Синтез химических продуктов в электрохимических реакторах (стр. 4 )

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

В ряде производственных процессов в качестве побочного продукта образуется сульфат натрия, имеющий ограниченный спрос. С помощью электролиза раствора сульфата натрия с использованием фильтрующей диафрагмы или (и) мембраны (катионообменной) можно получить щелочь и серную кислоту. Выходы по току щелочи и кислоты составляют 70-80%, концентрация получаемых продуктов – 100-150 г/л.

Процесс электролиза раствора сульфата натрия проводят в электролизерах, простейшая конструкция которых состоит из трех камер, отделенных одна от другой мембранами (рис. 3.1). В среднюю камеру заливают раствор.

Стандартный электродный потенциал системы Na+ + e = Na0 значительно отрицательнее потенциала водного электрода в нейтральной водной среде (-0,41В). Поэтому на катоде будет происходить электрохимическое восстановление воды, сопровождающееся выделением водорода:

 2Н2О → 2H+ + 2OH - (3.1)

а ионы Na+ , приходящие к катоду, будут накапливаться в прилегающей к нему части раствора (катодное пространство).

На аноде будет происходить электрохимическое окисление воды, приводящее к выделению кислорода:

 2H2O – 4е →O2 + 4H+ (3.2)

поскольку отвечающий этой системе стандартный электродный потенциал (1,23 В) значительно ниже, чем стандартный электродный потенциал (2,01 В), характеризующий систему 2SO42- + 2e = S2O82-.

Ионы SO42-, движущиеся при электролизе к аноду, будут накапливаться в анодном пространстве. Приняв во внимание, что одновременно происходит накопление ионов в катодном пространстве и ионов в анодном пространстве, суммарное уравнение процесса можно записать в следующей форме:

6H2O + 2Na2SO4 = 2H2 + 4NaOH + O2 + 2H2SO4 (3.3)

Анионы током переносятся в анодное пространство. На аноде выделяется кислород и образуется кислота. Одновременно катионы переносятся в катодное пространство. На катоде выделяется водород и образуется щелочь. Таким образом, одновременно с выделением водорода и кислорода образуется гидроксид натрия (в катодном пространстве) и серная кислота (в анодном пространстве). По мере прохождения тока концентрация солей в средней камере уменьшается до тех пор, пока не станет близкой к нулю. За счет диффузии в среднюю камеру поступают ионы Н+ и ОН-, образуя воду. Этот процесс замедляет перенос ионов соли к соответствующим электродам.

При использовании электрохимически активных (ионообменных) диафрагм повышается эффективность процесса и снижается расход электроэнергии. Ионообменные мембраны проницаемы только для ионов, имеющих заряд того же знака, что и у подвижных ионов. Мембраны должны обладать малым электрическим сопротивлением. На эффективность работы электродиализатора большое влияние оказывает расстояние между мембранами. Обычно оно составляет 1—2 мм. Во избежание засорения мембран раствор перед подачей в электролизер должен быть очищен от взвешенных и коллоидных частиц.

При проведении электролиза в двухкамерном мембранном электролизере раствор сульфата натрия подают в анодную камеру.

Рис. 3.1. Схемы электродиализаторов с пористыми диафрагмами (а) и ионитовыми мембранами (б).

Межэлектродное расстояние в диафрагменных электролизерах составляет от 11 до 15 мм. Для двухкамерного электролизера с диафрагмой рассол поступает в анодную камеру, а в катодную камеру раствор сульфата натрия 3 г/л; другой вариант - рассол поступает в анодную камеру, а в катодную вода.

В электродиализаторе (рис. 3.1, б) имеется две мембраны. Одна из них — анионообменная и пропускает в анодную зону анионы. Другая мембрана— катионообменная расположена со стороны катода и пропускает катионы в катодное пространство.

При использовании трехкамерного мембранного электролизера с двумя катионообменными мембранами в анодную камеру подают разбавленный раствор серной кислоты, а выводят более концентрированную серную кислоту. В среднюю камеру, ограниченную мембранами, поступает раствор сульфата натрия, а выводится либо раствор серной кислоты или смесь раствора серной кислоты и сульфата натрия. В катодную камеру подают воду, а выводят раствор щелочи.

Применение трехкамерного электролизера, в котором около анода размещается диафрагма, а около катода катионообменная мембрана позволяет повысить на 10-20% выход по току по сравнению с использованием двух катионообменных мембран.

Обычно электролизеры для получения щелочи и кислоты делают многокамерными с чередующимися катионо - и анионопроницаемыми мембранами. Электроды помещают в крайних камерах. В многокамерных аппаратах достигается наибольший выход по току.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Электролиз проводят в стеклянном сосуде. Схема установки представлена на рис. 3.2. (рис. 3.3. по заданию преподавателя).

