Электролиз находит широкое применение в различных отраслях промышленности благодаря своим уникальным возможностям. История использования электролиза насчитывает уже более 200 лет, а перспективы его развития по-прежнему впечатляют.
Основы процесса электролиза
По сути, электролиз представляет собой окислительно-восстановительную реакцию, запускаемую и поддерживаемую электрическим током. При этом используются специальные устройства — электролизеры, в конструкции которых присутствуют два электрода, погруженные в электролит.
Электролит — это раствор или расплав вещества, проводящий электрический ток за счет наличия свободных ионов.
Под действием электрического поля ионы электролита движутся к электродам, где и происходят окислительно-восстановительные реакции.
Типы электролиза
Различают электролиз расплавов и электролиз водных растворов. Главное отличие в том, что в растворах присутствуют молекулы воды и ионы Н+ и ОН-, образующиеся при ее диссоциации. Это накладывает ограничения на процессы, протекающие на электродах.
Металлургия и металлообработка
Одно из наиболее масштабных применений применение электролиза нашло в металлургии и производстве различных металлических изделий.
Получение и рафинирование металлов
Применение электролиза позволяет эффективно извлекать целый ряд металлов из руд и концентратов. К таким металлам относятся цинк, никель, хром, магний, кальций, литий, алюминий.
Например, до 90% всего первичного алюминия в мире производится методом электролиза расплавов глинозема с использованием криолита в качестве электролита.
Кроме того, технологии электрорафинирования позволяют получать металлы высочайшей чистоты из менее чистого сырья. Этот процесс широко используется для получения особо чистой меди, серебра, золота, олова и других металлов.
Защитные покрытия
Весьма востребовано применение электролиза для нанесения защитных и декоративных металлических покрытий на поверхности изделий в процессе гальваностегии.
- Хромирование стальных деталей для защиты от коррозии;
- Никелирование кухонной утвари;
- Золочение ювелирных украшений.
Список металлов и сплавов, используемых для подобных покрытий, постоянно расширяется.
Химическая промышленность
Применение электролиза позволяет эффективно получать многие важные вещества для нужд химической промышленности.
Производство водорода
Одним из крупнейших потребителей технологий электролиза является производство водорода. Ежегодно миллионы тонн водорода вырабатывается путем электролиза воды. При этом на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород.
Можно схему электролиза записать с учетом того, что в электрическом поле молекулы воды диссоциируют на ионы: H2O <==> H(+) + OH(-).
В молекулярном виде: 2H2O ---> 2H2 + O2
Анод (+): 2OH(-) - 4e = O2 + 4H(+)--------x1 окисление
Катод (-): 2Н (+) + 2е = Н2--------------------x2 восстановление
Получаемый электролитически водород обладает уникальной чистотой, что определяет его ценность во многих высокотехнологичных производствах.
Хлор и щелочи
На многих химических предприятиях для получения хлора, щелочей, хлоридов и гипохлоритов используется применение электролиза растворов хлорида натрия или калия.
Такой подход позволяет реализовать безотходные технологии и существенно снизить нагрузку на окружающую среду.
Очистка сточных вод
Электролиз с успехом используется для очистки промышленных сточных вод от токсичных веществ, нефтепродуктов, тяжелых металлов.
Здесь особенно эффективен метод электрокоагуляции, при котором под действием электрического тока образуются хлопья гидроксидов металлов, активно сорбирующие загрязнения.
Помимо очистки воды, данный метод позволяет извлекать ценные вещества в виде концентратов для дальнейшей переработки.
Гальванопластика
Еще одно перспективное практическое применение электролиза - это гальванопластика, позволяющая получать точные копии изделий из различных материалов.
Суть метода в том, что на electrically проводящую модель детали в растворе электролита осаждается слой металла требуемой толщины. После этого модель удаляется, а полученная металлическая копия может использоваться для изготовления литейных форм.
Аналитическая химия
Практическое применение электролиза для анализа состава веществ и материалов основано на законах Фарадея. Ключевыми методами здесь являются:
- Кулонометрическое титрование;
- Амперометрическое титрование;
- Потенциометрическое титрование.
С помощью этих методов можно точно определить концентрации ионов металлов, галогенов, цианидов и других веществ в растворах и электролитах.
Медицина и косметология
Методы электролиза активно применяются в медицинских целях для лечения и ухода за кожей. К таким методам относятся:
- Электрофорез лекарственных веществ;
- Гальванизация;
- Лечебный электролиз;
- Электрокоагуляция;
- Электрохирургия.
Особенно перспективно практическое применение электролиза в эстетической медицине для омоложения и лифтинга кожи, устранения дефектов и рубцов.
Производство пероксида водорода
Еще одним примером успешного использования электролиза в химической промышленности является производство пероксида водорода. Этот эффектный окислитель находит все большее применение в различных отраслях.
