Синтез хлората кальция электрохимическим методом

Размещено на httр://www.аllbеst.ru/

Международный казахско-турецкий университет имени Ходжи Ахмеда Ясави

Синтез хлората кальция электрохимическим методом

магистрант А.К. Амирбекова

к.техн.н., доцент Г.Н. Жылысбаева

Аннотация

В статье рассмотрен способ получения хлората кальция электрохимическим путем при участии постоянного тока. В данной работе использован электрохимический метод производства хлоратов так как он имеет ряд преимуществ по сравнению с химическим методом. В ходе исследования приведен механизм процесса электрохимического окисления молекул хлора до ионов гипохлорита, далее ионов гипохлорита до ионов хлората в кислой среде. Хлораты кальция и магния нашли применение в сельском хозяйстве в качестве дефолиантов и десикантов для предуборочного удаления листьев хлопчатника при машинной уборке хлопка.

Ключевые слова: хлорат, гипохлорит, электрохимия, процесс, механизм, электролит, электролиз, диффузия, катод, анод.

Abstract

In article the method of receipt chlorate of calcium with the participation of a direct current is considered in the electrochemical way. In this work the electrochemical production method of chlorates is used as it has a number of advantages in comparison with a chemical method. During the research the mechanism of process of electrochemical oxidation of molecules of chlorine to hypochlorite ions, further hypochlorite ions to chlorate ions is given in the acidic environment. Chlorates of calcium and magnesium are widely used in agricultural industry as a defoliant and a desikant for cleaning of leaves before assembly of cotton and for drying of a box of a cotton.

Keywords: chlorate, hypochlorite, electrochemistry, process, mechanism, electrolyte, electrolysis, diffusion, a cathode, an anode

Электрохимический синтез сложных неорганических соединений занимает существенное место в химической промышленности многих стран. В промышленности наибольшее развитие получили процессы электросинтеза неорганических продуктов на аноде.

Наибольшее количество исследований в области электрохимического синтеза кислородных соединений хлора посвящено хлоратом. Подавляющее большинство исследований в перечисленных областях электросинтеза хлоратов посвящено хлорату натрия. Лишь небольшое количество работ касается получения хлоратов других металлов - калия, кальция и магния [1].

Хлораты кальция и магния нашли применение в сельском хозяйстве в качестве дефолиантов и десикантов для предуборочного удаления листьев хлопчатника при машинной уборке хлопка [2, 3]. Высокая гигроскопичность хлоратов кальция и магния позволяет применять их для этих целей без опасения возможных возгараний хлопка из-за некоторого наличия в нем хлоратов. В связи с широким применением дефолианта одна из актуальных современных проблем является методы получения хлората кальция и изучение эфективного метода получения [4].

В этой связи целью нашего предлагаемого научного исследования является получение неорганического соединения кальция - хлората кальция электрохимическим методом и исследование оптимальных условии метода получения. Исследование влиянии различных электрохимических параметров на процесс получения хлората кальция.

В проведенных опытах при электролизе водного раствора хлорида кальция наблюдается образование хлората кальция. В исследовательской работе в качестве электродов использовали графитовые электроды с площадями 4,3 см² и 5,5 см², пространство между которыми не разделено.

Электролитом является подкисленный раствор хлорида кальция. Для предотвращения быстрого улетучивания выделяемого на аноде хлора в электролизер установили пластину из оргстекла с мелкими отверстиями. Перед каждым опытом электроды промывались дистиллированной водой, затем споласкивали этиловым спиртом и высушивали. В конце эксперимента, т.е. по окончании электролиза содержание хлорат-ионов (ClО₃^-) в электролите определяли йодометрическим методом [5].

При электролизе раствора хлористого кальция без разделения электродных продуктов хлорат кальция образуется как в результате химического взаимодействия в растворе первичных продуктов электролиза, так и их электрохимического окисления.

Первичные процессы на электродах приводят к образованию на аноде хлора и на катоде щелочи с выделением водорода [6]:

2Cl^- -2е = Cl2 (1)

2H2О + 2е = 2ОH^- + H2 (2)

В результате смешения анодных и катодных продуктов на первой стадии:

Cl₂ + 2ОH^- = ClО^- + Cl^- + H₂О (3)

Cl₂ + ОH- = HClО + Cl- (4)

HClО + ОH^- > ClО^- + H₂О (5)

Процесс электрохимического окисления ионов ClО^- в ClО^-₃ может быть представлен в виде:

6ClО- + 6ОH-- 6е = 2ClО-3 + 4Cl- + 3H2О + 1,5О2 (6)

При электрохимическом окислении растворов хлористого кальция до хлората на катоде обычно образуются осадки гидроокиси или оксихлоридов кальция, затрудняющие протекание процесса. Для предотвращения образования осадков мы подкислили раствор хлористого кальция соляной кислотой.