Рис. 3.2. Схема установки для электролиза сульфата натрия (двухкамерный электролизер):

1 – корпус электролизера; 2 – катод (перфорированный или сетчатый (б)); 3 – анод; 4 – диафрагма (диафрагма или катионообменная мембрана (а)); 5 – выпрямитель тока со встроенным амперметром и вольтметром; 6 – катодная камера; 7 – анодная камера.

Рис. 3. 3. Схема трехкамерного мембранного электролизера:

1 – корпус электролизера; 2 – катод; 3 – анод; 4 – катионообменная мембрана; 5 – выпрямитель тока со встроенным амперметром и вольтметром; 6 – средняя камера.

Материал электродов: катоды из никеля или нержавеющей стали, аноды из свинца или сплава свинец-сурьма (1% Sb), из титана, из алюминия. В качестве диафрагмы применяют мипласт, хлориновая ткань, винипор, асбест и др.; в качестве мембраны – катионообменная мембрана с сульфо-группами.

Состав раствора и режимы: Na2SO4∙ H2O – 250-280 г/л; плотность катодного тока – 0,07-0,09 А/см2, температура – 50-600С, время процесса 30 минут.

Для проведения анализа полученных в результате электролиза продуктов необходимо 3 конических колбы по 200 мл для отбора и анализа проб, бюретка объемом 100 мл и пипетка объемом 20 мл.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Электроды (анод и катод) обработать наждачной бумагой, обезжирить в органическом растворителе.

2. Собрать установку согласно рис. 3.2 или рис. 3.3 (по заданию преподавателя).

3. В трехкамерный электролизер залить в средний отсек раствор сульфата натрия, в анодное пространство раствор серной кислоты, в катодную камеру заливают дистиллированную воду. В случае двухкамерного электролизера в анодное пространство заливают раствор сульфата натрия, а в катодную воду.

4. Включить ток заданной величины и вести электролиз 30 минут, при этом фиксировать значения напряжения (первый замер напряжения в момент включения, далее замер проводить через каждые 5 мин.).

5. После истечения времени электролиза выключить электропитание установки.

6. С помощью кондуктометра определить общую электропроводность католита, анолита, исходного раствора и пробы раствора из среднего отсека электролизера (в случае трехкамерного электролизера).

7. С помощью рН-метра определить рН католита, анолита, раствора из среднего отсека электролизера (в случае трехкамерного электролизера), исходного раствора сульфата натрия.

8. Методом титрования определить содержание щелочи в католите.

9. Определить содержание серной кислоты в анолите.

10. Полученные в ходе лабораторной работы результаты занести в таблицу экспериментальных данных (табл. 3.1).

11. Рассчитать расход электроэнергии на получение 1 кг щелочи и кислоты.

12. Рассчитать выход по току процесса получения щелочи и кислоты.

13. Сделать выводы производительности электролизера (какое количество щелочи и кислоты получено из 1 г сульфата натрия) с диафрагмой и (или) мембраной.

Таблица 3.1.

Экспериментальные данные

, г/л	рН католита	СNaOH, г/л	Электропроводность католита, Ом∙см	рН анолита	, г/л	Электропровод-ность анолита, Ом-1∙см-1

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Определение содержания щелочи титрованием.

 Перенести 5 см3 католита пипеткой в мерную колбу вместимостью 250 мл. Добавить в католит дистиллированную воду до метки, тщательно перемешать. Отобрать 50 см3 разбавленного раствора католита в коническую колбу. Добавить в колбу 2–3 капли фенолфталеина и оттитровать ее содержимое раствором соляной кислоты до полного обесцвечивания раствора.

Массовую концентрацию католита в пересчете на NaOH (СNaOH), г/л, вычислить по формуле

   

, г/л (3.4)

где V –объем раствора соляной кислоты концентрации точно 0,1 моль/дм3, израсходованный на титрование, см3; 0,004 − масса гидроксида натрия, соответствующая 1 см3 раствора соляной кислоты концентрации точно 0,1 моль/дм3, г.

2. Определение содержания серной кислоты титрованием.

20 мл электролита разбавляют в колбе на 200 мл, берут на титрование 20 мл разбавленного раствора (эквивалентно 2 мл электролита), доводят водой до 150 мл и титруют 0,1 н раствором NaOH в присутствии 5 капель метилоранжа до перехода грязно-розовой окраски в желто-зеленую.

Концентрацию серной кислоты в анолите рассчитывают по формуле:

, г/л (3.5)

где а – количество раствора NaOH, пошедшее на титрование, мл; N – нормальность раствора NaOH; n – количество электролита, взятое для титрования, мл; 49 – коэффициент пересчета на H2SO4.