電解槽

　　
　　電解槽由槽體、陽極和陰極組成，多數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生氧化反應，在陰極與溶液界面處發生還原反應，以制取所需產品。對電解槽結構進行優化設計，合理選擇電極和隔膜材料，是提高電流效率、降低槽電壓、節省能耗的關鍵。
　　中文(Dian Jie Cao);英文(Electrolyzer)所謂電解槽就是電解質儲存槽。
電解槽材質種類:PP/PPN/FRP/CPVC/PVDF.
　　
　　主體結構
　　電極
　　陽極
　　陽極和陰極的作用不同，對材質要求也各異。
　　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生變化，但對在電極表面上所進行的陽極反應常具有催化作用。在化學工業中，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定性，工作壽命比石墨陽極長得多。例如在氯堿生產用的隔膜電解槽中，其壽命可達10年以上。由于它不易腐蝕，尺寸穩定，被稱為形穩性陽極。為適應不同要求和用途，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定性等。目前，貴金屬涂層的金屬陽極在化學工業中已得到普遍推廣。
　　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，陰極一般產生析氫反應，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。
　　為了提高產品質量，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，然后在專用的設備中，用水分解鈉汞齊制取高純度、高濃度堿液。另外，為了節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，按理論計算可降低槽電壓1.23V。
　　隔膜
　　為防止陰、陽兩極產物混合，避免可能發生的有害反應，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，并防止氫氧混合發生爆炸。更多見的比較復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物的相互擴散和作用，如氯堿生產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，如氯堿工業中長期使用的石棉隔膜。但石棉隔膜性能不穩定，當鹽水中含有鈣、鎂雜質時，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，在穩定性和機械強度方面都有很大改進。近年來氯堿生產開發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，電解槽的結構也有所不同。　
　　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。在氯酸鹽生產和水銀法生產氯氣和燒堿時，采用無隔膜電解槽。盡量增大單位體積內的電極表面積，可以提高電解槽的生產強度。因此，現代隔膜電解槽中的電極多為直立式。電解槽因內部部件材質、結構、安裝等不同表現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，并應盡量防止水分進入，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變為熱能來達到。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、陽極產物，同樣要求妥善隔開，而且應盡快由槽中引出，以免陰極產物金屬鈉長時間飄浮在電解液表面，會進一步與陽極產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品或電解有機物時,常伴隨有各種復雜的化學反應,使其應用受到限制，工業化的不多。一般采用的有機電解液，電導率低，反應速度也小。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構有較大的電極表面積，可提高電解槽生產能力。
　　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連接，電極兩面的極性相同，即同時為陽極或同時為陰極。復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。復極式一般采用壓濾機結構形式，比較緊湊。但易漏電和短路，槽結構和操作管理比單極式復雜。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。
　　現代電解槽的發展
　　
　　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構等。電解液在電解槽內的停留時間，不僅影響設備的生產能力，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，由于中間產物次氯酸(HClO)和次氯酸根離子(ClO3)間的化學反應速度非常緩慢，如長時間留在電解槽內，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，現代電解槽設計力求減小容積，使電解液沿著電極快速流過。如還需進一步進行反應，則可在電解槽外安裝獨立的化學反應器。
