電解槽

　　
　　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。當直流電通過電解槽時，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)進行優(yōu)化設(shè)計，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。
　　中文(Dian Jie Cao);英文(Electrolyzer)所謂電解槽就是電解質(zhì)儲存槽。
電解槽材質(zhì)種類:PP/PPN/FRP/CPVC/PVDF.
　　
　　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行的陽極反應(yīng)常具有催化作用。在化學工業(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、催化活性強度、加工、來源、價格）外，還需能在強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，機械強度差，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，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。最突出特點是具有很好的化學穩(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工業(yè)中已得到普遍推廣。
　　在熔融鹽電解槽中，因電解溫度比水溶液電解槽中高得多，對陽極材料要求更嚴，電解熔融氫氧化鈉，一般可用鋼鐵、鎳及其合金。電解熔融氯化物，只能用石墨。
　　陰極
　　以金屬或合金作為陰極時，由于在比較負的電位下工作,往往可以起到陰極保護作用，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方向是降低析氫過電位。除用硫酸作為電解液時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。
　　為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，也可采用特殊的陰極材料，如在水銀法電解食鹽水溶液制取燒堿的汞陰極中，利用汞析氫過電位高的特點，使鈉離子放電，生成鈉汞齊，然后在專用的設(shè)備中，用水分解鈉汞齊制取高純度、高濃度堿液。另外，為了節(jié)約電能也可采用耗氧陰極，使氧在陰極還原，以代替析氫反應(yīng)，按理論計算可降低槽電壓1.23V。
　　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，當有電流流過時，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，有良好的化學穩(wěn)定性和機械強度。電解水時，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。這時隔膜還需要阻止陰、陽極室電解液中電解產(chǎn)物的相互擴散和作用，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散和遷移的阻力。
　　隔膜由惰性材料制作，如氯堿工業(yè)中長期使用的石棉隔膜。但石棉隔膜性能不穩(wěn)定，當鹽水中含有鈣、鎂雜質(zhì)時，容易在隔膜中生成氫氧化物沉淀，降低透過率；在比較高的溫度和在電解液作用下，還會發(fā)生膨脹、松脫。為此可以在石棉中加入樹脂作為增強材料，或以樹脂為主體做成微孔隔膜，在穩(wěn)定性和機械強度方面都有很大改進。近年來氯堿生產(chǎn)開發(fā)的陽離子交換膜是新型的隔膜材料。它具有對離子透過的選擇性，可使氯離子基本上不進入陰極室，從而可以制得氯化鈉含量極低的堿液。
　　分類
　　按電解液的不同分類
　　水溶液電解槽
　　水溶液電解槽的形式，可分為隔膜電解槽和無隔膜電解槽兩類。隔膜電解槽又可分為均向膜(石棉絨）、離子膜及固體電解質(zhì)膜（如β-Al2O3）等形式；無隔膜電解槽又分為水銀電解槽和氧化電解槽等。
　　采用不同的電解液時，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，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。
　　熔融鹽電解槽
　　多用于制取低熔點金屬，其特點是在高溫下運轉(zhuǎn)，并應(yīng)盡量防止水分進入，避免氫離子在陰極上還原。例如制取金屬鈉時，由于鈉離子的陰極還原電位很負，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行，例如電解熔融氫氧化鈉時為 310℃，如其中含有氯化鈉成為混合電解質(zhì)時,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_到。電解熔融氫氧化鈉時，槽體可用鐵或鎳，電解含有氯化物的熔融電解質(zhì)時常由于原料中不可避免地帶入少量水分，會使陽極生成潮濕的氯氣，對電解槽的腐蝕作用很強，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)物金屬鈉長時間飄浮在電解液表面，會進一步與陽極產(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產(chǎn)品或電解有機物時,常伴隨有各種復(fù)雜的化學反應(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。
　　按電極的連接方式分類
　　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，即同時為陽極或同時為陰極。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，中間各電極的一面為陽極，另一面為陰極,因此具有雙極性。當電極總面積相同時,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。
　　現(xiàn)代電解槽的發(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，這種電壓損失更為嚴重。現(xiàn)代電解槽采用各種措施以降低極間距，如采用擴散陽極、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)的停留時間，不僅影響設(shè)備的生產(chǎn)能力，而且在某些情況下，會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)間的化學反應(yīng)速度非常緩慢，如長時間留在電解槽內(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)計力求減小容積，使電解液沿著電極快速流過。如還需進一步進行反應(yīng)，則可在電解槽外安裝獨立的化學反應(yīng)器。
