ОБҐРУНТУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ ЗАСТОСУВАННЯ ГАЗОДИФУЗІЙНОГО КАТОДУ В ЕЛЕКТРОХІМІЧНОМУ СИНТЕЗІ РОЗЧИНІВ ГІПОХЛОРИТІВ
DOI:
https://doi.org/10.20998/2079-0821.2020.02.02Ключові слова:
графітовий електрод, газодифузійний електрод, каталітичне покриття, активація, осадження, активні добавкиАнотація
Для удосконалення виробництва гіпохлориту натрію шляхом електролізу водного розчину хлориду натрію застосували газодифузійний електрод для реалізації деполяризації катодного процесу киснем повітря. У якості матеріалів для реалізації деполяризації катодного процесу на поруватому сітчастому струмопідводі були обрані: оксиди марганцю, оксиди кобальту, оксиди рутенію. Ці оксиди характеризуються низькою перенапругою в кисневій реакції. Оксиди обраних металів наносили на сітчастий струмопідвід методом термічного розкладу покривних розчинів. Газодифузійний електрод складався з футерованого титанового струмопідводу, диспергатора газу з поруватого графіту і зовнішнього сітчастого робочого елементу, на якому і відбувались катодні реакції. Одержання каталітично активного шару оксиднометалевих покриттів здійснювалось методом термічного розкладання покривних розчинів. Такий метод повністю відповідає вимогам, що пред’являються до малозношувальних оксиднометалевих електродів для електролізу водних розчинів хлориду натрію: можливість регулювання складу композиційного покриття в широкому діапазоні концентрацій компонентів. На вольт-амперних циклічних залежностях катодного процесу, для всіх досліджувальних матеріалів, спостерігаються визначені ділянки відновлення кисню та суміщеного відновлення кисню і виділення водню. Перша ділянка відновлення кисню спостерігається до рівноважних потенціалів водневої реакції (приблизно –0,42 В). Швидкість відновлення кисню є невелика і складає 3…5 мА/см2. Різниці в ході вольт-амперної залежності не спостерігається через високу швидкість розгортки потенціалу, яка не призводить до збіднення розчину за киснем у випадку роботи катоду без подачі повітря. На другій ділянці (при потенціалах, що є більш негативним за рівноважний потенціал водневої реакції) спостерігається значне зростання швидкості катодної реакції за рахунок виділення водню. Кисень, при цьому, відновлюється на граничній густині струму. На третій ділянці (більше за –1,5 В) швидкість катодного процесу практично повністю визначається швидкістю виділення водню. Вплив подачі повітря в газодифузійний катод спостерігається при порівнянні зворотнього ходу циклічних вольт-амперних залежностей. На поверхні сталевої сітки спостерігається зростання струму зворотного ходу в діапазоні потенціалів –1,0 до 0 В. Що вказує на збільшення адсорбованих часток, що приймають участь в катодному процесі. Як було показано раніше, цей діапазон потенціалів відповідає 1-й і 2-й ділянкам одержаних залежностей на яких відбуваються переважне відновлення кисню. Тому, зростання струму зворотного ходу, при потенціалах позитивніших за 1,0 В, можна пояснити впливом адсорбції кисню на поверхні газопроникнених сітчаних сталевих катодів при подачі повітря. Додавання гіпохлорит-іону практично не впливає на густину струму на першій і другій ділянках вольт-амперних залежностей. Спостерігається зниження катодної густини струму при потенціалах, що є більш негативними від рівноважного потенціалу водневої реакції. Це вказує на певне гальмування процесу виділення водню. На третій ділянці густина струму теж зменшується. Це вказує на те, що гіпохлорит-іони у кількості 0,08 моль дм3 не приймають участь у катодному відновленні. Рекомендованою густиною струму, для досліджуваної конструкції газодифузійного катоду, є 15 мА/см2 при температурі 291…293 К. Катодне відновлення гіпохлорит-іонів, за цих умов, знижується на 55…60 %.
Посилання
Kolyagin G. A., Kornienko G. V., Kornienko V. L. et al. Electrochemical reduction of oxygen to hydrogen peroxide in a gas-diffusion electrode based on mesoporous carbon. Russ J Appl Chem. 2017, vol. 90, pp. 1143–1147. DOI: 10.1134/S1070427217070187.
