Технічне застосування в електролітах

Застосування електролізу
Електроліз знаходить широке застосування в техніці.
Очищення або рафінування металів. Процес відбувається в електролітичної ванні. Анодом служить метал, що підлягає очищенню, катодом - тонка пластинка з чистого металу, а електролітом - розчин солі даного металу, наприклад, при рафінуванні міді - розчин мідного купоросу. У забруднених металах можуть міститися цінні домішки. Так, в міді часто міститься нікель і срібло. Для того щоб на катоді виділявся лише чистий метал, необхідно враховувати, що виділення кожної речовини починається лише при деякій певній різниці потенціалів між електродами, званої «потенціалом розкладання». При належному її виборі з розчину мідного купоросу на катоді виділяється чиста мідь, а домішки випадають у вигляді осаду або переходять в розчин.
Електрометалургія. Деякі метали, наприклад, алюміній, отримують методом електролізу з розплавленої руди. Електролітичної ванни і одночасно катодом служить залізний ящик з вугільним підлогою, а анодом - вугільні стрижні. Температура руди (близько 900 ° С) підтримується протікають в ній струмом. Розплавлений алюміній опускається на дно ящика, звідки його через особливий отвір випускають у форми для відливання.
Гальваностегія - електролітичний спосіб покриття металевих виробів шаром благородного або іншого металу (золота, платини), не піддається окисленню. Наприклад, при нікелювання предмета він сам служить катодом, шматок нікелю - анодом. Пропускаючи через електролітичну ванну протягом деякого часу електричний струм, покривають предмет шаром нікелю потрібної товщини.
Гальванопластика, або електролітичне осадження металу на поверхні предмету для відтворення його форми, була винайдена в 1837 р. російським ученим Б. С. Якобі, що запропонував використовувати електроліз для одержання металевих відбитків рельєфних предметів (медалей, монет та ін.) З предмета знімають зліпок з воску або вирізують опукле зображення на дерев'яній дошці і роблять його проводять, покриваючи шаром графіту. Потім опускають зліпок або дошку як катода в електроліт. Анодом служить шматок металу, використовуваного для осадження. Цим способом виготовляють, наприклад, типографські кліше.
Електролітичним шляхом отримують важку воду (D2O), в якій атоми водню замінені атомами його ізотопи - дейтерію (D) з атомною масою 2

Електроліти грають важливу роль в науці і техніці. Вони беруть участь в електрохімічних та багатьох біологічних процесах, є середовищем для органічного та неорганічного синтезу та електрохімічного виробництва.
Пристрої з твердими оксидними електролітами. Головне призначення твердих оксидних електролітів бачилося в створенні паливних елементів - хімічних джерел струму, в яких енергія газу безпосередньо перетворюється в електричну. Паливні елементи - близькі родичі гальванічних елементів. Але ті служать, поки в їх електроліті і електродах є активні речовини, а паливні елементи можуть працювати як завгодно довго, поки до них підводиться пальне. Систематичні дослідження твердих оксидних електролітів почалися в Німеччині на початку 50-х років, а з кінця 50-х розгорнулися в СРСР, США і Канаді. У нашій країні ці роботи з самого початку вів Інститут хімії Уральського філіалу АН СРСР (Свердловськ, нині Єкатеринбург), і школа високотемпературної електрохімії твердих електролітів, створена на Уралі, стала унікальною за широтою охоплення проблеми і глибині її вивчення.
Конструкцій, в основі яких лежать тверді оксидні електроліти, запатентовано дуже багато, але принцип їх дії однаковий і досить простий. Це пробірка з парою електродів на стінці, зовні і всередині. Вона поміщена в нагрівач; всередину пробірки і в простір, її оточує, можна підводити газ. Подивимося, які функції можуть виконувати такі пристрої.
Потенціометричні датчики складу газу. Напевно, вони найбільш прості. Електроди в різних газах набувають різні потенціали. Якщо, скажімо, всередині пробірки знаходиться чистий кисень, а зовні - газ з невідомою його концентрацією, то по різниці потенціалів електродів можна цю концентрацію визначити.
Потенціометричні датчики дозволяють визначати склад і більш складних газових сумішей, що містять вуглекислий і чадний гази, водень і водяний пар. Якщо стерженек з твердого електроліту з електродами на торцях нагрітий нерівномірно, він почне втрачати кисень і між електродами виникне різниця потенціалів. За її величиною можна визначити, наприклад, склад вихлопних газів автомобільного двигуна. На Заході, де вимоги до чистоти вихлопних газів дуже суворі, такі датчики випускаються мільйонами. У нас же на такі "дрібниці" поки не звертають уваги.
Кисневі датчики поки єдині пристрої з твердими оксидними електролітами, що знайшли практичне застосування.
Кисневі насоси. Нехай у зовнішній простір пробірки подається повітря або газ, що містить кисень. Якщо зовнішній електрод став анодом, а внутрішній - катодом, то з газу в пробірку піде чистий кисень. Подібні пристрої - кисневі насоси - можуть знайти застосування там, де споживання кисню невелика або потрібно його висока чистота.
У медицині, наприклад, використовується і чистий кисень, і повітря зі зниженим вмістом кисню - так звана "гіпоксична суміш", або "гірське повітря". Електрохімічні насоси поряд з мембранними оксигенатора дозволять вирішити масу проблем, особливо в медичних установах, віддалених від промислових центрів. В атмосфері з пониженим вмістом кисню значно довше зберігаються продукти харчування, і пристрої з кисневими насосами можуть стати економічніше звичних холодильників.
