Электролиз раствора хлористого натрия в ваннах со стальным катодом и графитовым анодом

Электролиз раствора хлористого натрия в ваннах со стальным катодом и графитовым анодом дает возможность получать едкий натр, хлор и водород в одном аппарате (электролизере). При прохождении постоянного электрического тока через водный раствор хлористого натрия можно ожидать выделения хлора

2 Сl - -2е =Сl 2, а также кислорода 2ОН-–-2е→½О2 2О или водорода Н2О –2е →½О2 +2Н+

Выделение хлора облегчается при увеличении концентрации хлористого натрия в растворе вследствие уменьшения при этом величины равновесного потенциала. На графитовых анодах перенапряжение кислорода много выше перенапряжения хлора и поэтому на них происходит в основном разряд ионов хлора с выделением газообразного хлора.

На катоде в щелочном растворе происходит разряд молекул воды

Н2О +е = Н+ +ОН

Атомы водорода после рекомбинации выделяются в виде молекулярного водорода 2Н+ →Н2

Разряд ионов натрия из водных растворов на твердом катоде невозможен вследствие более высокого потенциала их разряда по сравнению с водородом. Поэтому остающиеся в растворе гидроксильные ионы образуют с ионами натрия раствор щелочи. Таким образом, процесс разложения хлористого натрия можно представить следующим образом:

2О +2 ΝаСl → Сl22 + 2NаОН,

т.е. на аноде идет образование хлора, а на катоде – водорода и едкого натра. При электролизе наряду с основными реакциями протекают и побочные. Помимо этого хлор, выделяющийся на аноде, частично растворяется в электролите и гидролизуется по реакции

Сl2 + Н2О ↔ НОСl + НСl

Чтобы уменьшить протекание пробочных реакций, следует создать условия, препятствующие смешению катодных и анодных продуктов. К ним относятся разделение катодного и анодного пространств диафрагмой и фильтрация электролита через диафрагму в направлении противоположном движению ОН- ионов к аноду. Такие диафрагмы называются фильтрующими диафрагмами и выполняются из асбеста. Повышение температуры электролиза и концентрации хлористого натрия в электролите, благодаря которым уменьшается растворимость хлора, а также снижение концентрации едкого натра в католите сокращают вероятность протекания побочных реакций. Повышение температуры электролиза увеличивает не только выход по току, но и электропроводность электролита, благодаря чему снижается напряжение на ванне. Таким образом, повышение температуры уменьшает расход электрической энергии, и поэтому электролиз растворов хлористого натрия проводят при температуре 70-800С.

Промышленные электролизеры с фильтрующей диафрагмой широко применяются в промышленности. Ванна имеет стальной перфорированный (с отверстиями) катод и графитовый анод. К катоду плотно прилегает фильтрующая диафрагма из асбестового картона. Раствор хлористого натрия подается в анодное пространство, фильтруется сквозь диафрагму и достигает катода. При прохождении постоянного электрического тока на аноде образуется хлор, на катоде - водород и щелочь, которая, проходя через отверстия катода, стекает в катодное пространство и удаляется из ванны. В ваннах не происходит полного разложения поваренной соли и устанавливается постоянная концентрация щелочи и неразложившейся поваренной соли. В электролитическом щелоке, вытекающим из ванны, содержится 110 –120 г/л едкого натра и 180-170 г/л хлористого натрия.

 

Н2 - Сl2 + NаСl

 

 

 

 

 
 


NаОН

Схема ванны с фильтрующей диафрагмой

1-диафрагма, 2- стальной катод, 3- катодное пространство, 4- анод, 5- анодное пространство.

Промышленные электролизеры должны иметь большую производительность, что достигается увеличением нагрузки. Применение катодов с очень развитой поверхностью позволяет создавать компактные электролизеры с нагрузкой до 50000 а. Диафрагма в этом случае насасывается или «осаждается» на поверхность катода из суспензии асбестового волокна в соляно-щелочных растворах при помощи вакуума.