Rutkovska K. S., Tulsky G. G., Sіnkevich І. V., Artemenko V. M. Zastosuvannya gazodifuzіjnogo katodu v elektrohіmіchnomu sintezі gіpohloritu natrіyu. [Application of a gas diffusion cathode in electrochemical synthesis of sodium hypochlorite] Visnyk NTU “KhPI” Serіya: Hіmіya, hіmіchna tekhnologіya ta ekologіya [Bulletin of the National Technical University “KhPI”. Series: Chemistry, chemical technology and ecology], Kharkov, NTU “KhPI” Publ., 2018, no 39 (1271), pp. 23−26.
Bairachnyi B. I., Tulskaia A. G., Bairachnyi V. B. Kompozitcionnye gazodiffuzionnye anody dlia realizatcii sulfatnokislotnogo sposoba polucheniia vodoroda [Composite gas diffusion anodes for implementing the sulfate-acid method for producing hydrogen] Zhurnal prikladnoi khimii, 2013, vol. 86, pp. 1780–1785.
Tarasevych M. R., Kleimenov B. V., Mazyn P. V., Kuznetsova L. N. Optymyzatsyia hazodyffuzyonnoho katoda dlia shchelochnoho elektrolyta [Optimization of gas diffusion cathode for alkaline electrolyte] Electrochemical energy, 2008, vol. 8, no 3, pp.174–179.
Tarasevych M. R, Davydova E. S. Neplatynovye katodnye katalyzatory dlia toplyvnykh elementov so shchelochnym elektrolytom (obzor) [Non-platinum cathodic catalysts for alkaline electrolyte fuel cells (review)] Electrochemistry, 2016, vol. 52, no 3, pp. 1–30. doi: 10.7868/S0424857016030117.
Shtefan V. V., Epifanova A. S., Kobziev O. V., Metenkanych M. M, Voltamperometriia Osadzhennia Splavu Co–Mo [Voltamperometry precipitation alloy Co–Mo] Visnyk NTU “KhPI” Serіya: Hіmіya, hіmіchna tekhnologіya ta ekologіya [Bulletin of the National Technical University “KhPI”. Series: Chemistry, chemical technology and ecology], Kharkov, NTU “KhPI” Publ., 2018, no 39 (1315), pp. 80−83. doi: 10.20998/2079-0821.2018.39.16.
Bervickaya O. S., Polishchuk Y. V. Kompozicionnye pokrytiya nikel’ uglerodnyj material [Composite nickel coatings carbon material]. Promising Materials and Processes in Applied Electrochemistry: Monograph. Kyiv: KNUTD. 2016, pp. 122–126.
Shtefan V. V., Epifanova A. S., Koval’ova A. A., Bairachnyi B. I. Electrolytic deposition of highly hard coatings of a cobalt–molybdenum alloy // Materials science. 2017, vol. 53(1), pp. 47–54.
Atapin A. G., Nefedov V. G. Parameters of oxygen bubbles evolved during the electrolysis of solutions with different concentration of NaOH. Voprosy khimii i khimicheskoi tekhnologii. 2019, No. 5, pp. 14–21.
Nefedov V. G., Atapin A. G. Analysis of the conditions of the formation of gas bubble nuclei in the course of water electrolysis. Voprosy khimii i khimicheskoi tekhnologii. 2019, No. 4, pp. 120–126.
Nefedov V. G., Bondar D. V. Otsenka faktorov vlyiaiushchykh na anomalyy elektroprovodnosty tonkykh sloev zhydkosty u poverkhnosty vozdukh-elektrolyt [Assessment of factors affecting the anomalies in the electrical conductivity of thin layers of liquid at the air-electrolyte surface ] Voprosy khimii i khimicheskoi tekhnologii. 2007, No. 4, pp. 121–126.
Jung Y. J., Baek K. W., Oh B. S. An investigation of the formation of chlorate and perchlorate during electrolysis using Pt/Ti electrodes: the effects of pH and reactive oxygen species and the results of kinetic studies. Water Res. 2010, vol. 44, pp. 5345–5355.
