2.2.1.2. Конструкции электродов

Электроды являются важнейшими элементами любой конструкции электролизера, определяющими эффективность процесса окисления или восстановления.

Электроды подразделяют по следующим признакам:

• по конструкции - плоские, сплошные, сетчатые, перфорированные, объемно-насыпные, неподвижные, вращающиеся, псевдоожиженные;

• по материалу - растворимые, нерастворимые, малоизнашиваемые;

• по пространственной ориентации относительно друг друга - вертикальные, горизонтальные, наклонные;

• по взаимному расположению в электролизере - параллельные, перпендикулярные, угловые;

• по соединению - монополярные, биполярные и комбинированные;

• по конфигурации - плоские, цилиндрические, сферические, игольчатые.

Катоды изготовляют из графита, стали, никеля, платины и других материалов, аноды - из платины, никеля, нержавеющей стали, а также из титана, покрытого оксидами металлов.

К конструкции электродов предъявляются следующие требования:

• обеспечение максимально надежного контакта двух или трех фаз исходного твердого или жидкого вещества, исходного газообразного вещества и электрода;

• обеспечение максимально высокой производительности электролизера, т. е. максимального количества продукта, получаемого с единицы площади, занимаемой электролизером;

• стабильность характеристик электрода в течение длительного периода его эксплуатации;

• надежный подвод тока, обеспечивающий равномерность его распределения по поверхности электрода; свободный отвод жидких и газообразных продуктов электролиза.

Конструкция электрода во многом определяется способом его включения в электрическую цепь.

При монополярном включении электродов все катоды присоединены к отрицательной, а все аноды к положительной шинам источника постоянного тока (рис. 2.3, а). В этом случае обе стороны электрода поляризованы либо катодно, либо анодно. Общее напряжение на таком электролизере равно напряжению между одной парой электродов, а общая сила тока равняется силе тока, проходящей через пару электродов, умноженной на число таких пар в электролизере.

При биполярном включении электродов постоянный ток подводится лишь к крайним электродам, которые являются монополярными (рис. 2.3, б). Остальные электроды, расположенные между крайними электродами, являются биполярными. Одна сторона таких электродов поляризована анодно, а другая катодно. В этом случае общее напряжение на электролизере равняется произведению напряжения между одной парой электродов и общим количеством пар, а общая сила тока, равняется силе тока, проходящей через пару электродов.

а	б

Рис. 2.3. Схема электролизера монополярного (а) и биполярного (б) типа

Плоские электроды выпускаются в виде плит или металлических листов (рис. 2.4). В некоторых случаях плоские электроды изготовляются из отдельных элементов, например, стержней (рис. 2.4, а, б). Для облегчения отвода газообразных продуктов электролиза электродные листы или плиты перфорируются (рис. 2.4, в, г). Перфорация может быть различной формы.

Рис. 2.4. Конструкция плоских электродов:

а - из круглых стержней; б - из четырехугольных стержней; в - из листа с просечной перфорацией; г - из листа с перфорацией круглыми отверстиями

Отверстия и просечки в перфорированных электродных листах и плитах могут быть круглыми, квадратными, щелевидными и т. д.

С целью повышения производительности электролизеров прибегают к развитию поверхности электродов. Один из приемов развития поверхности катодов представлен на рис. 2.5. Катод, изготовленный из плетеной сетки, натянут на металлический каркас и образует сложную рельефную поверхность в виде гребенки, между зубьями которой помещают аноды.

Рис. 2.5. Конструкция гребенчатых катодов:

а - двухрядная; б - двухрядная со сдвинутыми пальцами; в - четырехрядная;

г – однорядная

В последнее время уделяется большое внимание повышению эффективности процесса электролиза за счет увеличения электродных плотностей тока. В процессах, скорость которых контролируется доставкой вещества к поверхности электрода, существенное значение имеет перемешивание сточной воды, подвергаемой электролизу. Известны различные способы создания в электролизере турбулентного режима, обеспечивающего высокую скорость подачи сточной воды и удаления продуктов электролиза с поверхности электрода.

Уменьшение диффузионных ограничений скорости электрохимической реакции дает возможность повысить электродную плотность тока, а следовательно, и производительность электролизера.

Можно выделить два пути интенсификации процесса электролиза за счет перемешивания сточной воды: создание электролизеров с вращающимися электродами и проведение процесса при интенсивной прокачке сточной воды через электролизер.

Схема электролизера с вращающимися (1800 об/мин) цилиндрическими катодами и анодами представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Схема электролизера с вращающимися электродами:

1 - корпус; 2 - диафрагма; 3 - анод; 4 - вращающийся электрод; 5 - подача сточной воды; 6 -отвод очищенной воды

Использование вращающихся электродов позволяет проводить электролиз как гомогенных сточных вод, так и эмульсий или суспензий исходного вещества. При скоростях вращения электрода 2-2,5 м/с поток сточной воды переходит в турбулентный режим.

Благодаря скорости массопередачи обеспечивается быстрое удаление продуктов реакции из приэлектродного слоя, что снижает вероятность нежелательных более глубоких электрохимических превращений конечных продуктов.

Значительной интенсивности процесса можно достигнуть при использовании электролизеров с псевдоожиженными электродами. Псевдоожиженный электрод состоит из токопроводящих частиц (металлических или неметаллических шариков, гранул, покрытых токопроводящим материалом), которые поддерживаются во взвешенном состоянии потоком сточной воды.

