یک سؤال در هفته، پاسخ صحیح جایزه دارد؛ سؤال ششم از مجموعه «کلر و الکلی‌ها (دانش پایه شیمی صنعتی)»

آخرین بار، این پست توسط «ژونگ هنگ‌مینگ» در تاریخ ۲۱-۷-۲۰۱۰ ساعت ۱۰:۱۶ ویرایش شد. هدف از افزودن اسید به مخزن، خنثی کردن یون‌های OH- که از کاتد به سمت دیگر منتقل می‌شوند، کاهش واکنش‌های جانبی در الکترود مثبت، افزایش بازدهی جریان الکتریکی و کاهش ولتاژ مخزن است. پس از جایگزینی فیلتر جدید، لازم است که مخزن در دمای ۸۰ درجه به مدتی کار کند؛ در این مدت اسیدی اضافه نمی‌شود. پس از ثبات عملکرد، دمای مخزن به تدریج به ۸۸ درجه افزایش می‌یابد و در همان زمان اسید به آرامی اضافه می‌شود. معمولاً ابتدا ۵۰ تا ۸۰ لیتر اسید اضافه می‌شود و سپس مقدار اسید به تدریج، با نرخ ۲۰ لیتر در روز، افزایش می‌یابد تا غلظت اسید در ورودی و خروجی به حد مطلوب برسد. در مراحل پایانی، غلظت اسید در خروجی دیگر به حد مطلوب نخواهد رسید؛ بنابراین باید غلظت اسید در ورودی را بین ۰.۱۳ تا ۰.۱۴ نگه داشت، و هرگز اجازه نداد که این مقدار از حد مجاز فراتر رود.

آخرین بار، این پست توسط ژونگ هنگ‌مینگ در تاریخ ۲۱-۷-۲۰۱۰ ساعت ۱۱:۱۶ ویرایش و پاسخ داده شد. ۱# ژونگ هنگ‌مینگ: بر اساس اصل ولتاژ مخزن، مقدار اسید افزوده‌شده بر ولتاژ مخزن تأثیر می‌گذارد. اضافه کردن اسید: ۱. برای خنثی کردن یون‌های هیدروکسید که از طریق روند نفوذ معکوس در کاتد تولید می‌شوند، کاهش مقدار رسوبات روی فیلتر، و در نهایت کاهش ولتاژ مخزن است. ۲. می‌توان غلظت یون‌های کلر در ناحیه آند را به‌طور مناسب افزایش داد. ۳. کاهش اتلاف گاز کلر در اثر حل شدن، و افزایش بازدهی الکترولیز. اما تأثیرات منفی نیز وجود دارد: ۱. خوردگی آند کمکی در محل ورود، شدت می‌گیرد ； ۲. غشا اسیدی شده و عملکرد خود را از دست می‌دهد ； ۳. ناخالصی‌های کلسیم و منیزیم موجود در آب نمک، در داخل فیلتر رسوب تشکیل می‌دهند و ساختار فیلتر را از بین می‌برند.

کار اصلی افزودن اسید، افزایش خلوص گاز کلر و کاهش حلالیت آن است که به فرآیند حذف کلر در مراحل بعدی کمک می‌کند. در فرآیند الکترولیز، مقدار کمی از محلول قلیایی در کاتد از طریق غشای یونی به آند نفوذ کرده و در آنجا با اسید اضافه‌شده واکنش می‌دهد. دلایل اصلی این مشکل، فشار بالای کاتد، عدم پایداری فشار بین کاتد و آند، مقدار بیش از حد قلیا در سمت کاتد، یا وجود تعداد کمی سوراخ در غشای یونی است. کنترل: باید میزان اسیدیته ورودی و خروجی مطابق با دستورالعمل‌های مربوطه باشد؛ از فراتر رفتن از مقادیر تعیین‌شده جلوگیری شود

