Лабораторная работа №9. Исследование зависимости выхода по току от параметров электролиза водных растворов солей

Теоретическое введение.

Один из важнейших факторов, влияющих на эффективность электрохимического производства металла, является удельный расход электроэнергии. Для того чтобы добиться низкого расхода электроэнергии требуется выдерживать на стабильном уровне большое количество параметров. Так необходимо чтобы:

1. Зазор между электродами должен быть оптимальным. Если он будет слишком мал, то возникает опасность короткого замыкания при нарастании металла на поверхности катода. Если он будет слишком велик, то сопротивление раствора будет слишком большое, и электролит будет нагреваться, что отрицательно сказывается на процессе.

2. Плотность тока также должна быть оптимальна, т.к. слишком низкая плотность тока приведет снижению производительности электролизера, а слишком высокая к перегреву электролита. Плотность тока можно регулировать изменением геометрических размеров электродов.

3. Оптимальной должна быть температура электролиза.

4. Оптимальным должен быть химический состав электролита. Его состав должен быть таким, чтобы обеспечить минимальное электрическое сопротивление. Это позволит пропускать через ванну большие токи, не опасаясь перегрева раствора. Ведь, как известно, количество тепла, выделяемое в проводнике по которому проходит ток прямо пропорционально его сопротивлению. Об этом достаточно говорилось в предыдущей работе. Причем самое сложное – это поддержание оптимального химического состава на стабильном уровне, т.к. возможно как увеличение так и снижение количества примесей, которые необходимы для оптимального хим состава. В этих случаях приходится или добавлять примесь или нейтрализовывать по ходу электролиза. Сопротивление раствора в некоторых случаях можно найти не только опытным путем, но и на основе полуэмпирических зависимостей. Например, для расчета сопротивления электролита для рафинирования цинка существует формула:

R = 0,123 + 0,00193 K – 0,0012 Ц + 0,00114 Т Ом^-1×см^-1, (1)

где: К - кислотность, г/л;

Ц – содержание цинка, г/л;

Т – температура, ⁰С.

На сопротивление электролита могут повлиять любые примеси, а не только серная кислота, как это мы видели для электролита рафинирования меди.

5. Места соединения электродов и токоподводов должно быть достаточно хорошее, контакты должны быть очищены от окалины, чтобы исключить тепловые потери из-за контактного сопротивления.

В целом все причины приводят к одному следствию – перегрев электролита и увеличение тепловых потерь за счет омического сопротивления раствора. Кроме того, перерасход объясняется побочными реакциями с участием примесей, на которые также тратиться энергия. Если какой - либо из параметров процесса не будет действительно оптимальным, то практический расход электроэнергии будет значительно выше, чем теоретический. Проверить различие между теоретическим и практическим расходом можно, рассчитав теоретический расход электроэнергии на проведение электролиза. Разберем расчет на примере рафинирования меди.

Теоретический расход электроэнергии может быть рассчитан двумя способами:

1. Более распространенный и удобный метод расчета – метод на основе Е – потенциала разложения (напряжение, которое необходимое приложить к электродам ванны для осаждения). Расчет проводится по формуле:

W_теорет = ( 96500 / (3600 * Э_Сu2+ ) ) * DЕ * 10⁶ (2)

где: 96500 – число Фарадея, Кулон

3600 – количество секунд в часе

Э_Сu2+ - химический эквивалент, равный отношению атомной массы к количеству электронов, которые участвуют в процессе. Так для реакции окисления / восстановления меди 64/2 = 32

DЕ - потенциал разложения (для меди в стандартных условиях – 0,34 В

Для электролиза меди теоретический расход электроэнергии по этой формуле составит:

W_теорет = ( 96500 / (3600 * 32 ) ) * 0,34 * 10⁶ = 0,284*10⁶ Вт*ч/тонну (284 кВт*ч/тонну)

Фактический расход электроэнергии при рафинировании меди составляет от 200 до 400 кВт*ч/тонну.

Естественно если условия будут не стандартные, то потенциал разложения будет необходимо пересчитать по уравнению Нернста

Е = Е₀ + RT/(nF *ln (c_{Ме n+})), (3)

и подставить в формулу (2).

1. Второй способ более сложный и потому менее распространенный – метод расчета на основе изменения энергии Гиббса реакции окисления / восстановления. Расчет проводится по формуле:

W_теорет = ( DG / ( n * Ar_Сu ) ) * 10⁶ (4)

где: DG - изменения энергии Гиббса реакции окисления / восстановления меди

n - количество электронов, участвующих в реакции. Для меди -2

Ar_Сu - атомная масса меди. Для меди –64.

Фактический расход электроэнергии на производство меди (или какого-либо другого металла) можно рассчитать с использованием величины выхода по току, который является своего рода КПД процесса электролиза и может быть рассчитан как отношение теоретического расхода электроэнергии к расходу фактическому:

К_т = W_практ / W_теорет (5)

W_практ = I * t * V / G * K_т, (6)

где: I – сила тока, А

t – время электролиза, ч

V – общее напряжение ванны, В

K_т – выход по току (для рафинирования меди – 0,97-0,98)

G – масса полученного металла, т

Еще один способ расчета выхода по току это определение его как отношения массы теоретического выхода готового металла, к массе практически полученного металла. Теоретическое количество металла, которое должно получиться в процессе электролиза определяется по закону Фарадея.

M = Э_Cu * I * Dt, (7)

где: Э_Cu – электрохимический эквивалент меди = (63,54/2) / 96500 = 0,00032 (63,54 г/моль – молярная масса эквивалента меди, 2 – число участвующих электронов, 96500 Кулон – число Фарадея)

I – сила тока, А

Dt – время электролиза, сек

Например, если электролиз велся при силе тока 1000 Ампер в течение 1 часа. Следовательно, мы должны были получить 0,00032*1000*3600 = 1152 грамм меди. Если в действительности мы получили только 1032 грамма меди, то выход по току рассчитаем по формуле:

К_Т = (G_теорет / G_практ ) *100%, (8)

где: G_теорет – теоретический выход металла, рассчитанный по закону Фарадея, грамм

G_практ – практический выход металла, грамм

Выход по току для рассмотренного примера составит (1032 / 1152 )*100% = 89,58%. В лабораторной практике более распространен именно такой способ изучения выхода по току, т.к. определение практического расхода электроэнергии на электролиз сильно затруднительно технически.

Задачи исследования.

Знакомство с основными показателями процесса электрохимического производства металлов. Овладение методом экспериментального определения выхода по току в процессах электролиза. Изучение влияния состава электролита и других факторов и на показатель выхода по току.

Методика исследования.