阳极电流密度与电合成高氯酸钠电流效率及电能效率关系探讨.docVIP

阳极电流密度与电合成高氯酸钠 的电流效率及电能效率的关系探讨 于 海1 金 龙 2 (1.大连高佳化工有限公司 2.大连保税区科利德化工科技开发有限公司 大连 116100） 摘要：以钛基体二氧化铅为阳极、不锈钢为阴极电合成高氯酸钠，探讨阳极电流密度对电流效率及电能效率的影响，结果表明，电流效率随电流密度的提高而提高，电能效率则存在一个最高值。同时运用电极过程的机理对这些结果作了解释，并简要阐述了经济电流密度。 关键词：电流密度 电流效率 电压效率 电能效率 超电势 电合成高氯酸钠的电能效率等于电解槽的电压效率与电流效率的乘积，分解电压由理论分解电压与超电势两部分构成，影响分解电压的主体，即理论分解电压是电极过程的热力学因素，对于特定的电解设备和工艺条件，其理论分解电压是定值，而非可逆过程（实际过程）的分解电压则受电极的动力学因素影响，体现为超电势的不同；电流效率则主要决定于电极过程的相关动力学因素，诸如存在的各种副反应的影响，二者都是以电流密度为自变量呈现特定的函数变化关系。 实验 1.1电解设备 电极为平板网状钛基体二氧化铅阳极置于不锈钢网阴极笼中，单槽中放置8组电极，单个阳极有效放电面积为0.48m2 ，电解槽有效容积为0.7m3，极间距为2cm. 1.2电解条件 a.电解运行方式：六组电解槽串联，连续电解 b.氯酸钠初始浓度：650—700g/l，氯化物含量：1g/l； 电解终点氯酸钠含量：5g/l c.电解温度：45—55℃ d.电流强度：2000—5000A e.电解液酸度（PH值）：8—10 实验结果与讨论： 下表是采用一系列不同电流强度，即在不同电流密度条件下运行电解槽经多次测算得到的平均电流效率、槽电压、电压效率与电能效率值。 表-1 序号 1 2 3 4 5 6 7 电流强度（A） 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 电流密度i（A/m2) 521 651 781 911 1042 1172 1302 电流效率（%） 33.7 43.5 54.9 65.6 75.2 77.5 79.7 槽电压（V） 4.14 4.25 4.32 4.4 4.49 4.6 4.72 电压效率（%） 50.7 49.4 48.6 47.7 46.8 45.7 44.5 电能效率（%） 17.1 21.5 26.7 31.3 35.2 35.4 35.5 为了更为直观的显示表-1中各数据之间的关系，分别作出电流效率—电流密度关系图（图-1）、电压效率—电流密度关系图（图-2）、电能效率—电流密度关系图（图-3）以及外推出电能效率—电流密度总趋势图（图-4） 由表-1和图-1可见，随着电流密度的提高，电流效率首先呈现近似直线型增长，到达 一定值后趋于平缓，显示电合成高氯酸钠的电流效率随电流密度的增大而提高，曲线逐渐趋于平缓说明提高率的趋势是降低的，由于受到电解质传质速率的制约，可以预见当达到极限值后，电流密度将趋于恒定值，此时的电流效率达到最大值。 阳极过程的动力学解释 氯酸根的电解氧化反应是在较高的正电势（大于2.0伏）下进行的，由于氯酸根的标准理论氧化电势略低于同条件下的析氧电势（二者分别为1.20伏和1.23伏），因而一定条件下阳极存在氧的析出： 4OH-4e→2[O]+H2O→O2+H2O 这对电合成高氯酸钠的电解电流效率起到决定性的作用。图-5表征的是CLO3— 的转化速度和析氧速度随电流密度与阳极电位的变化。图中系列-1为CLO3— 转化的极化率，系列-2为析氧速度。文献中的数据表明，增大电流密度时，对于不同条件下的氯酸钠浓度，生成高氯酸钠的电流效率都相应提高，由图-5的极化曲线可以看出，由于CLO3—转化反应和析氧反应具有不同的极化率，当阳极极化增大时，生成CLO4—的速率（有效电流密度）比析氧反应速率增加得快，因此生成CLO4—电流效率将提高。 再结合电合成高氯酸钠可能的机理： MMO+CLO3— →MMO[CLO3](吸附）+e MMO[CLO3 ](吸附）+H2O→MMO+CLO4—+2H++e 随着电流密度的提高，CLO3—在阳极上的吸附增强，提高了析氧反应的过电位。 经济电流密度 虽然提高电流密度，使得电流效率得以提高，同时单位面积电极上合成的产品的量成比例增加，但是通过分析电压效率与电流效率的关系曲线（图-2）可见，在过程的其他工艺和结构参数不变时，提高电极电流密度，加剧过程的