电化学工业(Electrochemistry Industry)
目录 |
电化学工业是指利用电化学的基本原理用于化学工业,冶金工业,电池工业和其他工业中解决物质的分离、化合、精制、浓缩、镀制和涂装提供电源等一系列化工生产过程的有关问题。由于它应用面广,从而成为重要的工业部门。
电化学在工业上起着相当重要作用，包括电解、金属加工与处理、电池和燃料电池、水和废水处理等方面的应用。在可以选择生产方法的条件下，电的价格和它应用的便利性影响着电化学在工业上的应用。出于这种原因，大规模、高能量电解过程，如金属的冶炼只能在低成本电力地区发展起来。这种考虑要比考虑运输矿石的造价更重要，因为传送电能的过程中要有大量的能量损失。目前已经发现的超导材料的临界温度已经远高于液氮沸点温度，常温超导材料的研究将可能在未来的几十年里，使这种无能量损失的超导电缆传输成为现实，这对电化学工业的发展无疑是非常有益的。
1.电解和电合成工业
氯碱工业——这是世界上最大的电化学工业，它是通过电解食盐水，从而获得氯气和苛性钠的过程。氯气用于制备氯乙烯，进而合成得到PVC，还可用作纸浆及纸的漂白剂和杀菌剂。工业中常用的有三种电解池: 汞电解池、隔板电解池、离子选择性电解池。由于氯的腐蚀力和电极本身的氧化，传统碳棒或石墨阳极已经被RuO2涂层的钛电极所取代，RuO2涂层中含有一定量的过渡金属氧化物，如 Co3O4等。这类阳极几乎不被腐蚀，它的超电势在4～5mV之间。还有一个优点是: 不希望出现的析氧副反应已被降到非常低的程度(1%～3%) 。
汞电解池，该电解池的生产能力较高，但最大的问题是汞的毒性。由于这种原因，这类电池在工业上已逐渐被淘汰。隔板电解池缺点是使用寿命短，阻力大，而且可以允许所有组分通过。且氢氧化钠的浓度不能超过10%，否则将有大量的氢氧根离子扩散到阳极区而产生氯酸盐，从而降低电解效率。选择性膜电解池与隔板电解池类似。不同的是隔离物是具有选择性的隔膜，它只允许特定离子通过，用它来代替隔板。用这种方法获得的苛性钠要比上一种机械膜电池浓度高的多。这种电解池消耗是这三种过程中最低的，产物纯度也是最高的。目前在世界范围内都倾向于使用选择性隔膜电解池。
2.电化学水处理及废水处理
该法不需要很多化学药品，后处理简单，占地面积小，管理方便。用于水及废水处理的电解池设计的有利因素是电极表面积/阴极电解液体积之比高。常见的方法有以下几种: 电解回收———电化学方法可将溶液中的金属离子逐步除去，因此常常可以使一些可以重新利用的金属再生出来。电化学氧化，这是一种较成熟的水处理技术，并日益成为水处理的热点，研究范围涉及处理印染水、制药废水、制革废水和造纸黑液等。
微电解法是近年来出现的一种较新的废水处理方法。其工作原理是在含有酸性电解质的水溶液中，使铁屑和碳粒之间形成无数个微小的原电池，并在其作用空间构成一个电场，利用反应生成的亚铁离子具有较强的还原能力，使某些氧化态的有机物还原成还原态，并使部分有机物开环裂解，提高了废水的可生化性，同时亚铁离子具有良好的絮凝作用，新生态的氢也有较强的还原能力，对氧化态有机物有还原作用。因此其 COD、BOD去除效果好，适应性广。此外，还有电解气浮法和电渗析法。
有机电化学在工业上的应用领域目前主要有以下几个方面：
1．有机电解合成
电解合成某些有机物是目前有机电化学应用的主要方面，通过电解反应， 有机原料分子发生加成， 取代，二聚化、分解、转位、偶合，聚合等多种类型的有机化学反应，得到相应的产品。
2．有机高分子材料的电解合成
通过有机电解聚合反应制备导电性有机高分子材料， 是有机电化学的一个新的领域。可用于有机电解聚合反应的单体是多种多样的， 如含有羟基、氨基等芳香族化合物， 杂环化合物，苯和多环芳烃， 乙烯基化合物， 乙炔及其衍生物等。
3．能量转换
航天、电子等工业的发展对电池提出了轻量化、微型化， 高能化的要求， 利用具有优良性能的有机电解质可以制得满足上进要求的高能电池。其中锂电池已实现商品化，有机物燃料电池，有机电池和塑料电池也在向实用化， 商品化发展。
4．显示元件、敏感元件
(1)显示元件： 某些电解聚合的具有电化学氧化还原活性的聚合物在掺杂物、脱掺杂物中伴随著明显的颜色变化，反应迅速， 重复性高， 是制备电显示元件的良好材料。
(2)敏感元件： 某些在电极上析出的有机聚合物对特定气体有明显的反应， 可作为气体敏感元件。
5．物质变换
生物物质、天然物质的电化学变换具有重要的意义，如淀粉电化学变换为二醛淀粉，葡萄糖变换成医用葡萄糖酸钙等， 这种变换的原料是永不桔竭的。
有机电化学工业在许多领域上获得了广泛的应用， 特别是在某些方面有取代现行的有机合成反应的趋势， 这是因为有机电化学反应具有如下特点：
(1)有些采用其它方法无法进行的反应，只要选择合适的电极、电解液和溶剂， 就可以用电解反应来实现。
(2)电解反应是在常温常压下进行的， 较之其它方法的操作条件温和。这对于制备那些具有不稳定的复杂分子结构的化台物非常有利。
(3)电解是较清洁的反应， 反应选择性好， 能耗较小， 较易控制。
然而， 有机电化学工业也存在如下缺点
(1)有机电解反应只限于氧化还原反应。
(2)电解反应装置较复杂，需加外部电源
(3)电能的成本是重要的。
(4)不容易实现连续化，工业放大受到限制。