用空气氧化为K2MnO4。
❖(1)可以制备许多化学合成法不能得到的物质。 ❖ --通过调节电位,给在电极上发生反应的粒子
提供足够的能量,可以生产某些氧化性或还原 性很强的物质。
❖(2)可以在常温常压实现普通化学过程只有在高 温、高压下才能实现的合成。
❖ --因为电合成能通过调节电位很容易的改变反 应的活化能.
h
3
❖(3)可以根据需要控制反应的方向。
❖成本高,通常石油化工、氯碱工业都产出 氢气,液化空气可以得到氧气,成本低, 但纯度也低。在前面的电化学理论中讲到 了氢和氧的电极行为,这里结合起来就可 以了:
h
50
❖由于没有副反应,电流效率接近100%,槽 电压应该高于理论分解电压(1.23V),实 际工作电压1.8-2.6V
❖阴阳极之间必须有隔膜,防止气体的混合。
--另外,还有磺化聚苯乙烯膜,其价格低廉, 但在有机介质中易老化,必要时两层膜迭 合使用可延长其使用寿命。表5-2给出几种 离子膜槽电解的操作参数。
h
27
应用化学结业考试论文要求
1.新型化学电源的发展、研究概况 2.高能电池的发展研究评述
可以选择一种电池或一种电池的某个研究方 向进行综述。
3.一次电池的发展研究生产和应用 4.二次电池的发展、研究应用概况
可以选择一种电池或一种电池的某个研究方向 进行综述。建议选择Ni-MH或锂电池。
h
28
5.燃料电池的发展研究应用概况
可以选择一种电池或一种电池的某个研究方 向进行综述。如果这样,建议在SOFC、 MCFC、PEMFC三种中选择。
6.有关金属表面的精饰的评述。
7.有关无机电合成方面的评述
8. 有关化学传感器方面的评述。
有较低的氯超电势、较高的氧超电势及良 好的导电性和机械加工性能。
❖曾有采用石墨阳极的
❖形稳阳极(DSA):以钛为基底,表面涂镀 二氧化钛、氧化钌和催化剂(Pt,Ir,Co304, PbO2等),这种电极的最大特点是耐腐蚀, 尺寸稳定,寿命长,氯超电势很低,氧超
电势却高,槽电压较低,能得到纯度高的 C12。
相关文档
最新文档