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電解槽
槽體、陽極和陰極組成的槽
電解槽由槽體、陽極和陰極組成，多數(shù)用隔膜將陽極室和陰極室隔開。按電解液的不同分為水溶液電解槽、熔融鹽電解槽和非水溶液電解槽三類。當(dāng)直流電通過電解槽時(shí)，在陽極與溶液界面處發(fā)生氧化反應(yīng)，在陰極與溶液界面處發(fā)生還原反應(yīng)，以制取所需產(chǎn)品。對電解槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理選擇電極和隔膜材料，是提高電流效率、降低槽電壓、節(jié)省能耗的關(guān)鍵。
基本信息
| 中文名 | 電解槽 |
| 外文名 | Electrolyzer |
| 組成 | 槽體、陽極和陰極 |
| 名詞解釋 | 就是電解質(zhì)儲存槽 |
| 分為 | 陽極室和陰極室 |
| 拼音 | diàn jiě cáo |
收起
主體結(jié)構(gòu)
電極
陽極
陽極和陰極的作用不同，對材質(zhì)要求也各異。
分可溶性和不可溶性兩類。在精煉銅用的電解槽中，陽極材料為可溶性的待精煉的粗銅。它在電解過程中溶入溶液，以補(bǔ)充在陰極上從溶液中析出的銅。在電解水溶液（如食鹽水溶液）用的電解槽中，陽極為不溶性的，它們在電解過程基本不發(fā)生變化，但對在電極表面上所進(jìn)行的陽極反應(yīng)常具有催化作用。在化學(xué)工業(yè)中，大多采用不溶性陽極。
陽極材料除需滿足一般電極材料的基本需求（如導(dǎo)電性、催化活性強(qiáng)度、加工、來源、價(jià)格）外，還需能在強(qiáng)陽極極化和較高溫度的陽極液中不溶解、不鈍化，具有很高的穩(wěn)定性。長期以來，石墨是使用最廣泛的陽極材料。但石墨多孔，機(jī)械強(qiáng)度差，且容易氧化成二氧化碳，在電解過程中不斷地被腐蝕剝落，使電極間距逐漸增大，槽電壓升高。用于電解食鹽水溶液時(shí)，石墨電極上的析氯過電位也較高。
60年代H.比爾提出的在鈦基上涂覆氧化釕、氧化鈦而形成的金屬氧化物電極是陽極材料的一個(gè)重大革新。二氧化釕對某些陽極反應(yīng)如析氯、析氧具有很好的催化活性，能在高電流密度下工作而槽電壓比較低。最突出特點(diǎn)是具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，工作壽命比石墨陽極長得多。例如在氯堿生產(chǎn)用的隔膜電解槽中，其壽命可達(dá)10年以上。由于它不易腐蝕，尺寸穩(wěn)定，被稱為形穩(wěn)性陽極。為適應(yīng)不同要求和用途，可在涂層中添加其他組分，如加入錫、銥可提高氧的過電位，改善陽極的選擇性，又如加入鉑可提高電極的穩(wěn)定性等。目前，貴金屬涂層的金屬陽極在化學(xué)工業(yè)中已得到普遍推廣。
陰極
以金屬或合金作為陰極時(shí)，由于在比較負(fù)的電位下工作，往往可以起到陰極保護(hù)作用，腐蝕性小，所以陰極材料比較容易選擇。在水溶液電解槽中，陰極一般產(chǎn)生析氫反應(yīng)，過電位較高。因此陰極材料的主要改進(jìn)方向是降低析氫過電位。除用硫酸作為電解液時(shí)必須采用鉛或石墨作陰極外，低碳鋼是常用的陰極材料。為降低電耗，目前采用各種方法制備高比表面積，并具有催化活性的陰極，如多孔鎳鍍層陰極。
隔膜
為防止陰、陽兩極產(chǎn)物混合，避免可能發(fā)生的有害反應(yīng)，在電解槽中，基本上都用隔膜將陰、陽極室隔開。隔膜需有一定的孔隙率，能使離子通過，而不使分子或氣泡通過，當(dāng)有電流流過時(shí)，隔膜的歐姆電壓降要低。這些性能要求在使用過程中基本不變，并且要求在陰、陽極室電解液的作用下，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。電解水時(shí)，陰、陽極室的電解液相同，電解槽的隔膜只需將陰、陽極室隔開，以保證氫、氧純度，并防止氫氧混合發(fā)生爆炸。更多見的比較復(fù)雜的情況是電解槽中陰、陽極室的電解液組成不同。這時(shí)隔膜還需要阻止陰、陽極室電解液中電解產(chǎn)物的相互擴(kuò)散和作用，如氯堿生產(chǎn)中隔膜法電解槽中的隔膜，可以增大陰極室氫氧離子向陽極室擴(kuò)散和遷移的阻力。
