1.5. Корпус электрохимической ячейки
Корпус электролизера может изготавливаться в виде самостоятельной конструкции или набираться из отдельных элементов. Электрохимические аппараты, имеющие корпус - самостоятельную конструкцию, относятся к ящичным электролизерам. Если корпус аппарата набирается из чередующихся однотипных элементов, то такой электролизер относится к фильтр-прессным.
Ящичные электролизеры имеют корпус прямоугольной (или, реже, цилиндрической формы), в котором установлены электроды. Электролизер может накрываться крышкой или быть без нее. Без крышек делают гидрометаллургические электролизеры и гальванические ванны, крышкой накрываются электролизеры, в которых в качестве основных или вспомогательных (но ядовитых) продуктов выделяются газы. В качестве материала ванны может использоваться металл (гальванические ванны) или железобетон (гидрометаллургия), футерованный изнутри свинцом, винипластом, и другими инертными в данной среде материалами. Электролизеры такого типа достаточно просты и дешевы в производстве и эксплуатации.
Фильтр-прессные электролизеры (рис.1.7.) не имеют специально изготовленного корпуса.
Рис.1.7. Схемы электролизеров.
А-ящичный монополярный, Б- ящичный биполярный, В- фильтр-прессный монополярный, Г- фильтр-прессные биполярный. 1-корпус, 2-электроды, 3-диафрагмы, 4-прокладки, 5-стяжные винты, 6-стяжные плиты.
Корпус образуется из фланцев элементов (электродов, диафрагм и других), из которых набран электролизер. Герметичность такому наборному корпусу обеспечивают эластичные прокладки между элементами и плотное сжатие элементов с помощью винтов или гидроцилиндров.
В электролизерах фильтр-прессного типа большое внимание уделяется точности и чистоте обработки элементов набора. Это значительно удорожает конструкцию. Большое количество ответственных уплотнений между элементами электролизера сильно усложняет его эксплуатацию.
1.6. Разделение электродных пространств
Для разделения продуктов электролиза и электродных пространств в многокамерных электролизерах могут использоваться диафрагмы и мембраны. Диафрагмы - это пористые листы из не проводящего электрический ток материала естественного или искусственного происхождения неорганической или органической природы. Перенос тока через диафрагму осуществляется по порам миграционными потоками ионов обоих знаков, вещество переносится фильтрацией, диффузией и миграцией.
В качестве диафрагм может использоваться асбестовая ткань или картон, брезентовая или хлориновая ткани, жесткие диафрагмы, спеченные из поливинилхлоридного порошка (мипласт, мипор, поровинил и т.п.). Диафрагмы могут работать в проточном или непроточном режиме. Диафрагмы, работающие в проточном режиме, называются фильтрующими. Фильтрующие диафрагмы используются при производства хлора и щелочей диафрагменным методом, а также при рафинировании никеля. Непроточные диафрагмы иначе называются погружными и применяются в качестве чехлов на анодах в гальванических ваннах, чехлов на катодах при получении перманганата и разделения электродных камер при электролизе воды.
При выборе типа диафрагмы необходимо учитывать их коррозионную стойкость в данной среде и величину падения напряжения, которая во многом определяет расход электроэнергии и экономические показатели производства. В свою очередь, величина падения напряжения на диафрагме зависит от ее толщины, пористости и извилистости пор.
В отличие от диафрагм, ионообменные мембраны непроницаемы для электролита. В идеале, перенос электрического тока и вещества через них осуществляется только миграционными потоками ионов одного заряда. Наибольшее промышленное применение нашли мембраны, полученные сополимеризацией ненасыщенных соединений, одно из которых содержит ионогенные группы, а другое образует пространственную структуру. Тип ионогенной группы определяет способность мембраны переносить электрический ток. Кислотные группы -SO3H, -PO3H, -COOH способны отщеплять протон Н+ и обменивать его на ион металла. Такие мембраны ведут себя как кислоты, а перенос катионов от одной ионогенной группы к другой под действием внешнего электрического поля обусловил их название - катионообменные.
Если в состав мембраны входят ионогенные группы четвертичных замещенных ониевых солей, первичные, вторичные или третичные аминогруппы -NH2, -NR1R2, -N+(CH3)3, способные обмениваться с анионами раствора, то такие мембраны проявляют щелочные свойства и называются анионообменными.
Ионообменные мембраны обладают униполярной проводимостью, то есть способностью переносить ток только в одном направлении и ионами только одного знака. Например, перенос отрицательного заряженного аниона по отрицательно заряженным сульфогруппам -SO3- катионообменных мембран невозможен из-за их взаимного электростатического отталкивания (рис.1.8, А).
Рис.1.8. Схема миграционного (А) и диффузионного (Б) переноса катионов через катионообменную мембрану.
В идеальном случае перенос вещества через ионообменную мембрану возможен только за счет миграции. Например, при диффузионном переносе, некоторого количества катионов Na+ через катионообменную мембрану на ее противоположных сторонах собираются ионы противоположных знаков (анионы через мембрану пройти не могут!). Возникает разница электрических потенциалов, препятствующая дальнейшему диффузионному переносу катионов (рис.1.8, Б). То есть, на ионы действует не только осмотическая сила, являющаяся движущим фактором диффузионного переноса, но и равная ей по величине и противоположно направленная электростатическая сила, тормозящая и прекращающая диффузионный перенос.
На практике, перенос через мембраны ионов одного знака зависит от концентрации веществ и мембрана в концентрированных растворах реально не обладает 100% униполярной проводимостью.
Кислотные или щелочные свойства мембран обеспечивает возможность переноса тока даже в дистиллированной воде. Это свойство обусловило еще одно название ионообменных мембран - твердые полимерные электролиты.
В настоящее время наибольшее применение в электрохимических производствах нашли мембраны с политетрафторэтиленовой матрицей и ионогенной группой -SO3H, получившие торговые названия “Нафион”, “Флемион”, “Асиплекс” и другие, и их отечественный аналог - мембраны МФ-4СК.