Барабанні електролізери одержання електролітичної фольги

 

У числі перших хто працював в цьому напрямі можна відзначити П.П. Федотьєва, В.В. Стендера і співробітників кафедри ТЕХ ДХТІ. Суть методу полягає в тому, що на зануреній в електроліт частини барабана-катода, що повільно обертається, наростає осад металу, який здирається з барабана при виході на повітря та у вигляді безупинної стрічки намотується в рулон. Барабанні електролізери застосовуються для одержання мідної і нікелевої фольги Найбільший інтерес при цьому викликає одержання тонкої мідної фольги для електротехнічної та радіоелектронної промисловості, необхідної

при фольгуванні діелектриків і подальшого виготовлення друкарських плат.

Рис. 3.8. Схема барабанного електролізера

1-корпус, 2-анод, 3-барабан-катод, 4-відривний ролик, 5-намотувальний пристрій.

Мідна фольга виготовляється електролізом сірчанокислого електроліту на барабані-катоді, що безупинно обертається. Електроліт складається з мідного купоросу CuSO₄*5H₂O - 180-250 г/л, сірчаної кислоти H₂SO₄ - 55-60 г/л. Електроліз проводиться при температурі 25-30

 

^оС і щільності струму 20-26 А/дм². Електроліт безупинно перемішується повітрям.

Рисл. 3.9. Схема установки виробництва мідної фольги.

1-віджимний пристрій, 2- промивний пристрій, 3-відхильний ролик, 4-відривний ролик, 5 - барабан-катод, 6 - ванна, 7 - привідний механізм, 8 - насос циркуляційної схеми, 9 - бак розчиновий (нагрівач-охолоджувач), 10-бак напірний, 11-фільтр, 12-намотувальний пристрій.

 

Технологічною схемою передбачено такі операції:

1. Електролітичне осадження фольги на барабані-катоді;

2. Відмивання фольги від електроліту;

3. Декапірування в концентрованій сірчаній кислоті;

4. Відмивання фольги від кислоти (душируванням);

5. Сушіння гарячим повітрям;

6. Намотування в рулон.

Катодом для одержання мідної фольги служить суцільнолитий барабан з нержавіючої сталі 1Х18Н12М3Т або титану з полірованою поверхнею

Анод - мідний, набірний

Електроди поміщено в сталеву гумовану ванну, повітря для перемішування подається знизу через барботери.

Електроліт циркулює через ванну, бак і фільтр-прес

Принцип роботи барабанного електролізера для одержання нікелевої фольги аналогічний, хоча заходи щодо очищення і коректування складу електроліту відрізняються.

ОДЕРЖАННЯ ХЛОРУ І ЛУГУ

Конструкції електролізерів для одержання хлору і лугів визначаються властивостями одержуваних продуктів і технологією їх одержання. Сумарну реакцію процесу можна представити як

Одержувані газоподібні продукти здатні взаємодіяти між собою, причому на світлі ця реакція протікає з вибухом. Хлор активно взаємодіє з лугом

Cl₂+2NaOH=NaCl+NaClО+H₂O

У результаті реакції утворюється вихідний хлорид натрію і гіпохлорит натрію. Це призводить як до зменшення виходу за струмом цільового продукту, так і до його забруднення побічними продуктами. У цілому, згадані процеси обумовлюють необхідність відокремлення продуктів реакції один від одногг. Це можливо або при розділенні електродних просторів електролізера, або при одержанні проміжних продуктів, що не вступають у взаємодію між собою (рис.4.1).

Рис.4.1. Схеми електролізерів для одержання хлору і лугу.

1-діафрагмовий, 2- з ртутним катодом, 3-мембранний.

ДІАФРАГМОВІ ЕЛЕКТРОЛІЗЕРИ

Види:

Електролізери з горизонтальним розташуванням електродів

Електролізери з фільтрувальною діафрагмою

і вертикальними монополярними анодами

Горизонтальний секційний електролізер

Вертикальний секційний електролізер

Біполярні електролізери: Ящиковий електролізер, Біполярний фільтр-пресовий електролізер системи "Гланор"

Першими електролізерами, що знайшли широке промислове застосування, були електролізери з розділенням електродних просторів єдино доступним і таким, що відповідає вимогам інертності, природним діафрагмовим матеріалом - азбестом. Цей спосіб одержання хлору і лугу отримав назву діафрагмового електролізу.

Загальний недолік способу визначається властивостями кожної пористої діафрагми: вона не перешкоджає міграційному перенесенню ОН^--іонів в анодний простір, що призводить до описаної вище взаємодії лугу з хлором, що утворюється. Для запобігання такому перенесенню було використано іншу властивість діафрагм - здатність фільтрувати електроліт. Для заглушення міграційного перенесення ОН^--іонів рух потоків фільтрації спрямовано назустріч міграційному потокові іонів гідроксилуз анодного простору в катодний. Свіжі порції розсолу подаються в анодний простір, а рівень електроліту в катодному просторі підтримується нижчий, ніж в анодному (рис. 3.1.А). Фільтрація електроліту через діафрагму заглушує міграційне перенесення, але забруднює одержуваний луг хлоридом натрію і сильно зменшує його концентрацію.

ЕЛЕКТРОЛІЗЕРИ З РТУТНИМ КАТОДОМ

При всій різноманітності конструкцій хлорних електролізерів з ртутним катодом, вони являють собою агрегат, що включає власне електролізер, розкладник амальгами і насос для циркуляції ртуті (див. схему на рис. 4.1).