Пероксид водорода получают путем катодного восстановления кислорода из щелочных растворов при определенных условиях. Процесс весьма энергоемкий, но позволяет производить высококачественный продукт.
Применение в электрохимической промышленности
Электролиз является фундаментальной технологией электрохимической промышленности, позволяющей эффективно синтезировать целый ряд химических продуктов.
В частности, методами электролиза производятся:
- Хлораты и перхлораты;
- Гипохлориты;
- Фториды металлов;
- Органические соединения (на основе карбоновых кислот).
Дальнейшее развитие электросинтеза является одним из ключевых направлений отрасли.
Топливные элементы
Особое место электролиз занимает в топливных элементах — электрохимических генераторах, преобразующих химическую энергию топлива непосредственно в электричество.
Ключевым компонентом таких устройств являются мембранно-электродные блоки, использующие технологии электролиза для выработки тока. Интенсивные исследования в этой области ведутся по всему миру.
Применение в 3D-печати
Одно из самых перспективных направлений — использование электролиза в технологиях аддитивного производства или 3D-печати.
Здесь электролиз позволяет осаждать металл по заданной компьютерной модели, формируя готовое изделие слой за слоем.
Пока такие технологии находятся в начале пути, но в будущем они способны полностью изменить производственные процессы во многих отраслях.
Миниатюрные источники энергии
Еще одно актуальное направление — создание компактных источников энергии на основе электролиза для питания миниатюрной электроники и датчиков.
Здесь в роли топлива могут выступать различные органические соединения, а процесс выработки энергии основан на электрохимических реакциях окисления на аноде.
Подобные микротопливные элементы способны работать годами, обеспечивая автономное питание устройств.
Электролиз в нефтехимической промышленности
В нефтехимии электролиз применяется, в частности, для переработки сероводородсодержащих газов и концентратов. Процесс позволяет разлагать токсичные соединения серы, получая ценные продукты.
Катодное восстановление серы приводит к образованию сероводорода, который можно использовать для синтеза других серосодержащих веществ. А сера, выделяющаяся на аноде, представляет собой товарный продукт.
Применение в горнорудной промышленности
Помимо извлечения металлов из руд, электролиз находит применение на горнорудных предприятиях для очистки и обеззараживания сточных вод и промышленных стоков.
Это позволяет существенно снизить негативное воздействие добывающих и перерабатывающих производств на окружающую среду.
Кондиционирование питьевой воды
Метод электролитического гипохлорирования в последнее время стал активно применяться для обеззараживания питьевой воды перед подачей в системы коммунального водоснабжения.
При этом в результате электролиза хлоридов в воде образуется активный хлор, эффективно уничтожающий бактерии и вирусы.
Экологические аспекты применения электролиза
В целом, использование технологий электролиза в промышленности имеет выраженный положительный экологический эффект.
Электролиз позволяет реализовать безотходные схемы производств, эффективно перерабатывать отходы, снижать выбросы вредных веществ в окружающую среду.
Применение электролиза в пищевой промышленности
В пищевой промышленности электролиз используется для очистки и обеззараживания питьевой воды, а также для получения различных пищевых добавок.
Например, путем электролиза растворов поваренной соли производят пищевую добавку Е535 (гексацианоферрат(II) натрия), используемую в качестве стабилизатора и загустителя.
Применение в сельском хозяйстве
В сельском хозяйстве электролиз применяют для получения минеральных удобрений, дезинфицирующих средств, а также для очистки и обеззараживания воды.
Путем электролиза хлоридов получают дезинфицирующий раствор гипохлорита натрия для обработки семенного материала, теплиц и животноводческих комплексов.
Применение в коммунальном хозяйстве
В коммунальном хозяйстве электролиз используется для очистки хозяйственно-бытовых и ливневых сточных вод, а также воды в системах оборотного водоснабжения.
Кроме того, электролитический гипохлорит натрия применяют для обеззараживания воды в плавательных бассейнах и для очистки внутренних поверхностей водопроводных труб.
Применение в целлюлозно-бумажной промышленности
В целлюлозно-бумажном производстве электролиз используется для очистки сточных вод от лигнина, смол и других органических соединений.
Благодаря анодному окислению загрязнений удается добиться высокой степени очистки воды и возврата ее в технологический цикл предприятия.
Применение в электронной промышленности
В производстве электронных компонентов и устройств электролиз применяют для нанесения защитных и контактных металлических покрытий на кремниевые пластины и другие элементы.
Также с помощью электролиза получают высокочистые металлы (медь, золото, серебро, алюминий) для изготовления электронных схем и проводников.
Перспективы совершенствования технологий
Несмотря на многолетнюю историю применения электролиза в промышленности, этот метод непрерывно совершенствуется и развивается.
Улучшение характеристик мембран и электродных материалов, оптимизация режимов проведения процессов и конструкций электролизеров позволят расширить области использования этого уникального электрохимического метода.