分類
電解液分類
水溶液電解槽
采用不同的電解液時(shí)，電解槽的結(jié)構(gòu)也有所不同。
水溶液電解槽分有隔膜和無隔膜兩類。一般多用隔膜電解槽。在氯酸鹽生產(chǎn)和水銀法生產(chǎn)氯氣和燒堿時(shí)，采用無隔膜電解槽。盡量增大單位體積內(nèi)的電極表面積，可以提高電解槽的生產(chǎn)強(qiáng)度。因此，現(xiàn)代隔膜電解槽中的電極多為直立式。電解槽因內(nèi)部部件材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、安裝等不同表現(xiàn)出不同的性能與特點(diǎn)。
熔融鹽電解槽
多用于制取低熔點(diǎn)金屬，其特點(diǎn)是在高溫下運(yùn)轉(zhuǎn)，并應(yīng)盡量防止水分進(jìn)入，避免氫離子在陰極上還原。例如制取金屬鈉時(shí)，由于鈉離子的陰極還原電位很負(fù)，還原很困難，必須用不含氫離子的無水熔融鹽或熔融的氫氧化物，以免陰極析出氫。為此電解過程需在高溫下進(jìn)行，例如電解熔融氫氧化鈉時(shí)為 310℃，如其中含有氯化鈉成為混合電解質(zhì)時(shí)，電解溫度為650℃左右。
電解槽的高溫可以通過改變電極間距，將歐姆電壓降所消耗的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軄磉_(dá)到。電解熔融氫氧化鈉時(shí)，槽體可用鐵或鎳，電解含有氯化物的熔融電解質(zhì)時(shí)常由于原料中不可避免地帶入少量水分，會(huì)使陽極生成潮濕的氯氣，對電解槽的腐蝕作用很強(qiáng)，因此電解熔融氯化物的電解槽，一般用陶瓷或磷酸鹽材料，而不受氯氣作用的部位可用鐵。熔融鹽電解槽中的陰、陽極產(chǎn)物，同樣要求妥善隔開，而且應(yīng)盡快由槽中引出，以免陰極產(chǎn)物金屬鈉長時(shí)間飄浮在電解液表面，會(huì)進(jìn)一步與陽極產(chǎn)物或空氣中的氧起作用。
非水溶液電解槽
由于非水溶液電解槽在制取有機(jī)產(chǎn)品或電解有機(jī)物時(shí)，常伴隨有各種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，使其應(yīng)用受到限制，工業(yè)化的不多。一般采用的有機(jī)電解液，電導(dǎo)率低，反應(yīng)速度也小。因此，必須采用較低的電流密度，極間距盡量縮小。采用固定床或流化床的電極結(jié)構(gòu)有較大的電極表面積，可提高電解槽生產(chǎn)能力。
連接方式分類
電解槽按電極的連接方式，可分為單極式和復(fù)極式兩類電解槽。單極式電解槽中同極性的電極與直流電源并聯(lián)連接，電極兩面的極性相同，即同時(shí)為陽極或同時(shí)為陰極。復(fù)極式電解槽兩端的電極分別與直流電源的正負(fù)極相連，成為陽極或陰極。電流通過串聯(lián)的電極流過電解槽時(shí)，中間各電極的一面為陽極，另一面為陰極，因此具有雙極性。當(dāng)電極總面積相同時(shí)，復(fù)極式電解槽的電流較小，電壓較高，所需直流電源的投資比單極式者省。復(fù)極式一般采用壓濾機(jī)結(jié)構(gòu)形式，比較緊湊。但易漏電和短路，槽結(jié)構(gòu)和操作管理比單極式復(fù)雜。單極式電解槽截面一般為長方形或方形，圓筒形占地大，空間利用率低，采用較少。
發(fā)展
陰、陽兩極間距是影響槽電壓的重要因素之一。隨極間距增大，槽內(nèi)歐姆電壓降增大，槽電壓升高。尤其是在大電流工作時(shí)，這種電壓損失更為嚴(yán)重?，F(xiàn)代電解槽采用各種措施以降低極間距，如采用擴(kuò)散陽極、改性隔膜制成零極距電解槽結(jié)構(gòu)等。