Класифікація електролізерів

Донині розроблено велику кількість різних конструкцій електролізерів, які за їхніми ознаками можна розділити на такі групи:

1. Електролізери з горизонтальними електродами і горизонтальним розкладником амальгами (Київ, завод хімікатів).

2. Електролізери з горизонтальними електродами і вертикальним розкладником амальгами.

3. Електролізери з вертикальними електродами.

4. Електролізери з дуже похилими електродами.

5. Електролізери з анодами, зануреними в ртутний катод.

Найбільше поширення одержали електролізери, що входять до першої й другої груп. До другої групи належать усі сучасні потужні електролізери. Конструкції інших обумовлено спробами зменшити витрати виробничих площ. До серійного застосування їх не доведено, і розглядатися в даному курсі вони не будуть.

Вимоги до електролізерів

Виключення виділення ртуті з електролізера і захист від ртуті навколишнього середовища.

Мінімальна закладка ртуті в електролізер.

Мінімальний внутрішній об’єм газу в електролізері.

Наявність системи регулювання положення анодів.

Паралельність усієї робочої поверхні електродів.

Рівномірність розподілу струму по всіх електродах.

Легкість розбирання і складання електролізера.

Виключення забруднення ртуті конструкційними матеріалами, запобігання потраплянню NaCl у розкладник.

Повнота розкладання амальгами в розкладнику.

Технологічність виготовлення.

Велика потужність (струмове навантаження).

Густина струму близько 15 кА/м².

Електролізер

Усі електролізери, у принципі, мають одну й ту саму будову, яка відрізняється лише в деталях. Власне електролізер має днище, що складається з двох частин, зміцнене ребрами жорсткості Днище є струмопідводом до катода - шару ртуті. Крім того, на днище монтують бічні стінки з гумованих сталевих балок. До корпуса електролізера приєднують вихідну і вхідну кишені, що утворюють катод і ванну електролізера з вихідними і вхідним пристроями для введення і виведення продуктів. Електролізер зверху закривають гнучкою гумовою або сталевою гумованою кришками, через які герметично проходять струмопідводи анодів. Аноди зібрано в групи і секції, кожна з яких обпирається на регульовані стояки і має привід для переміщення групи анодів у вертикальному напрямку. На цих же пристроях кріпляться мідні шини, що підводять струм до анодів.

Одним з найважливіших елементів електролізера є днище. Поверхня дна електролізера, по якій протікає ртуть, має бути рівною, плоскою і не деформуватися при складанні. Положення дна ретельно вивіряється і вирівнюється. Це пов'язано з тим, що працездатність електролізера і придатність методу в цілому визначається протіканням тільки одного процесу - утворення амальгами. Звичайно цей процес забезпечується тим, що перенапруга виділення водню на ртуті значно більша, ніж натрію. Але при оголенні ділянки днища, на ньому починається інтенсивний процес виділення водню, тому що перенапруга виділення водню на сталі невелика. Оголення днища з-під шару ртуті можливе з таких причин:

-мала товщина шару ртуті;

-нерівності днища;

-установка днища з перекосом;

-велика швидкість стікання ртуті, при якій у шарі ртуті виникають вихори, хвилі й западини.

Розкладники амальгами призначено для розкладання амальгами з одержанням чистої ртуті, лугу і водню:

2NaHg + 2H₂O = 2NaOH + H₂ + 2Hg.

Для розкладання амальгами в розкладник подається вода Процес розкладання амальгами супроводжується виділенням водню.

Видыляють горихонтальнi та вертикальнi розкладники.

МЕМБРАННІ ЕЛЕКТРОЛІЗЕРИ

Мембранний електроліз і мембранні еленктролізери мають ознаки як діафрагмового, так і ртутного методу. Електролізери з вертикальним розташуванням електродів і сталевих сітчастих катодів, як у діафрагмовому методі, а живлення електролізера електролітом здійснюється роздільно по анодних і катодних просторах. У анодні подається розсіл, у катодні - демінералізована вода, як у ртутному методі. Роздільне живлення розсолом і водою та відсутність фільтрації через мембрану дозволяють одержувати луг більш чистий і з більшою концентрацією, ніж у діафрагмовому методі.

Використовувані для розділення електродних просторів катіонообмінні мембрани безпористі, й фільтрація електроліту через них відсутня

Іонообмінні мембрани мають вигляд листів товщиною 0,3-0,5 мм і габаритами 2400´1200 мм. Тому зараз найбільше поширення одержали мембранні електролізери прямокутної форми такої висоти і ширини. Висока вартість мембран визначила ще одну особливість електролізерів.

За типами електродів електролізери можуть бути з виносними і сполученими робочими поверхнями, знімними і нерознімними, плоскими, рифленими тощо. Відмітною ознакою електролізерів є їхня фільтр-пресова конструкція. Мембранні електролізери можуть бути моно- і біполярними. Монополярні електролізери потребують підведення електричного струму до кожної комірки, тобто відрізняються складним ошунуванням. Біполярні електролізери виключають застосування індивідуальних струмопідводних шин, але відрізняються наявністю струмів витоку і більшою складністю виготовлення й обслуговування. Типовим прикладом біполярного мембранного електролізера, що послужив прототипом багатьох інших конструкцій, є електролізер фірми “Асахі Кемікл” а також, серед моноплярнихмембранний електролізер “Асахі Гласс”