　　電解槽內電極以垂直安裝較緊湊，導電板連接容易，并利于降低氣泡效應。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，這種現象稱“氣泡效應”。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，使氣泡加速離開電極表面，減輕氣泡效應。當垂直電極用作氣體電極時，電極形狀以網狀為多，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，是應用最廣的。對于腐蝕性強的電解液，鋼槽內部用鉛、合成樹脂或橡膠等襯里。
　　目前電解槽正朝大容量、低能耗方向發展。復極式電解槽適于大型生產，先后為電解水和氯堿工業所采用。
　　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，但產品純度大，可直接生產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備，應安全可靠，所用器具應完好，原材料必須備齊，并經允許充分預熱。
　�。�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飛濺出傷人。
　　（3）裝爐時導桿，大母線必須磨光滑，以免導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，要平穩作業，防止腳踩入槽內發生燙傷，加堿前必須預熱，以免發生爆炸，使電解質分賤傷人。
　　（6）打撈碳渣時，別讓碳渣勺碰到陽極，以免產生花擊傷。
　�。�7）灌電解質時，應平衡作業，無關人員必須遠離溜槽，以免電解質飛濺發生燙傷事故，溜槽使用前必須充分預熱。
　�。�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，以防發生意外。
　�。�10）現場人員發現設備及操作位置有不安全情況時，必須立即報告現場指揮人員，排除險情后，方可繼續作業。
　�。�11）在培燒啟動過程中，如發現有滲電解質現象，不要緊張，用水管澆滲電解質處，只到堵住為止，方可撤水管，用水時，千萬不能讓水進入槽中，以免發生爆炸。
　�。�12）啟動時，如發現電解質外溢，不要緊張，先用擋板擋住，以防溢出的電解質沖毀陽極母線，再用冰晶石壘墻。
　　（13）啟動過程中如發現偏流，斷導桿現象應及時配合天車將出事陽極吊出，更換吊出極時，無關人員遠離現場，以免燙傷，裝新極時應充分預熱新極，以免發生其他事故。
　　電解生產過程中安全注意事項
　　（1）電解生產人員必須經過三極安全教育方可進入車間.準許作業
　�。�2）在電解廠房內使用鐵工具時，應注意磁場，以防發生意外
　�。�3）凡與電解質接觸的鐵制工具，必須經過預熱方可是用
　�。�4）禁止在車間內通道上坐.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.地面連通應急時清除
　�。�6）在電解槽上工作時，禁止把腳踏在電解質殼或陽極碳塊上，以免發生燙傷
　　（7）加入槽內的物料，必須確定干燥后方可加入
　�。�8）更換陽極時，如來效應立即停止作業，待處理熄滅后，在作業
　�。�9）打出鋁口.測水平時，應戴上眼鏡和口罩，以防電解質濺出燙傷
　�。�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，確認吊具掛住導桿，預防吊出時落下來發生事故
　　（13）吊陽極時，要眼明手快，把殘極上的塊扒下來，以防大塊落入槽內影響換極速度和質量
　　（14）殘極吊出其他無關人員要遠離殘極，以免發生燙傷事故
　�。�15）殘極放時，電解人員應正確指揮天車，確認放置穩后方可撤吊具
　　（16）鏟邊人員必須戴好面罩等勞保，方可作業，禁止站在槽沿板上直接作業
　　（17）撈塊人員要穩.準.快的把槽內的大小面殼塊撈出，撈時把握好力度和方向，以免發生燙傷
　�。�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，換極人員應躲開，將陽極烘干后方可下槽，以免濺出電解質傷人
　�。�20）清極前，要確認所清陽極是否放平穩，不平穩的不予清理
　�。�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，應看準.力度均勻，以免出現意外事故
　　（24）清理的碳環必須檢出.清理的面殼塊應放在指定地點，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）換完維護完將現場收拾干凈，鐵皮放到指定位置，不得亂放，影響現場管理
　　（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，應對所有當班換極的極檢查一遍，提高維護質量
停槽作業安全注意事項
　�。�1）確定停槽后，應及時準備停槽必須工具，接觸高溫熔體物具應事先預熱
　�。�2）吸出電解質.鋁液時，必須有專人負責降陽極，嚴禁陽極與電解質脫離，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，嚴禁陽極與電解質脫離，防止產生爆炸，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燒毀地溝的電纜.電線，防止著火事件發生，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，以免發生燙傷事故
　�。�10）停槽作業結束后，將所用工具，按要求放好.清理現場衛生，將所停槽與周圍全部檢查一遍，做好各項記錄。