電解液在電解槽內(nèi)的停留時(shí)間，不僅影響設(shè)備的生產(chǎn)能力，而且在某些情況下，會(huì)影響電解過程的電流效率，如電解法制氯酸鈉，由于中間產(chǎn)物次氯酸(HClO)和次氯酸根離子(ClO3)間的化學(xué)反應(yīng)速度非常緩慢，如長時(shí)間留在電解槽內(nèi)，不僅降低電解槽利用率，而且次氯酸根離子會(huì)在陽極表面氧化，或在陰極表面還原，降低電流效率。因此，現(xiàn)代電解槽設(shè)計(jì)力求減小容積，使電解液沿著電極快速流過。如還需進(jìn)一步進(jìn)行反應(yīng)，則可在電解槽外安裝獨(dú)立的化學(xué)反應(yīng)器。
電解槽
電解槽內(nèi)電極以垂直安裝較緊湊，導(dǎo)電板連接容易，并利于降低氣泡效應(yīng)。因在有氣體析出的電極表面上常附有氣泡，會(huì)降低電極的工作表面積。另外，在電極附近的溶液中也會(huì)充有氣泡，增大溶液電阻，這種現(xiàn)象稱“氣泡效應(yīng)”。但在垂直電極表面的附近，則可利用溶液中充氣度高、溶液密度低與上升速度快的特點(diǎn)，以形成電解液的自然循環(huán)，使氣泡加速離開電極表面，減輕氣泡效應(yīng)。當(dāng)垂直電極用作氣體電極時(shí)，電極形狀以網(wǎng)狀為多，它除了能增加工作表面積外，也有利于氣泡逸出。
目前電解槽正朝大容量、低能耗方向發(fā)展。復(fù)極式電解槽適于大型生產(chǎn)，先后為電解水和氯堿工業(yè)所采用。
注意事項(xiàng)
啟動(dòng)注意事項(xiàng)
（1）通電前必須檢查所有機(jī)電設(shè)備，應(yīng)安全可靠，所用器具應(yīng)完好，原材料必須備齊，并經(jīng)允許充分預(yù)熱。
（5）加冰晶石和堿時(shí)，要平穩(wěn)作業(yè)，防止腳踩入槽內(nèi)發(fā)生燙傷，加堿前必須預(yù)熱，以免發(fā)生爆炸，使電解質(zhì)分賤傷人。
（6）打撈碳渣時(shí)，別讓碳渣勺碰到陽極，以免產(chǎn)生花擊傷。
（7）灌電解質(zhì)時(shí)，應(yīng)平衡作業(yè)，無關(guān)人員必須遠(yuǎn)離溜槽，以免電解質(zhì)飛濺發(fā)生燙傷事故，溜槽使用前必須充分預(yù)熱。
（8）灌鋁時(shí)：必須及時(shí)抬電壓，以防電壓抬得過慢，造成電解質(zhì)流出槽外，沖斷陽極軟帶母線。
（9）抬電壓時(shí)，要有專人負(fù)責(zé)，推扒料時(shí)，注意站穩(wěn)，以防發(fā)生意外。
（10）現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)設(shè)備及操作位置有不安全情況時(shí)，必須立即報(bào)告現(xiàn)場指揮人員，排除險(xiǎn)情后，方可繼續(xù)作業(yè)。
（11）在培燒啟動(dòng)過程中，如發(fā)現(xiàn)有滲電解質(zhì)現(xiàn)象，不要緊張，用水管澆滲電解質(zhì)處，只到堵住為止，方可撤水管，用水時(shí)，千萬不能讓水進(jìn)入槽中，以免發(fā)生爆炸。
（12）啟動(dòng)時(shí)，如發(fā)現(xiàn)電解質(zhì)外溢，不要緊張，先用擋板擋住，以防溢出的電解質(zhì)沖毀陽極母線，再用冰晶石壘墻。
（13）啟動(dòng)過程中如發(fā)現(xiàn)偏流，斷導(dǎo)桿現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)配合天車將出事陽極吊出，更換吊出極時(shí)，無關(guān)人員遠(yuǎn)離現(xiàn)場，以免燙傷，裝新極時(shí)應(yīng)充分預(yù)熱新極，以免發(fā)生其他事故。
過程中注意事項(xiàng)
