Производство водорода электролизом воды
Производство глинозема
Основная задача подготовки алюминийсодержащих руд - выделение из них глинозема (оксида алюминия). С этой целью применяют различные способы.
Сущность производства глинозема заключается в отделении гидроокиси алюминия от других минералов. Это достигается применением ряда сложных технологических приемов:
- перевод глинозема в растворимую соль (алюминат натрия),
- отделение алюмината натрия от остальных компонентов руды,
- осаждение из растворов алюмината натрия гидроксида алюминия,
- кальцинация гидроксида алюминия.
Метод выделения глинозема из руды зависит от ее состава.
Процесс выделения глинозема состоит из следующих операций:
1) Дробление боксита и мокрый размол;
2) Выщелачивание оксида алюминия раствором гидроксида натрия с образованием нерастворимого гидратированного алюмината натрия:
Al2O3*nH2O + 2NaOH 2Na[Al(OH)4]
3) Отделение раствора алюмината натрия;
4) «Выкручивание» (постепенное охлаждение при непрерывном перемешивании в течение 60-90 часов) раствора алюмината натрия, приводящее к образованию гидроксида алюминия:
Na[Al(OH)4] Аl(OH)3 + NaOH
5) Кальцинация (обезвоживание) гидроксида алюминия при 1200 0С:
2Аl(OH)3 Al2O3 + 3H2O
Производство алюминия
Производство алюминия осуществляется из глинозема, растворенного в криолите («ледяной камень») Na3А1F6. Получают криолит из фторида кальция и гидроксида алюминия.
Криолит, как растворитель глинозема, удобен потому, что он:
- достаточно хорошо растворяет А12О3,
- не содержит более положительных, чем алюминий, ионов;
- достаточно электропроводен, но в то же время обеспечивает выделение тепла, необходимого для плавления электролита;
- дает с глиноземом сплавы, температура плавления которых много ниже температуры плавления глинозема (2050 0С).
Практически электролиз ведут при содержании в электролите около 10 % А12О3 при температуре 950-1000 0С.
Схематически процесс электролиза сводится к выделению на катоде расплавленного алюминия и сгоранию угольного анода за счет выделившегося на нем кислорода:
Катод: А1+3 + 3е А1о
Анод: 2О-2 - 4е О2
Выделяющийся кислород реагирует с угольным анодом с образованием оксидов углерода. Образующийся на катоде жидкий алюминий собирается на дне электролизера, выложенном угольными блоками (рисунок 27) и выводится из ванны с помощью вакуума через сифонное устройство.
Рисунок 27 - Электролизер для выплавки алюминия:
1 - корпус; 2- горелка для дожигания СО; 3 - стальные штыри;
4- анодный кожух; 5 - угольные блоки; 6 - катодный стержень
Анодом служит затвердевшая под действием повышенных температур масса из беззольного или пекового кокса, помещенная в анодный кожух 4. Кожух с помощью системы домкратов способен менять свое положение относительно расплавленного слоя металла, обеспечивая заданное расстояние между электродами. Выделяющиеся при электролизе газы (СО, СО2, НF) собираются в колоколе. Оксид углерода дожигается в горелке 2, превращаясь в диоксид, а фторсодержащие газы улавливаются и выводятся из системы.
Производство водорода электролизом воды
Производство водорода электролизом воды из-за значительного расхода электроэнергии пока не может конкурировать с другими способами получения, основанными на использовании нефти и природного газа. Однако с удорожанием источников углеводородного сырья и расширением сфер применения водорода, в особенности в качестве экологически чистого топлива, электролиз воды уже в недалеком будущем получит значительно большее распространение. Для питания водородных электролизеров предполагается использовать альтернативные виды энергии, и также избыточную энергию АЭС в периоды их неполной нагрузки (например, в ночные часы).
В настоящее время мировое производство водорода превышает 30 млн т в год. Более половины его расходуется при получении аммиака. Значительное количество водорода используется в органическом и нефтехимическом синтезе (синтез спиртов и углеводородов, гидрокрекинг, гидроочистка и другие процессы), в пищевой промышленности и металлургии (гидрирование жиров, восстановление металлов), в производстве минеральных и органических кислот, при сварочных работах и т. д.
В промышленности электролитическое разложение воды из-за ее низкой электропроводности обычно проводят в присутствии фоновых электролитов, в качестве которых могут быть использованы водные растворы кислот и щелочей. Растворы минеральных кислот имеют более высокую удельную электропроводность, однако, из-за своей агрессивности используются реже. Чаще всего применяют в качестве фонового электролита не корродирующие стальных электродов растворы щелочей (16-20 % NaOH или 20-30 % КОН) в свободной от примесей дистиллированной или обессоленной воде. В процессе электролиза протекают реакции:
Катод: 2Н2О + 2е Н2 + 2ОН-
Анод: 2ОН- - 2е 0,5О2 + Н2О
Н2О 0,5О2 + Н2
В качестве основного аппарата используются электролизеры с биполярными стальными электродами (рисунок 28). Только крайние электроды, на которые подается напряжение, работают монополярно. Остальные электроды, разделенные пористой диафрагмой, поляризуются: с одной стороны - катод, с другой - анод. Диафрагма препятствует смешению газов, образующихся на электродах, но допускает циркуляцию электролита между электродами и сепаратором.
Рисунок 28 -Схема биполярного электролизера для электролиза воды:
1 - монополярный электрод; 2 - биполярные электроды;
3- катод; 4 - диафрагма; 5 - анод
Образующиеся водород и кислород отводятся раздельно в коллекторы и собираются в газгольдерах либо закачиваются в баллоны. Полученные при электролизе газы отличаются достаточно высокой чистотой (99,5 % - по водороду).
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|