电化学基本原理与应用-第10章.pdf

第10章 电化学工业 主要内容 10.1 氯碱工业 10.2 电解冶金 电化学工业是指采用电化学的方法进行 产品生产的工业领域，包括：无机物的电合 成、有机物的电合成、金属的电解冶炼等。 本质上说，都是通过消耗电能而得到化学能 的过程，因此都属于电解过程。 目前最重要的电化学工业是氯碱工业， 氯碱也是世界上产量最大的电解产品，世界 年产量达到5000万吨以上。电解冶金则是冶 金工业中大规模提取金属的主要方法之一， 其中电解铝为第二大电化学工业。 电化学方法的优点: ①由更强力的手段促使氧化还原反应发生，通 常能使反应在室温下进行。通过调节电极电 位，可改变电极反应速度。根据计算，改变 电位l V ，活化能将降低40kJ ，可使反应速度 增加107倍，相当于升温300 ℃。因此，电合 成工业一般都在常温常压下进行，不需特别 的加热、加压设备。对节约能源，降低设备 投资都有利。 ②可得到收率和纯度都较高的产品。控制电极电 位和选择适当的电极、溶剂等方法，使反应按 人们所希望的方向进行，故反应选择性高，副 反应较少。 ③电化学反应产物容易分离和收集，环境污染少。 电子是最干净的化学试剂，在反应体系中除原 料和生成物外通常不含其他反应试剂。 ④便于自动控制，并且可连续运转。电化学过程 的电参数( 电流、电压) 易于实现数据采集、过 程自动化与控制。 电化学方法的不足: ①消耗大量电能。例如生产每吨铝消耗电能 约15000kWh，每吨烧碱耗电约3000kWh ， 每吨电解锌耗电约6000kWh。因此，在目 前能源较紧张的条件下，较难全面地、大规 模地发展电化学工业。 ②电解槽结构复杂，生产能力不高，以及电极 活性不易维持。 ③对工作人员的技术和管理水平要求都较高。 以保证长期、稳定、连续地生产。 以下情况可考虑采用电合成方法： ①没有已知的化学方法； ②已知化学方法步骤多或产率低； ③化学方法采用的试剂价格太责； ④现有化学方法工艺流程大批量生产有困 难，或经济不合算，或污染问题未解决。 10.1 氯碱工业 10.1.1 基本原理 10.1.2 理论分解电压与槽压 10.1.3 电解工艺 10.1.1 基本原理 传统的电解食盐水制取氯碱主要采用隔 膜法和汞阴极法两种工艺，现代又发展了离 子（交换）膜法电解工艺。这些都已实现工 业化应用。 现代又开发了SPE （固体聚合物电解质） 电解工艺和采用固体电解质隔膜的熔盐电解 工艺。但这两种工艺还处于发展阶段。 10.1.1 基本原理 （1）隔膜法： 隔膜法电解食盐水制Cl 和碱（NaOH ）的原理图 2 10.1.1 基本原理 阴极反应： 2H O + 2e →H + 2OH- 0 2 2 φ=-0.828V + - Na + OH →NaOH 阳极反应： 2Cl- - 2e →Cl 0 2 φ=1.3583V 2NaCl +2H O → Cl + 2NaOH + H 2 2 2 -