Спосіб електролізу

Спосіб електролізу, який полягає в тому, що розміщений в електроліті провідник з електронною провідністю при підведенні до нього електричної енергії від протилежних полюсів джерела напруги утворює електродну систему, через яку тече електричний струм по провіднику - електронний, а по електроліту - іонний, причому струм у електродній системі неможливий без наявності іонної складової струму, і електродні процеси відбуваються на поверхні провідника з електронною провідністю, що контактує з електролітом, який відрізняється тим, що за допомогою розміщеного в електроліті як провідника з електронною провідністю і підключеного кінцями до полюсів джерела напруги протяжного елемента, наприклад протяжного металевого опору, уздовж електронного струму, який виникає і безперервно тече по протяжному елементу при підведенні електричної енергії від джерела напруги, на межі протяжний елемент - електроліт отримують електродну систему, в якій електрохімічні потенціали розподілені уздовж протяжного елемента на межі протяжний елемент - електроліт, і електродноактивними є лише ті відрізки протяжного елемента, що розташовані з обох сторін відрізка протяжного елемента, різниця потенціалів U між кінцями якого відповідає умові Ер > U, де Ер - найменша напруга розкладання електродної системи, причому електричний струм тече по протяжному елементу незалежно від наявності іонного струму, який виникає в електроліті між електродноактивними відрізками електродної системи Винахід відноситься до області хімії, а саме до способів реалізації електрохімічних процесів, що включають електролітичні способи одержання неорганічних і органічних сполук, металевих і неметалічних покрить, розмірну обробку, електросинтез Відомо, ЩО взаємне перетворення хімічної й електричної форм енергії відбувається в електрохімічних системах, що містять наступні складові частини електроліт, що є іонним провідником електрики, два електронопровідних тіла, що контактують з електролітом і називаються електродами, металевий провідник, що з'єднує електроди і джерело струму У будь-якій електрохімічній системі, що працює як електролізер, поверхня електрода, де відбуваються електрохімічні перетворення, практично еквіпотенціальна, тобто в кожен даний момент часу електрод має один певний потенціал На такому електроді відбуваються окислювальновідновні перетворення речовин, для яких відповідна енергія активації досягається цим потенціалом При цьому частина електрод ноакти в них речовин, що містяться в електрохімічній системі, реагує в умовах істотного перевищення оптимального потенціалу, що ускладнює процес, інша частина речовин не вступає в реакцію, оскільки необхідний потенціал не досягнутий Будь-який ХІМІЧНИЙ процес вимагає виконання комплексу умов, що забезпечують оптимальний режим його протікання Для електрохімічного процесу найголовнішим у цьому комплексі умов є потенціал При великій КІЛЬКОСТІ електродноактивних компонентів, що містяться в електроліті, а також при досить низьких концентраціях деяких з них, що мають у той же час вирішальне значення для одержання цільового продукту, значимість впливу на процесі електродного потенціалу зростає в ще більшому ступені У таких умовах дуже важко підбирати і підтримувати оптимальне значення потенціалу, від якого безпосередньо залежить ефективність електролізу і якість одержуваного матеріалу (О 61417 Відомий описаний у [1] спосіб електролізу, що полягає в приведенні в контакт з електролітом двох тіл з електронною провідністю, з'єднанні їх з металевим провідником для підведення електричної енергії і проходження струму в зовнішньому ланцюзі Кожне з тіл з електронною провідністю, занурене в ємність з електролітом, підключене до одного з полюсів джерела напруги Поверхня такого електрода практично еквіпотенціальна, тобто характеризується одним значенням потенціалу На цій поверхні можуть протікати тільки ті електрохімічні реакції, енергія активації яких забезпечується потенціалом електрода Вплив потенціалу електрода на електрохімічну реакцію визначається різницею між потенціалом електрода, що задається джерелом напруги, і оборотним потенціалом електрода, окисленою або відновленою формою якого є розглянутий електродноактивний