（1）電解生產(chǎn)人員必須經(jīng)過三極安全教育方可進(jìn)入車間準(zhǔn)許作業(yè)。
（2）在電解廠房內(nèi)使用鐵工具時(shí)，應(yīng)注意磁場，以防發(fā)生意外。
（3）凡與電解質(zhì)接觸的鐵制工具，必須經(jīng)過預(yù)熱方可使用。
（4）禁止在車間內(nèi)通道上坐。臥。休息和打鬧。禁止在槽罩上休息、小坐。
（5）禁止往樓下，車間外扔工具及廢棄物，工具落下時(shí)，必須立即檢查是否與電解槽、母線、地面連通應(yīng)及時(shí)清除。
（6）在電解槽上工作時(shí)，禁止把腳踏在電解質(zhì)殼或陽極碳塊上，以免發(fā)生燙傷。
（7）加入槽內(nèi)的物料，必須確定干燥后方可加入。
（8）更換陽極時(shí)，如來效應(yīng)立即停止作業(yè)，待處理熄滅后，再作業(yè)。
（9）打出鋁口。測水平時(shí)，應(yīng)戴上眼鏡和口罩，以防電解質(zhì)濺出燙傷。
（10）換極人員換極前，必須穿戴好勞保用品，方可進(jìn)入換極現(xiàn)場。
（13）吊陽極時(shí)，要眼明手快，把殘極上的塊扒下來，以防大塊落入槽內(nèi)影響換極速度和質(zhì)量。
（14）殘極吊出其他無關(guān)人員要遠(yuǎn)離殘極，以免發(fā)生燙傷事故。
（15）殘極放時(shí)，電解人員應(yīng)正確指揮天車，確認(rèn)放置穩(wěn)后方可撤吊具。
（16）鏟邊人員必須戴好面罩等勞保，方可作業(yè)，禁止站在槽沿板上直接作業(yè)。
（20）清極前，要確認(rèn)所清陽極是否放平穩(wěn)，不平穩(wěn)的不予清理
（21）清極前勞保穿戴齊全，以免飛起的熱面殼塊燙傷
（22）清極時(shí)不要站在熱面殼塊上，對面得人員必須躲開，以免清的面殼飛出燙傷
（23）砸塊時(shí)，應(yīng)看準(zhǔn)，力度均勻，以免出現(xiàn)意外事故
（24）清理的碳環(huán)必須檢出。清理的面殼塊應(yīng)放在指定地點(diǎn)，不得散堆亂放在地面上，堵塞行走道路
（25）維護(hù)時(shí)將換出的大塊砸碎。鄰極空的扎三塊極的邊，嚴(yán)禁將大塊往陽極上或鄰極上堆放
（26）換完維護(hù)完將現(xiàn)場收拾干凈，鐵皮放到指定位置，不得亂放，影響現(xiàn)場管理
（28）維護(hù)完陽極，應(yīng)對所有當(dāng)班換極的極檢查一遍，提高維護(hù)質(zhì)量
停槽作業(yè)注意事項(xiàng)
（1）確定停槽后，應(yīng)及時(shí)準(zhǔn)備停槽必須工具，接觸高溫熔體物具應(yīng)事先預(yù)熱
（2）吸出電解質(zhì)、鋁液時(shí)，必須有專人負(fù)責(zé)降陽極，嚴(yán)禁陽極與電解質(zhì)脫離，嚴(yán)禁陽極降到底，頂壞上部母線提升機(jī)物
（4）上緊螺栓后，檢測短路口溫度，短路口溫度超過100℃時(shí)處理，嚴(yán)防溫度上升過快，熔化短路口
（5）突發(fā)漏槽時(shí)，一方面派人降陽極，一方面通知整流所停電，嚴(yán)禁陽極與電解質(zhì)脫離，防止產(chǎn)生爆炸，影響整個(gè)系列
（6）另一方面及時(shí)找準(zhǔn)漏爐位置，派天車或人力堵漏，一面用擋板擋母線，防止沖壞母線，另一方面指揮天車或人力堵漏鋁通道，如堵不住，及時(shí)將鋁水，電解質(zhì)抽出
（7）抽出的鋁水及時(shí)送往鑄造
（9）堵漏人員必須勞保穿戴齊全，以免發(fā)生燙傷事故
（10）停槽作業(yè)結(jié)束后，將所用工具，按要求放好。清理現(xiàn)場衛(wèi)生，將所停槽與周圍全部檢查一遍，做好各項(xiàng)記錄。
有關(guān)報(bào)道
參考資料
[1]
中國造出高性能大型電解槽 · 央視網(wǎng)(cctv.com)[引用日期2022-07-14]
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