　　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，會降低電極的工作表面積。另外，在電極附近的溶液中也會充有氣泡，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，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)。當垂直電極用作氣體電極時，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。
　　電解槽材料可以是鋼材、水泥、陶瓷等。鋼材耐堿，是應(yīng)用最廣的。對于腐蝕性強的電解液，鋼槽內(nèi)部用鉛、合成樹脂或橡膠等襯里。
　　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。
　　水電解制氫電解槽多采用鐵為陰極面，鎳為陽極面的串聯(lián)電解槽（外形似壓濾機）來電解苛性鉀或苛性鈉的水溶液。陽極出氧氣，陰極出氫氣。該方法成本較高，但產(chǎn)品純度大，可直接生產(chǎn)99.7%以上純度的氫氣。
　　電解槽安全注意事項
　　電解槽啟動安全注意事項
　　（1）通電前必須檢查所有機電設(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。
　　（2）裝爐物料堿與冰晶石必須摻勻，以免在啟動中造成電解質(zhì)飛濺出傷人。
　　（3）裝爐時導(dǎo)桿，大母線必須磨光滑，以免導(dǎo)桿劃壞大母線造成與母線帖不緊，給陽極造成偏流。
　　（4）分流器沒拆前，生產(chǎn)人員不能空手摸分流器，拆分流器時，操作人員必須戴好勞保用品，以免燙傷。
　　（5）加冰晶石和堿時，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，別讓碳渣勺碰到陽極，以免產(chǎn)生花擊傷。
　　（7）灌電解質(zhì)時，應(yīng)平衡作業(yè)，無關(guān)人員必須遠離溜槽，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：必須及時抬電壓，以防電壓抬的過慢，造成電解質(zhì)流出槽外，沖斷陽極軟帶母線。
　　（9）抬電壓時，要有專人負責，推扒料時，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，必須立即報告現(xiàn)場指揮人員，排除險情后，方可繼續(xù)作業(yè)。
　　（11）在培燒啟動過程中，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，千萬不能讓水進入槽中，以免發(fā)生爆炸。
　　（12）啟動時，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）啟動過程中如發(fā)現(xiàn)偏流，斷導(dǎo)桿現(xiàn)象應(yīng)及時配合天車將出事陽極吊出，更換吊出極時，無關(guān)人員遠離現(xiàn)場，以免燙傷，裝新極時應(yīng)充分預(yù)熱新極，以免發(fā)生其他事故。
　　電解生產(chǎn)過程中安全注意事項
　　（1）電解生產(chǎn)人員必須經(jīng)過三極安全教育方可進入車間.準許作業(yè)
　　（2）在電解廠房內(nèi)使用鐵工具時，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)熱方可是用
　　（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，車間外仍工具及廢棄物，工具落下時，必須立即檢查是否與電解槽.母線.地面連通應(yīng)急時清除
　　（6）在電解槽上工作時，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，如來效應(yīng)立即停止作業(yè)，待處理熄滅后，在作業(yè)
　　（9）打出鋁口.測水平時，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，方可進入換極現(xiàn)場
　　（11）換鋪鐵板時，嚴禁鐵皮與立柱母線靠攏，以免造成嚴重事故
　　（12）換極人員指揮天車提殘極，確認吊具掛住導(dǎo)桿，預(yù)防吊出時落下來發(fā)生事故
　　（13）吊陽極時，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)人員要遠離殘極，以免發(fā)生燙傷事故
　　（15）殘極放時，電解人員應(yīng)正確指揮天車，確認放置穩(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)
　　（17）撈塊人員要穩(wěn).準.快的把槽內(nèi)的大小面殼塊撈出，撈時把握好力度和方向，以免發(fā)生燙傷
　　（18）副班長必須用耙摸爐底，杜絕有塊落入槽底，以免造成沉淀給槽子以后的運行造成隱患
　　（19）指揮天車吊新極安裝，如果新極潮濕，換極人員應(yīng)躲開，將陽極烘干后方可下槽，以免濺出電解質(zhì)傷人
　　（20）清極前，要確認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，應(yīng)看準.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，不得散堆亂放在地面上，堵塞行走道路
　　（25）維護時將換出的大塊砸碎.鄰極空的扎三塊極的邊，嚴禁將大塊往陽極上或鄰極上堆放
　　（26）換完維護完將現(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
　　（27）不能隨便將剛撈完塊的鉤子.耙子.釬子等換極工具仍在槽體旁邊紅外線外，影響拉鋁車的行走
　　（28）維護完陽極，應(yīng)對所有當班換極的極檢查一遍，提高維護質(zhì)量
停槽作業(yè)安全注意事項
　　（1）確定停槽后，應(yīng)及時準備停槽必須工具，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，必須有專人負責降陽極，嚴禁陽極與電解質(zhì)脫離，嚴禁陽極降到底，頂壞上部母線提升機物
　　（3）停電后，短路口必須把絕緣板取出，用微風清理干凈，保證短路面潔凈度，并將螺栓擰緊
　　（4）上緊螺栓后，檢測短路口溫度，短路口溫度超過100℃時處理，嚴防溫度上升過快，熔化短路口
　　（5）突發(fā)漏槽時，一方面派人降陽極，一方面通知整流所停電，嚴禁陽極與電解質(zhì)脫離，防止產(chǎn)生爆炸，影響整個系列
　　（6）另一方面及時找準漏爐位置，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，及時將鋁水，電解質(zhì)抽出
　　（7）抽出的鋁水及時送往鑄造
　　（8）嚴防漏到槽下的鋁水或電解質(zhì)燒毀地溝的電纜.電線，防止著火事件發(fā)生，準備好滅火器，嚴禁用水滅火
　　（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，做好各項記錄。