компонент При даному фіксованому значенні потенціалу ця різниця може бути досить далека від оптимальної Недолік аналога - обмежена можливість створення оптимального режиму електрохімічних процесів при їх паралельному протіканні в системі, а також при складній динаміці зміни оборотних потенціалів у процесі електролізу з нерозчинним анодом За прототип прийнятий спосіб електролізу з біполярним електродом [2], який включає електрод з електронною провідністю твердої фази, що розміщений в електроліті До цього електроду через електроліт від протилежних полюсів джерела напруги підводиться електрична енергія При прикладанні напруги по твердій фазі тече електронний струм, а по електроліту-юнний Електрична енергія підводиться так, що межа електронний провідник - електроліт з однієї сторони біполярного електроду має більш позитивний потенціал (анод), чим аналогічна межа з іншої його сторони (катод) Таким чином, на тому самому провіднику реалізуються як анодний, так і катодний процеси Це досягається тим, що енергія до кожної з двох сторін біполярного електрода підводиться через дві зони електролітичного контакту, які розділені цим самим провідником Ці зони, у свою чергу, містять по одному монополярному електродові, кожний з яких підключений до джерела напруги Монополярний електрод і поверхня біполярного електрода, яка знаходиться з ним в електролітичному контакті утворюють електродну систему Недоліком прототипу є те, що при даному способі електролізу кожна з двох сторін біполярного електрода має практично той самий потенціал, що дозволяє досягати оптимальних умов електролізу з нерозчинним анодом тільки для певного електрод неактивного компонента у певний період електродної реакції за його участю Всі ІНШІ електродноактивні компоненти, які містяться в системі, або беруть участь у реакції при не оптимальних умовах, або зовсім не реагують на електроді, оскільки не досягається необхідний потенціал До того ж у таких умовах дуже важко підібрати оптимальний режим електролізу при незначних концентраціях електрод ноактивних компонентів в електроліті Задачею даного винаходу є розробка способу електролізу, що забезпечує розширення функціональних можливостей електрохімічних процесів за рахунок створення умов для формування електродних поверхонь з розподіленими електрохімічними потенціалами Поставлена задача вирішується таким чином У відомому способі електролізу, який полягає в тому, що розміщений в електроліті провідник з електронною провідністю при підведенні до нього електричної енергії від протилежних полюсів джерела напруги утворює електродну систему, через яку тече електричний струм по провіднику - електронний, а по електроліту - іонний, причому струм у електродній системі неможливий без наявності іонної складової струму, і електродні процеси відбуваються на поверхні провідника з електронною провідністю, що контактує з електролітом, ВІДПОВІДНО винаходу за допомогою розміщеного в електроліті в якості провідника з електронною провідністю і підключеного кінцями до полюсів джерела напруги протяжного елемента, наприклад, протяжного металевого опору, уздовж електронного струму, який виникає і безперервно тече по протяжному елементі одразу при підведенні електричної енергії від джерела напруги, на межі протяжний елемент-електроліт отримують електродну систему, в якій електрохімічні потенціали розподілені уздовж протяжного елемента на межі протяжний елемент-електроліт, і електродноактивними є лише ті відрізки протяжного елемента, що розташовані з обох сторін відрізка протяжного елемента, різниця потенціалів U між кінцями якого відповідає умові Ер > U, де Ер - найменша напруга розкладання електродної системи, причому електричний струм тече по протяжному елементі незалежно від наявності іонного струму, який виникає в електроліті між електрод неактивними відрізками електродної системи Функціональне призначення сукупності ознак, що заявляються та дозволяють реалізувати спосіб електролізу з розподіленими електрохімічними потенціалами, визначається шляхом аналізу призначення елементів електрохімічних систем і умов реалізації електродних процесів у цих системах Протяжна конфігурація провідника з електронною провідністю необхідна для