전기 분해 — 작용 원리, 목적 및 적용
전기분해 공정
전기분해는 비철 야금 및 여러 화학 산업에서 널리 퍼져 있습니다. 알루미늄, 아연, 마그네슘과 같은 금속은 주로 전기 분해에 의해 얻어진다. 또한 전기분해는 구리, 니켈, 납을 정제(정제)하고 수소, 산소, 염소 및 기타 여러 화학 물질을 생산하는 데 사용됩니다.
전기 분해의 본질은 직류가 전해조를 통과할 때 전해질에서 물질 입자를 분리하고 수조에 잠긴 전극에 증착(전기 추출)하거나 물질이 전해질을 통해 한 전극에서 다른 전극으로 이동할 때입니다. 전해 정제). 두 경우 모두 공정의 목표는 불순물로 오염되지 않은 가능한 가장 순수한 물질을 얻는 것입니다.
대조적으로 전자 전도성 전해질의 금속 (물과 다른 용매 및 용융 화합물의 염, 산 및 염기 용액), 이온 전도도가 관찰됩니다.
전해질은 2급 전도체입니다.이러한 용액과 용융물에서 전해 해리(양전하 및 음전하 이온의 분해)가 발생합니다.
전기 에너지 원에 연결된 전극을 전해질 (전해질)이있는 용기에 넣으면 이온 전류가 흐르기 시작하고 양전하 이온-양이온이 음극으로 이동합니다 (주로 금속과 수소입니다) ), 음전하 이온 - 음이온 (염소, 산소) -을 양극으로.
양극에서 음이온은 전하를 포기하고 전극에 정착하는 중성 입자가 됩니다. 음극에서 양이온은 전극에서 전자를 가져오고 중화되어 전극에 침전되며 거품 형태로 전극에서 방출되는 가스가 상승합니다.
쌀. 1. 전기 분해 과정. 전기 목욕 회로: 1 — 목욕, 2 — 전해질, 3 — 양극, 4 — 음극, 5 — 전원 공급 장치
외부 회로의 전류는 전자가 양극에서 음극으로 이동하는 것입니다(그림 1). 이 경우 용액은 고갈되며 전기분해 공정의 연속성을 유지하기 위해서는 농축되어야 합니다. 이것은 전해질에서 특정 물질이 추출되는 방식입니다(전기추출).
전극을 만든 동일한 물질의 이온이 포함된 용액에 전극을 넣으면 전극과 용액 사이의 특정 전위에서 전극이 용해되지도 않고 물질이 용액에서 증착되지도 않습니다.
이 전위를 물질의 정상 전위라고 합니다. 전극에 더 많은 음의 전위가 가해지면 물질의 방출(음극 공정)이 시작되지만 더 양성이면 용해가 시작됩니다(양극 공정).
정상 전위의 값은 이온 농도와 온도에 따라 다릅니다. 일반적으로 수소의 정상적인 잠재력을 0으로 간주하는 것이 허용됩니다. 표 1은 + 25 ° C에서 일부 물질 수용액의 정상적인 전극 전위를 보여줍니다.
표 1. + 25°C에서 정상 전극 전위
전해질에 다른 금속 이온이 포함되어 있으면 음의 정상 전위가 낮은 이온(구리, 은, 납, 니켈)이 먼저 음극에서 분리됩니다. 알칼리 토금속은 분리하기가 가장 어렵습니다. 또한 수용액에는 항상 음의 정상 전위를 가진 모든 금속보다 먼저 방출되는 수소 이온이 있으므로 후자의 전기 분해 중에 상당하거나 대부분의 에너지가 수소 방출에 소비됩니다. .
특별한 조치를 통해 특정 한계 내에서 수소 발생을 방지할 수 있지만 정상 전위가 1V 미만인 금속(예: 마그네슘, 알루미늄, 알칼리 토금속)은 전기 분해로 얻을 수 없습니다. 수용액. 이들은 이러한 금속의 용융염을 분해하여 얻습니다.
표에 표시된 물질의 정상적인 전극 전위.1은 전기 분해 공정이 시작되는 최소값이며 실제로는 공정 개발에 큰 전위가 필요합니다.
전기분해 동안 전극의 실제 전위와 정상 전위 사이의 차이를 과전압이라고 합니다. 전기 분해 중 에너지 손실을 증가시킵니다.
반면에 수소 이온의 과전압을 높이면 음극에서 방출하기 어려워 수용액에서 전기 분해하여 납, 주석, 니켈과 같이 수소보다 더 많은 금속을 얻을 수 있습니다. , 코발트, 크롬 및 심지어 아연. 이는 전극의 증가된 전류 밀도에서 프로세스를 수행하고 전해질에 특정 물질을 도입함으로써 달성됩니다.
전기 분해 중 음극 및 양극 반응 과정은 다음 두 가지 패러데이 법칙에 의해 결정됩니다.
1. 음극에서 전기분해하는 동안 방출되거나 양극에서 전해질로 전달되는 물질 md의 질량은 전해질 Azτ를 통해 전달되는 전기량에 비례합니다. me = α/τ, 여기서 a는 물질의 전기화학적 등가물입니다. , g/C.
2. 동일한 양의 전기로 전기 분해 중에 방출되는 물질의 질량은 물질 A의 원자 질량에 정비례하고 원자가 n에 반비례합니다. mNS = A / 96480n, 여기서 96480은 패러데이 수, C x mol -1 .
이런 식으로 물질의 전기화학적 당량 α= A / 96480n은 전해조를 통과하는 단위 전기량인 쿨롱(암페어-초)에 의해 방출되는 물질의 질량(그램)을 나타냅니다.
구리 A = 63.54, n =2, α =63.54/96480-2= 0.000329 g/C, 니켈 α =0.000304 g/C, 아연 α = 0.00034 g/C
패러데이의 법칙에 따라 방출되어야 하는 질량에 대한 실제로 방출된 물질의 질량 비율을 물질의 현재 수율(η1)이라고 합니다.
따라서 실제 프로세스의 경우 mNS = η1 NS (A / 96480n) NS It
당연히 항상 η1
전류 효율은 전극의 전류 밀도에 크게 의존합니다. 전극 전류 밀도가 증가함에 따라 전류 효율이 증가하고 공정 효율이 증가합니다.
전해조에 공급되는 전압 Uel은 항복 전압 Ep(양극 및 음극 반응의 전위차), 양극 및 음극 과전압의 합, 전해질의 전압 강하 Ep, 전해질의 전압 강하 Ue로 구성됩니다. = IRep(Rep — 전해 저항), 타이어, 접점, 전극의 전압 강하 Uc = I(Rw +Rto +RNS). Uel = Ep + Ep + Ue + Us를 얻습니다.
전기 분해 동안 소비되는 전력은 다음과 같습니다. Rel = IUmail = I(Ep + Ep + Ue + Uc)
이 힘 중 첫 번째 구성 요소만 반응을 수행하는 데 사용되며 나머지는 공정의 열 손실입니다. 용융염의 전기분해 동안에만 전해질 IUe에서 방출된 열의 일부가 전해조에 충전된 염을 녹이는 데 소비되기 때문에 유용하게 사용됩니다.
전기분해조의 효율성은 소비된 전기 1J당 방출되는 물질의 질량(그램)으로 추정할 수 있습니다.이 값을 물질의 에너지 수율이라고 합니다. qe = (αη1) /Uel100, 여기서 α — 물질의 전기화학적 등가물, g / C, η1 — 전류 출력, Uemail — 전해 전압 세포, V.