در فرآیند الکترولیز، مقدار معادل OH- که از محفظه منفی به سمت محفظه مثبت بازمی‌گردد، برابر با (۱–CE) است؛ که در آن CE، بازده جریان است. برای خنثی کردن OH-هایی که از این روش بازمی‌گردند، باید مقدار مناسبی اسید هیدروکلریک به محلول مثبت اضافه شود. علاوه بر این، در فرآیند الکترولیز، واکنش آندی یک واکنش رقابتی بین CL- و OH- است که به ترتیب منجر به تولید CL2 و O2 می‌شود؛ اگر اسیدیته محلول آندی خیلی پایین باشد، مقدار اکسیژن در میان گاز کلر افزایش خواهد یافت ； استفاده نکردن یا کاهش مصرف اسید، باعث افزایش واکنش‌های جانبی، کاهش کارایی آند، افزایش میزان کلرات‌ها، تولید اکسیژن می‌شود؛ همچنین باعث خنثی شدن لایه پوششی آند می‌گردد. این امر نه تنها بر عمر لایه پوششی آند تأثیر منفی می‌گذارد، بلکه باعث افزایش ولتاژ مخزن نیز می‌شود. اما مقدار اسید نباید زیاد باشد و باید به‌طور دقیق کنترل شود.

آخرین بار توسط ژونگ هنگ‌مینگ در تاریخ ۲۰۱۰-۷-۲۲ ساعت ۰۱:۰۵ ویرایش شد. از کد hide نمی‌توان استفاده کرد؛ لطفاً مستقیماً پاسخ دهید. در طول استفاده از فیلتر یونی، عملکرد الکتروشیمیایی آن به مرور زمان کم‌کم کاهش می‌یابد؛ مثلاً در صورت وجود مقدار زیاد اکسیژن در کلر یا غلظت پایین آب نمکی، بازدهی جریان الکتریکی نیز کاهش می‌یابد. این امر منجر به تأثیرات منفی فزاینده‌ای بر عمر آند سلول الکترولیتی می‌شود. بنابراین، از منظر حفظ عملکرد اقتصادی بلندمدت دستگاه الکترولیزر با غشای یونی، افزودن اسید به آب شور ورودی بسیار ضروری است. در ورودی آند، شیر افزودن اسید قرار داده می‌شود تا آب خالص، اسید را رقیق کند و از تبلور آب شور در محل ورود اسید جلوگیری شود. اما افزایش بیش از حد اسید، غشای یونی را خراب می‌کند؛ بهتر است برای غشای جدید از اسید استفاده نشود.

آخرین بار، این پست توسط ژونگ هنگ‌مینگ در تاریخ ۲۰۱۰-۷-۲۲ ساعت ۰۱:۰۵ ویرایش شد. هدف از افزودن اسید به سلول الکترولیتی، خنثی کردن یون‌های هیدروکسید که از محفظه منفی به محفظه مثبت از طریق غشای یونی منتقل می‌شوند، است؛ این امر نیز به نوبه خود، بازدهی جریان الکتریکی غشای یونی را نشان می‌دهد. هنگامی که بازده جریان بالاست، تعداد یون‌های هیدروکسید مهاجرت‌کننده بسیار کم است؛ اما با گذشت زمان و کاهش عملکرد فیلم یونی، بازده جریان به تدریج کاهش می‌یابد و تعداد یون‌های هیدروکسیدی که از محفظه کاتدی مهاجرت می‌کنند، افزایش می‌یابد.

هنگام کارکرد با جریان بالا، تعداد زیادی یون هیدروکسید از طریق فیلتر وارد محفظه آند می‌شود؛ بنابراین، واکنش در آند، واکنش رقابتی بین یون‌های Cl- و OH- است که به ترتیب منجر به تولید Cl2 و O2 می‌شود. اگر اسیدیته محلول آندی کاهش یابد، میزان اکسیژن در گاز کلر افزایش خواهد یافت. برای کنترل خلوص بالای گاز کلر، کاهش وقوع واکنش‌های فرعی در آند، و افزایش بازدهی جریان الکتریکی، لازم است اسید هیدروکلریک به آند اضافه شود تا یون‌های هیدروکسید را خنثی کند.