локалізації розподілених електрохімічних потенціалів Безпосереднє підключення КІНЦІВ протяжного елемента, наприклад, металевого опору, до полюсів джерела напруги дозволяє одержати розподілений уздовж протяжного елемента електричний потенціал Якщо в границях зануреної в електроліт частки протяжного елемента, наприклад, металевого опору, різниця електричних потенціалів перевищує напругу розкладання електродної системи, що утворюється при контакті провідника з електронною провідністю з електролітом на межі протяжний елемент-електроліт, то з обох сторін протяжного елемента формуються електрохімічні потенціали, що відповідають електродним процесам Аналіз показує, що для протікання електродних реакцій у будь-якій електрохімічній системі необхідно і достатньо виконання двох умов наявність у робочому об'ємі різниці потенціалів, що перевищує напругу 61417 розкладання та визначається як різниця оборотних термодинамічних потенціалів електродів, які поляризуються при протіканні спрямованих електродних реакцій, наявність електролітичного контакту між електродами Спосіб електролізу, що заявляється, був реалізований у процесі пошуку можливої зони локалізації розподіленого електрохімічного потенціалу при виконанні двох вищевказаних умов Оскільки переважна більшість електрохімічних реакцій протікає на межі електронний провідникелектроліт, була створена така межа шляхом занурення в електроліт протяжного елемента в якості провідника з електронною провідністю Зона локалізації розподіленого електрохімічного потенціалу була забезпечена протяжною конфігурацією зануреного в електроліт елемента Різниця потенціалів, що перевищує напругу розкладання створеної електродної системи, була отримана на поверхні протяжного елемента шляхом безпосереднього підключення його КІНЦІВ до полюсів джерела напруги Через те, що протяжний елемент занурений в електроліт, має місце електролітичний контакт між будь-якими ділянками його поверхні У такий спосіб забезпечується принципове рішення поставленої задачі Деякі особливості електрохімічних перетворень, реалізованих ВІДПОВІДНО до способу, що заявляється, обумовлені насамперед тим, що напруга на кінцях протяжного елемента повинна бути вище, ніж напруга розкладання Якщо від джерела напруги до КІНЦІВ зануреного в електроліт протяжного елемента прикласти навантаження, що перевищує напругу розкладання, то на межі протяжний елемент-електроліт уздовж напрямку електронного струму з обох прилягаючих до полюсів сторін елемента отримуємо ЛІНІЙНО розподілені потенціали Обоє з раніше названих умов електролізу виконуються на протяжному елементі, зануреному в електроліт, при визначеній величині струму досягається падіння напруги, що перевищує напругу розкладання, крім того, між зонами електрохімічних реакцій має місце електролітичний контакт Це обумовлює іонний струм в електроліті й електродні реакції, швидкість яких змінюється пропорційно величині відхилення потенціалу ВІДПОВІДНОГО електрода від його рівноважного значення Якщо напруга між крайніми точками зануреного в електроліт протяжного елемента уздовж напрямку електронного струму U і напруга розк ладання електродної системи Ер СПІВВІДНОСЯТЬСЯ як U U, де Ер - найменша напруга розкладання електродної системи, причому електронний струм тече по протяжному елементі незалежно від наявності іонного струму, який виникає в електроліті між електродноактивними відрізками електродної системи При цьому з обох прилягаючих до полюсів джерела напруги сторін, що знаходяться в електролітичному контакті, отримуємо розподілені електрохімічні потенціали, які забезпечують електродні процеси на межі протяжний елементелектроліт і іонний струм в електроліті Використання винаходу, що пропонується, дозволяє в оптимальному режимі здійснювати паралельне протікання електрохімічних процесів за участю декількох електродноактивних компонентів і забезпечувати необхідний розподіл швидкостей електрохімічних реакцій уздовж поверхні електрода Література 1 Антропов Л І Теоретична електрохімія Київ Либідь, 1993 -544с С 11 2 Горбачев А К Технічна електрохімія Харків "Видавництво "Прапор", 2002 -254 с С 33 61417 З у Фіг Комп'ютерна верстка С Волобуєв Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119