2012能源管理师培训课件(电气-下) 第12章――电化学节能技术

第十二章电化学节能技术§12.1电化学简介一、概述电化学是研究化学能与电能相互转化以及与这个过程有关的规律学科。电化学多讨论的是在消耗电能情况下进行的反应，或通过反应产生电能，这种化学反应称为电化学反应。电化学反应的特点是：发生反应时氧化剂与还原剂并不直接接触，它们之间电子的转移是通过金属导体来实现的。电子通过导体的流动就是电流，因此电化学这一术语严格地应用于那些与电流相联系而发生的化学反应。电化学反应的特点是:发生反应时氧化剂与还原剂并不直接接触，它们之间电子的转移是通过金属导体来实现的。电子通过导体的流动就是电流，因此电化学这一术语严格地应用于那些与电流相联系而发生的化学反应。电化学反应可分成两类:产生电流的反应(发生在电池里的过程)和借助电流而发生的反应(电解)。第一类反应是自发的，通过电化学反应使化学能变为电能，进而产生电流的装置称为化学电池或原电池(体系做功)。第二类反应必须依靠外界能量(电能)强迫使之发生(对体系做功)，由外加电能引起化学反应，将电能转化为化学能的这种装置称为电解池，它是一种消耗电能的装置，而且电能消耗非常大，研究其节能的规律与方法有重要的现实意义。二、主要应用随着电化学科学的不断发展，电化学理论与电化学方法也广泛应用于工业生产的多个领域，形成了应用电化学的多个工业领域。如化工、冶金、金属材料的加工等。（一）原电池原电池是将化学能转变成电能的装置。它是利用两个电极之间金属性的不同，产生电势差，从而使电子流动产生电流，又称非蓄电池。其电化学反应不能逆转，即是只能将化学能转换为电能，简单说就是不能重新储存电力，与蓄电池相对。所以，根据定义，普通的干电池、燃料电池都可以称为原电池。两种活泼性不同的金属电极用导线连接后插入电解质溶液中，形成闭合回路就组成了原电池。原电池是将一个能自发进行的氧化还原反应的氧化反应和还原反应分别在原电池的负极和正极上发生，从而在外电路上产生电流。（二）电解1.定义直流电通过电解液(电解质的溶液或熔融液)而在电极上发生氧化还原反应的化学变化叫做电解。借助于电流引起化学变化的装置，也就是将电能转变为化学能的装置，叫做电解槽(或电解池)。电解槽中和直流电源的负极相连接的极叫做阴极，和电源的正极相连接的极叫做阳极。电子从阴极进入电解槽，从阳极离开回到电源。在电解槽内由离子导电，并无电子流过。在阴极上电子过剩，在阳极上电子缺少。因此，电解槽中的正离子移向阴极，在阴极上和电子结合进行还原反应而放电;负离子移向阳极，在阳极上给出电子进行氧化反应而放电(在电解中，得失电子的过程都叫做放电)。这样，就发生了电解现象。电解是人们掌握的最强有力的氧化还原方法。2.电解的应用（1）电镀。（2）电解加工。电解加工是一种利用阳极溶解的电化学反应时对金属材料进行成型加工的方法。（3）电解磨削，是电解作用与机械磨削相结合的加工过程。（4）电化学抛光，直接应用阳极溶解的电化学反应对机械加工后的零件进行再加工，以提高工件表面的光洁度（5）电铸，是一种利用阴极金属沉积的原理加工零件的方法。（6）电泳涂漆法。§12.2电化学基础知识一、电解质溶液（一）定义电化学过程中，电流导电需要导体。导体通常分为两类:一是电子导体，靠自由电子定向流动导电，如大多数金属，石墨等;二是离子导体，靠正负离子的电迁移导电。在水或其他溶液中，某些物质，如HCl，H2S04,NaOH,NH4OH,NaCl,NaNO3,NaCO3等，会分解成为带正电荷的阳离子和带负电荷的阴离子，这种现象叫做电离。能够电离的物质称为电解质。含有电解质的溶液称为电解质溶液。某些电解质处于熔融状态。在电解质溶液中，阳离子带正电荷，阴离子带负电荷，它们的总数是相等的。而且正负离子在溶液中均匀分布，因此，溶液本身是电中性的。将两块电极插入电解液中，与直流电源接通。接直流电源正极的电极称为阳极，接负极的称为阴极。