Схема электролизера с псевдоожиженным электродом приведена на рис. 2.7. Поток сточной воды, подвергаемой электролизу, направлен снизу вверх и разбивается с помощью пористого распределителя 1 на отдельные потоки, поступающие в электролизер 2. Частицы находятся в сточной воде во взвешенном состоянии между концевыми токоподводящими электродами 3 и 4, образуя псевдоожиженный электрод 5. Сторона частицы, обращенная к отрицательному электроду, является анодом, а сторона, обращенная к положительному электроду, - катодом.

Производительность электролизера с псевдоожиженным электродом может превышать производительность такого же электролизера с плоско-параллельными электродами в 25 раз.

Рис. 2.7. Схема электролизера с псевдоожиженным электродом:

1 — пористый распределитель потока раствора; 2 -электролизер; 3, 4 —токопроводящие электроды; 5 – псевдоожиженный слой частиц

Стремление приблизить производительность электролизера к производительности химического реактора, в котором процесс протекает во всем объеме сточной воды, привело к созданию конструкций электролизеров с насыпными или кусковыми электродами (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Схема электролизера с графитовым насыпным анодом:

1 - графитовая разделяющая плита; 2 -катодные выступы; 3 -насыпной кусковой анод; 4 - канал для отвода газа; 5 -рама; 6 -канал для подвода сточной воды; 7 -канал для отвода сточной воды

В качестве материала загрузки может использоваться железо, алюминий, графит, свинец, ферромарганец, магнетит с размерами кусков от 1,5 до 10 см.

Конструкция электрода типа «Swiss-roll» представляет собой свернутый на металлическом стержне в длинный рулон «сэндвич» из двух электродов (анод и катод) и диафрагмы из неэлектропроводного материала между ними (рис. 2.9). Диафрагмой 4 служит пористый материал, например, полипропиленовая ткань или сетка. Она нужна для того, чтобы исключить электрический контакт между анодом и катодом и создать некоторое пространство для электролита (сточной воды). Рулон, состоящий из двух электродов и диафрагмы, помещается в электролизер.

Рис. 2.9. Конструкция электрода типа «Swiss-roll»:

1 - стержень; 2 - катод; 3 - анод; 4 -диафрагма

Электрический ток подводится к катоду 2 через корпус электролизера, а к аноду 3 через центральный металлический стержень 1. Движение воды осуществляется в направлении, параллельном центральному стержню.

Электролизеры типа «Swiss-roll» имеют следующие достоинства: относительно большая удельная поверхность электродов, возможность использования дешевых материалов для их изготовления, компактность и простота конструкции, высокая производительность благодаря использованию больших скоростей массопереноса, однородность распределения потенциала по поверхности электродов, достижение высоких выходов по току.

В различных отраслях народного хозяйства страны (в первую очередь, в машиностроении, приборостроении, авиастроении) широко применяется технология нанесения гальванических покрытий. Гальваническое производство является одним из крупных потребителей цветных металлов и достаточно дорогих химикатов. Оно расходует не менее 25% олова, 15% никеля, 50% кадмия, производимых в нашей стране. Общая поверхность изделий с гальваническим покрытием на 2000 г. составила около 2 млрд м² в год, расход кислот и щелочей для этих покрытий составляет десятки тысяч тонн.

При химических покрытиях и подготовительных операциях потери химикатов с промывными водами иногда в десятки раз превышают их расход на обработку поверхности. Ежегодно при промывке изделий после гальванических и химических покрытий из рабочих ванн выносится не менее 3300 т цинка, 2400 т никеля, 500 т хрома, десятки тысяч тонн кислот и щелочей.

Для промывки изделий после гальванических покрытий ежегодно расходуется не менее 650 м³ воды. Расход воды на промывку после подготовительных операций в 3-7 раз превышает расход воды на промывку после гальванических покрытий, т. е. на производство гальванических покрытий ежегодно используется более 3200 м³ воды.

Источниками загрязнения окружающей среды в гальванотехнике являются не только промывные воды, но и отработанные концентрированные растворы. Сбросы отработанных растворов по объему составляют 0,2-0,3% общего количества сточных вод, а по общему содержанию сбрасываемых загрязнений достигают 70%. Залповый характер таких сбросов нарушает режим работы очистных сооружений, приводит к безвозвратным потерям ценных материалов.

Соединения металлов в сточных водах гальванического производства весьма вредно влияют на экосистему водоем - почва - растение - животный мир - человек. Например, соединения кадмия даже в очень малых концентрациях оказывают резко выраженное токсическое действие на рыб и другие водные организмы. Соединения меди также достаточно вредны для водной среды, при концентрации более 4 мкг/л оказывают токсичное действие и тормозят развитие многих водных организмов. Весьма вредны соединения шестивалентного хрома. При концентрации в воде более 0,1 мкг/л хром начинает накапливаются в организме рыб, а при концентрации более 10 мкг/л оказывает токсичное действие на микрофлору водоемов. Кадмий, медь, цинк, никель, хром и олово аккумулируются в водных организмах до весьма высокого уровня. Концентрация тяжелых металлов во многих водных бассейнах нашей страны уже достигла таких значений, когда они начинают отрицательно влиять на флору и фауну водоемов.

При поливе из водоемов цветные металлы выносятся на поля и концентрируются в верхнем наиболее плодородном гумусосодержащем слое почвы.