اضافه کردن اسید، میزان یون‌های کلر را افزایش داده و باعث بهبود کارایی الکترولیز می‌شود؛ همچنین مانع از حل شدن گاز کلر تولید شده در فرآیند الکترولیز می‌گردد. مقدار اسید باید به تدریج افزایش یابد؛ مقدار اسید مورد نیاز برای فیلم‌های مختلف نیز متفاوت است و این موضوع عمدتاً به ویژگی‌های ساختاری فیلم مربوط می‌شود. در واقع، این پدیده می‌تواند به خوبی توضیح دهد که چرا با گذشت زمان، نیاز به اسید بیشتر می‌شود.

پاسخ به ۱# ژونگ هنگ‌مینگ: افزودن اسید برای خنثی کردن یون‌های هیدروکسید که وارد محفظه آند شده‌اند، جلوگیری از واکنش‌های فرعی در آند، و حفظ خلوص مشخصی از گاز کلر است； کاهش میزان رسوب ناخالصی‌ها در سمت آند فیلم، و کاهش ولتاژ مخزن. با افزایش زمان استفاده از فیلتر، قابلیت انتخابی آن برای نفوذ سولوت‌ها به تدریج کاهش می‌یابد؛ بنابراین برای حفظ بازدهی مناسب آند، لازم است مقدار اسید هیدروکلریک افزایش یابد.

پاسخ به ۱# ژونگ هنگ‌مینگ: در فرآیند الکترولیز، واکنش‌های جانبی زیادی در آند رخ می‌دهد که بر بازدهی جریان و خلوص گاز کلر تأثیر می‌گذارد؛ افزودن اسید به منظور مهار این واکنش‌های جانبی است. افزودن مقدار مناسب اسید هیدروکلریک قبل از ورود آب نمکی، به منظور خنثی کردن مقدار اضافی NaOH و تجزیه Na2CO3 است؛ این همان دلیل اصلی افزودن مقدار کمی اسید در حین کارکرد فیلتر جدید می‌باشد. در این مرحله، معمولاً رابطه سری افزودن اسید و جریان الکتریکی قطع شده و افزودن آن به صورت دستی و در مقادیر کم انجام می‌شود. در مراحل پایانی فعالیت فیلتر، با کاهش عملکرد تبادلی فیلتر و افزایش مقدار OH- که به سمت آند منتقل می‌شود، افزایش مقدار اسید می‌تواند به بهترین شکل مانع از وقوع واکنش‌های زیر شود:
CL2 + 2NaOH → 1/3NaClO3 + 5/3NaCl + H2O
CL2 + 2NaOH → 1/2O2 + 2NaCl + H2O
HCLO + NaOH → 1/2O2 + NaCl + H2O
40H- + O2 → 2H2O + 4e. یون‌های OH- که در جهت مخالف مهاجرت می‌کنند، توسط یون‌های H+ موجود در آب اسیدی خنثی شده و این امر احتمال تولید O2 از طریق تخلیه یون‌های OH- در الکترود مثبت را کاهش می‌دهد؛ در نتیجه، خلوص گاز کلر و بازدهی جریان الکترود مثبت افزایش می‌یابد. روش افزودن، کنترل سریالی است و پارامترهای آن باید با گذشت زمان به‌طور مناسب تنظیم شوند، اما باید اطمینان حاصل شود که pH خروجی کمتر از ۲ نباشد. علاوه بر این، افزودن مناسب اسید می‌تواند بخشی از کلرات‌های تولید شده در فرآیند الکترولیز را تجزیه کرده و به این ترتیب غلظت سدیم کلرید در آب نمکی را حفظ کند.