接通直流电源后，在电场作用下，阳离子向阴极迁移，阴极表面得到了电子而发生还原反应；阴离子向阳极迁移，阳极表面失去电子而发生氧化反应。正负离子在迁移的过程中完成了导电。（二）电解质溶液的基本性质1.电解质溶液离子的电迁移如果离子是在外电场力作用下发生的定向移动，称为电迁移。离子的电迁移不但是物质的迁移，而且也是电荷的迁移，所以离子的电迁移可以在溶液中形成电流。由于正负离子沿着相反的方向迁移，所以它们的导电效果是相同的，也就是说正负离子沿着同一方向导电。离子的电迁移速率除了与离子的本性（离子半径，所带电荷），溶液的浓度、黏度及温度等有关外，还与电场的电势梯度有关。在其他条件一定时，离子电迁移的速率与电势梯度成正比。2.电解质溶液的导电过程电解质溶液的导电过程，必须既有电解质溶液中离子的定向迁移过程，又有电极上物质发生化学反应的过程，即在电场作用下，阳离子向阴极迁移，阴极表面得到了电子而发生还原反应；阴离子向阳极迁移，阳极表面失去电子而发生氧化反应，两者缺一不可，否则就不可能形成持续的电流。3.电解液的活度及活度系数活度即某物质的“有效浓度”，或称为物质的“有效摩尔分数”。二、法拉第定律在电解质导电的过程中，外加一定的电量，在两个电极上就会消耗或析出一定量的物质。消耗或析出物质的数量与外加电量成正比，这种数量关系符合法拉第定律。即当两个电极之间有96485C电量（相当于1mol电子的电量）通过不同的电解质溶液时，会有1mol的电解产物生成。为了使用方便，电化学中将96485C电量定义为一个电量单位，称为一个法拉第。即1F=96485C=26.8Ah。1F电量通过电极时得到的反应物虽然都是1mol,但反应物不同，重量不同。因此将单位电量通过电极时所形成反应物的质量称为电化学当量。三、电流效率法拉第定律是从大量的实践中总结出来的，是自然界最严格的定律之一(对原电池也同样适用)。该定律不受温度、压力、电解质溶液的组成和浓度、电极的材料和形状等任何因素的影响，在水溶液中、非水溶液中或熔融盐中均可使用。但是，在电化学生产中，却往往会出现看起来不符合法拉第定律的现象，例如镀锌时，通过的电量是1F，但得到的镀锌层的量却不到1mol。这是因为在锌反应的同时，还发生有其他反应，产生了氢，两种反应物加起来的和仍为1mol。但在这里我们需要的是镀锌，而不需要氢。得到的所需产物镀锌层的量比根据电量消耗按法拉第定律计算出来的镀锌层的量要少，为了便于说明这个问题，提出了电流效率的概念。（一）电流效率的定义电流效率的定义可以从以下两个方面来表述：1.对于一定的电量，实际获得所需产物质量与根据法拉第定律计算应得所需产物质量的比值，通常以%表示。2.对于一定量的物质，根据法拉第定律计算所需的电量与实际消耗的电量的比值，通常以%表示。（二）影响电流效率的因素1.电极上有副反应，消耗了部分电量。2.所需的产物因一部分发生次级反应（如分解、氧化、与电极物质或溶液中的物质反应等）而被消耗掉。因此，要提高电流效率，就需要采取措施，促使主反应，抑制副反应的进行。四、电解质溶液的导电能力不同的导体具有不同的导电能力。同样，不同的电解质溶液也有不同的导电能力。电解质溶液的导电能力与离子浓度、离子运动速度以及电解质溶液的温度有关。溶液中离子数量多、电场力强、溶液豁度小，则导电能力强;溶液温度升高使得溶液年黏稠度下降，离子运动阻力减小，也会提高溶液的导电能力。由于离子的质量远大于电子质量，使得离子的运动速度远小于电子运动速度，所以，电解质溶液的导电能力远小于金属的导电能力。我们习惯上用电导和电导率来表示溶液的导电能力。这是因为电解质溶液中一般都有几种离子同时参与导电，可以看成是由几条导电支路并联而成，因此，使用电导和电导率更为便。（一）电导的定义电解液导电能力成为电导（L），是其电阻（R）的倒数：SLS指电解液的导电截面积，单位为平方米；^表示电解液的长度，指电导率或电导。（二）影响电解液的电导率的因素（1）电解质的本性。