История электротехники

Электрофлокирование — ориентация, зарядка и осаждение в электрическом поле на основу частиц волокнистых материалов с целью получения ворсовых покрытий, ковров и т.д.

В этих работах в 60–70-е годы принимали участие следующие организации: Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского, Московский энергетический институт и Научно-исследовательский институт очистки газов.

7.4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

7.4.1. ЗАРОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Создание первого источника тока — вольтова столба — привело к зарождению новой технологии, которая позднее получила название электрохимической.

Уже в 1800 г. В. Никельсон и А. Карлейль (Англия) разложили воду с помощью тока, полученного в вольтовом столбе. Образование осадков металлов при электролизе растворов солей было обнаружено в опытах, проводимых В. Никольсоном и А. Карлейлем, В. Крюйкшенком (Англия), В. Грюнером, В. Бекманом (Германия), Ш.Б. Дезормом (Франция) и И. Ганом (Швеция).

В 1807 г. X. Дэви (Англия) выделил натрий и калий электролизом расплавов.

В России В.В. Петров в 1802 г. создал самую мощную тогда батарею, состоящую из нескольких последовательно соединенных гальванических элементов, и с ее помощью осуществил исследования по электролизу воды, оксидов свинца, олова, ртути, а также органических соединений.

В 1838 г. российский академик Б.С. Якоби сообщил о разработанном им методе получения копий с рельефных изделий электролизом, получившим название гальванопластики. Открытие Б.С. Якоби вызвало большой интерес. Так, в период с 1842 по 1844 г. в Петербурге было выпущено шесть книг в области гальванопластики, золочения и серебрения. Первой из них была книга А.Ф. Грекова (1842 г.) «Теоретическое и практическое руководство к золочению, серебрению, платинированию, лужению». В 1844 г. князь В.Ф. Одоевский, писатель, композитор, критик написал книгу «Гальванизм в техническом применении». Уже в 1839 г. гальванопластика получила применение для печатания государственных бумаг и изготовления художественных изделий. Князь П.Р. Багратион изучал золочение из железосинеродистых электролитов. Академик Э.Х. Ленц изготавливал медальоны методом гальванопластики, а его сын Р.Э. Ленц изучал электроосаждение железа.

С 1844 г. метод Б.С. Якоби получает широкое применение для изготовления произведений искусства: статуй и барельефов для Эрмитажа, Зимнего дворца, Исаакиевского собора, Петропавловской крепости в г. Петербурге; медных копий фронтона Большого театра в Москве и др. В 1847 г. метод Б.С. Якоби получил в России второе практическое применение — электролитическое рафинирование меди. В 1867 г. Э.Г Федоровский предложил электрохимический метод получения бесшовных медных труб, в 1869 г. Е.И. Клейн — электролитический способ осаждения толстых слоев меди, нашедший применение при изготовлении государственных бумаг.

Широкое практическое использование электрохимическая технология получила после изобретения электромагнитных генераторов тока.

В настоящее время электролиз водных растворов и расплавов лежит в основе очень разветвленного направления техники — электрохимии, которая находится на стыке электротехники и химии.

К основным направлениям электрохимической технологии можно отнести:

электролитическое разложение воды;

получение хлора и щелочи;

электрохимический синтез соединений;

получение и рафинирование металлов;

гальванотехника;

анодное окисление и размерная обработка металлов.

7.4.2. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ (ЭЛЕКТРОЛИЗ) ВОДЫ

Всесторонние исследования электролиза воды провели русские ученые В.В. Петров (1802 г.), Ф.Ф. Рейс (1803 г.) и Ф. Гротгус (1805 г.).

Промышленный электролизер для получения водорода и кислорода впервые в мире был сконструирован в России Д.А. Лачиновым в 1888 г. Им были запатентованы монополярные и биполярные электролизеры, работающие как при нормальном, так и при повышенном давлении. В качестве электролита Д.А. Лачинов предлагал использовать раствор щелочи. Усовершенствованные щелочные электролизеры применяются в промышленности до сих пор.

В начале 70-х годов фирма «Дюпон» (США) разработала ионообменную мембрану «Нафион», имеющую высокую проводимость и стабильность. Фирма «Дженерал электрик» вскоре создала электролизер с этой мембраной, играющей роль твердого электролита (электролизер с твердополимерным электролитом). Расход энергии на получение водорода и кислорода в данном электролизере ниже, чем в электролизере с щелочным электролитом. Электролитический водород используется для охлаждения генераторов на электростанциях, для получения чистых металлов и полупроводниковых материалов, а также в пищевой, химической, нефтехимической и других отраслях промышленности.

В 1932 г. Г. Льюис (США) и в 1934 г. А.И. Бродский (СССР) предложили получать тяжелую воду методом электролиза. Так как скорость выделения на катоде протия Н₂ значительно выше, чем дейтерия D₂, то при длительном электролизе происходит обогащение воды дейтерием. Современный процесс получения тяжелой воды обычно осуществляется последовательно в каскаде электролизеров.

7.4.3. ПОЛУЧЕНИЕ ХЛОРА И ЩЕЛОЧИ

Если через электролизер с раствором хлорида натрия пропускать электрический ток, то на положительном электроде (аноде) будет выделяться хлор, а на отрицательном (катоде) — водород. При этом около катода накапливается щелочь NaOH. Первый патент на электролитическое производство хлора и щелочи получили в 1879 г. Н. Глухов и Ф. Ващук (Россия). В 1897 г. В. Степанову был выдан патент на аппарат для электролиза хлорида натрия. Промышленное получение хлора началось в 80-х годах прошлого века после создания диафрагмы, разделяющей анодное и катодное пространства. В России большой вклад в развитие промышленного получения хлора внесли П.П. Федотьев, В.В. Стендер, В.Г. Хомяков, Л.М. Якименко.

Длительное время с качестве анодов служил графит, который быстро изнашивался из-за окисления кислородом, выделяющимся на аноде параллельно с хлором. В 70-х годах XX в. были изобретены малоизнашиваемые аноды из оксидов рутения и титана (ОРТА), что позволило увеличить ресурс электролизеров между ремонтами в несколько раз. Кроме того, расход энергии в электролизерах с ОРТА ниже, чем в электролизерах с графитовыми анодами. Более чистую щелочь получают в электролизере с ртутным катодом, на котором при электролизе образуется амальгама натрия. Жидкую амальгаму натрия отводят на электролизере и разлагают водой.

В 70-х годах нашего столетия около 70% электролитического хлора получали в электролизерах с ртутным катодом. Однако из-за токсичности ртути производство хлора по этому методу в последние годы резко сократилось. Начинают применяться мембранные электролизеры, в которых анодное и катодное пространства разделены ионообменной мембраной типа «Нафион».

В настоящее время электролитическое производство хлора относится к числу крупнотоннажных производств (свыше 30 млн. т хлора в год).

7.4.4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ПОЛУЧЕНИЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Электролизом получают гипохлорит, хлораты, перхлораты, персульфаты, пероксид водорода, перманганат калия, диоксид марганца и др.

В 1882 г. А.П. Лидовым и В.А. Тихомировым был разработан электрохимический способ получения гипохлорита натрия NaOCl. Процесс

проводился в бездиафрагменном электролизере в растворе хлорида натрия NaCl. На аноде образовывался как гипохлорит-ион ClO^—, так и хлор. При взаимодействии хлора с гидроксид-ионами

ОН^—, накапливающимися у катода, образуется гипохлорит-ион. При более высоких напряжениях гипохлорит-ионы на оксидно-рутиниево-титановые анодах (ОРТА) окисляются до хлорат-ионов.