Електролізери. Тепер до зовнішнього електрода - катода - підводять водяна пара або вуглекислий газ. На катоді буде відбуватися розкладання пари або вуглекислого газу, а на аноді в обох випадках виділяється кисень. Унікальна здатність цього високотемпературного електролізера одночасно розкладати водяна пара і вуглекислий газ дозволяє створити систему життєзабезпечення, скажімо, на космічних об'єктах.
Теплоелектрогенератори. Людина зробила перший крок до незалежності від природи, навчившись зберігати вогонь, справді універсальний джерело енергії. Багаття давав тепло і світло, на ньому готували їжу, він витрачав рівно стільки палива, скільки було необхідно. Багаття тисячоліттями залишався головною енергетичною установкою людини, і не дивно, що ми відчуваємо якусь ностальгію за вогнища з палаючими дровами.
Ще наприкінці минулого століття світло давали свічки і гасові лампи, а тепло - печі. Лише трохи більше ста років тому на людину почало працювати електрику, яке могло давати світло, тепло, механічну роботу. Один час здавалося, що досить підвести до оселі лише електричну енергію, а вже там перетворювати її у що завгодно. Але сказала своє слово економіка: ккд електростанції менше 40%, втрати при передачі і зворотному перетворенні електрики в інші види енергії теж значні. Ясно, що там, де потрібно тільки тепло, його доцільно отримувати прямо з палива. І не випадково сьогодні обговорюється проста ідея: повернути "вогнище" в будинок у вигляді електрохімічного генератора з паливним елементом, що перетворює енергію палива в електрику і тепло.
Паливні елементи. Нехай до зовнішніх стінок пробірки подається водень, а всередину її - кисень. Між електродами виникне напруга близько вольта, за що сполучає їх ланцюга потече струм, і на електродах підуть реакції, зворотні тим, що проходять в електролізері. Зовнішній електрод стане анодом, внутрішній - катодом, а пристрій перетвориться на джерело струму - твердооксидних паливний елемент.
Одне і те ж пристрій може служити і паливним елементом, і електролізером, дозволяючи акумулювати електричну енергію. У період низького її споживання незатребувана потужність електростанцій використовується для отримання водню. У піку споживання електролізер починає працювати як паливний елемент, виробляючи електрику з водню.
Перетворити вугілля, нафту, різні гази і спирти (які, наприклад, в Бразилії використовують як пальне для автомобілів). Елемент послужить основою електрохімічного генератора, здатного істотно змінити концепцію постачання житла енергією. Найбільш простий у технічному відношенні генератор на природному газі - метані або пропан.
Як показують дослідження, його електричний ККД досягає 70%. Інші 30% енергії палива виділяються у вигляді тепла, яке можна використовувати в парових турбінах. Ккд такої комбінованої установки може перевищити 80% - настільки високої ефективності немає ні в одного генератора.
Вісім років тому в Інституті високотемпературної електрохімії Уральського відділення РАН був виготовлений демонстраційний генератор на метані потужністю один кіловат. Але до практичної реалізації справа ніяк не дійде. Дослідно-конструкторські роботи, які вже починалися, до кінця так і не доведені. Завдання дуже складна, її необхідно вирішувати в рамках національної програми, спроби розробити яку виявилися поки безуспішними.
Електроліт лужної натрієво-літієвий широко застосовується в автомобільній і гірничо-видобувної промисловості. Головне призначення цього електроліту - заповнення різних лужних акумуляторів. Його використовують для наповнення акумуляторів електричних навантажувачів та спеціальних шахтних електровозів.
Електроліт кислотний застосовується для заливання в свинцеві акумулятори легкового та вантажного автотранспорту.
Для приготування електроліту у ванну, футерованную свинцем, наливають плавиковую кислоту HF і в неї додають борну кислоту Н 3 ВО 3. Отриману борфтористоводородной кислоту HBF 4 фільтрують і, розчиняють у ній вуглекислий кадмій. Для отримання блискучого покриття застосовують електроліт такого складу, г / л. Покриття виробляють при катодній густини струму 9-10 А/дм2 і температурі 50 ° С.
При кадміювання деталей складної геометричної форми застосовують амміакатние електроліти, розсіююча здатність яких вище, ніж кислих. Найчастіше застосовується електроліт такого складу, г / л.
Покриття проводять при катодній густини струму 0,5 - 1,0 А/дм2, рН = 6,9 і температурі ванни 20-25 ° С. Цей електроліт має гарну буферною ємністю і не вимагає частих коригувань.
З введенням декстрину поліпшується структура поверхні і підвищується катодна поляризація. Введення флюоресціна сприяє отриманню мелкокристаллической структури.
Ціанисті електроліти дозволяють одержувати покриття дуже високої якості, проте в силу високої токсичності компонентів і необхідності застосовувати дорогі та складні очисні споруди для очищення зворотних вод ці електроліти на світлотехнічних заводах не застосовують.
Інші електроліти, такі, як фенолсульфатние і етилендіамінового, не набули широкого застосування, так як робота з ними малопродуктивною.
Пасивування кадмієвих покриттів проводять значно рідше, ніж цинкові.
При пасивування деталі занурюють на 5-10 с в розчин, після чого їх виймають і ретельно промивають у проточній воді, сушать деталі в потоці теплого повітря.