（2）电解液的浓度。（3）电解液的温度。（4）电解液的充气率。（三）电导的特性了解电导的特性对于生产及科学研究中，合理地选用电化学装置中的电解质是有帮助的。同温同浓度下强酸和强碱因能解离出H+和OH-，电导率最大，盐类次之，弱电解质因为在溶液中不完全解离，电导率最小。强电解质的电导率随浓度的变化都是先增大，越过极值后又减小，这是因为浓度增大时参与导电的离子数目增多，使导电能力增强，随着浓度的增大，离子间的相互作用逐渐增强，反而又使导电能力减弱。弱电解质的电导率随浓度的变化不明显，是因为浓度增大时，虽然电解质分子数增加了，但解离度却随之减小，溶液中离子数目变化并不大。五、电极电位六、电极极化七、金属的阴极过程和阳极过程§12.3电化学工业的主要节能技术一、合理选择和设计电解槽电化学工业中，发生电解的电化学装置称为电解槽。不同电化学行业中使用不同的电解槽。合理选择和设计电解槽对电化学工业的节能意义重大。（一）离子膜电解槽目前，在氯碱工业中，主要采用三种电解方法:隔膜法电解、水银法电解和离子膜法电解，相应有毛种电解槽。离子膜法电解是近三十年来发展起来的新工艺，虽然单槽产率较低，们碱的浓度和纯度都比较高，而且，耗电量最小。随着离子膜性能的不断改进，今后，离子膜法电解将会在提高生产率，降低能耗方面发挥更大的作用。1.离子膜电解基本概念2.离子膜电解法的特点（1）离子膜电解综合能耗低，比隔膜电解吨产品综合能耗低40%左右，具有明显的节能效果；（2）离子膜成品碱中氯化钠含量大大低于隔膜碱，烧碱纯度50%的氢氧化钠碱液，含氯化钠50~60ppm;（3）无水银或石棉污染环境的问题；（4）操作、控制都比较容易；（5）使用符合变化的能力较大；（6）要求用高质量的盐水；（7）离子膜的价格比较昂贵。3.离子膜电解节能效果4.离子膜电解技术的发展（二）预焙电解槽1.预焙阳极电解槽2.预焙铝电解槽电流强化与高效节能技术3.铝电解槽新型阴极及焙烧启动与控制技术（三）电镀槽二、改进生产工艺在电化学生产过程中，许多因素影响反应过程的速度和质量。比如电解液中各种成分的比例，电解液的温度，添加剂的多少以及两个电极的极距、阴极沉淀物的多少等。（一）溶液的控制（二）温度控制（三）以低毒、无毒工艺代替毒性较强的工艺（四）采用电流效率高的工艺三、改进电极电极是电解槽必不可少的组成部分。工作时，电极一方面将直流电压加到电解槽上，通过大电流。另一方面阳极和阴极往往也参与整个反应过程。因此，电极性能的好坏对电化学过程有举足轻重的影响。（一）改进阳极（二）阴极的改进（三）惰性阳极的开发四、使用添加剂电化学工业中的电解液往往是由多种成分组成，除了主要的电解液成分外，还有各种添加剂。添加剂对于加速电化学反应过程，提高反应质量和效率，有着明显的作用。五、采用高效电流整流电源高频脉冲电镀电源是一项在我国被列为重点推广的新技术。它与直流电镀比较，可使电镀层更加均匀，致密性好，光洁度高，增强了被镀件的耐磨性。还可提高生产效率，缩短受镀时间30%~50%，节电效果明显，同时可节约原材料10%~25%，对贵金属电镀具有重大的经济意义。六、降低电解、电镀设备直流网络的压降损耗工业电解槽通过的电流一般很大，降低直流大电流回路的线路损耗具有很大意义。在安装电力整流设备时，应使整流电源的位置尽量靠近电解槽，缩短供电路径。降低供电线路的电阻，减少供电损耗。直流大回路包括铜或铝的母线排、导体的连接处以及电极等。在设计电解槽的时候，应充分考虑电解槽的排放位置及方向，尽量缩短母线排的长度。适当加大母线排的截面积，以减小母线排电阻。还应尽量减少母线排的接头数量，连接处以焊接代替螺钉连接，还可以涂上导电膏，以减小接触电阻。母线发热会增大电阻，加大电耗。因此，应注意保持母线清洁，适当通风，使其易于散热。七、及时检测电解电镀设备的运行状况八、加强电解槽的保温及余热回收（一）加强电解槽的保温（二）余热回收九、采用计算机控制技术