На рисунке -1. представлена зависимость влияния концентрации НCl на выход по току образования хлората кальция. При увеличении концентрации НCl от 2г/л до 10 г/л и постоянной концентрации хлорида кальция, равное 100 г/л, наблюдается уменьшение выхода по току образования хлората кальция. Уменьшение выхода по току можно обьяснить протеканием ниже следующей реакцией, припятствующей окислению хлористой кислоты и гипохлорит-ионов до хлоратов:

НCIО + НСI - CI₂ + H₂О (7)

CIО- + НСI - CI₂ + H₂О + Cl- (8)

Изучено электрохимические свойства хлоратакальция полученного при электролизе раствора хлорида кальция в кислой среде, при условии неразделенных электродных пространств в зависимости от анодной плотности тока. При увеличении плотности тока наблюдается снижение выхода по току образования хлоратакальция от 48,5% до 13% (рисунок-2). Увеличение плотности тока ведет к усилению выделения хлора на аноде, в результате чего большая часть выделенного хлора не успевая химический взаимодействовать с раствором уносится наружу. Кроме того, при плотностях 800-1000 А/м² анодного тока резко увеличивается износ графитового анода [7]. Поэтому, проведение электролиза при высоких плотностях тока не выгодно.

хлорат кальций электрохимический окисление

Рисунок 1. Влияние концентраций НCI на выход по току образования хлората кальция: i_а = 200 А/м²; t = 20⁰C; t = 0,5 час; C_СаCl2 = 100 г/л.

Рисунок 2. Влияние плотности тока на выход по току образования хлората кальция: t = 40⁰C; t = 0,5час; C_СаCl2 = 100 г/л; C_НCl = 2 г/л.

Выход по току хлората и другие показатели электролиза зависят от концентрации кальция хлорида. В таблице-1 приведены данные по влиянию концентрации раствора на выход по току образования хлората кальция. В ходе электролиза сохраняя концентрацию НСl при значении 2 г/л концентрацию раствора хлорида кальция изменяли от 60 г/л - 140 г/л. Увеличение концентрации хлорида кальция до 140 г/л, ведет к увеличению выхода по току образования хлорат-ионов до 64%.

1-таблица Влияние концентраций электролита на выход по току образования хлората кальция: (i_а = 200 А/м²; t = 20⁰C; ? = 0,5 час; C_НCl = 2 г/л.)

В таблице-2 показано влияние температуры на выход по току образования хлората кальция. Результаты исследования показали, что при плотности тока 200 А/м² повышение температуры раствора от 10⁰C до 40⁰C способствует увеличению выхода по току образования хлората кальция.

2-таблица Влияние тампература электролита на выход по току образования хлората кальция: (i_а = 200 А/м²; t = 0,5 час; C_СаCl2 = 100 г/л; C_НCl = 2 г/л)

Однако, увеличение температуры способствует износу анода, поэтому при использовании графитовых анодов проведение электролиза при температуры выше 40⁰С не желательно [8]. С увеличением температуры выход по току увеличивается из-за увеличения активности молекул раствора, а также связанные с этим увеличенями подвижности ионов и скорости взаимодействия.

Таким образом, на основе проведенной исследовательской работы разработан новый эффективный метод синтеза хлората кальция из подкисленного раствора хлорида кальция в условиях неразделенных электродных пространств. Были проведены исследования по влиянию электрохимических параметров (концентрация электролита, анодная плотность тока графитового электрода, температура электрода) на выход по току образования хлората при электролизе. Установлено, при оптимальных условиях электролиза (i_а = 200 А/м²; t = 40⁰C; C_СаCl2 = 140 г/л; C_НCl = 2 г/л.) выход по току образования хлората кальция равна 69,45%.

Список литературы

1. М.Я. Фиошин «Успехи в области электросинтеза неорганических соединений» 1974. 17-45 б.

2. Эшмуратова М. Ш. Исследование технологии получения дефолианта на основе хлората магния, карбамида и нитрата гуанидина. Диссертацияна соискание академической степени магистра, Навои - 2014, -74с.

3. Патент UZ №1А 2009 0300. Состав для дефолиации хлопчатника / Искандаров Т.И., Махматхонов М.М. Рахмон-Заде., Искандарова Г.Т. Официальный бюллетень, 2011. №4.с.9-10

4. Якименко Л.М. Производство хлора, каустической соды и неорганических хлорпродуктов. М. «Химия», 1974. 600 с.

5. Фрумина Н.С., Кручкова Е.С., Муштакова С.И. Аналитическая химия кальция. -М.: Наука, 1974. - 252 с.

6. Якименко Л.М., Серышев Г.А. Электрохимический синтез неорганических соединений. М.:Химия, 1984. С.31-70

7. Слипченко А.В., Максимов В. В., Кульский Л. А. Современные малоизнашиваемые аноды и перспективы развития электрохимических технологий водообработки // Химия и технология воды. - 1993. Т. 15.-№ 3. -С. 180 - 231.

8. Жук А.П. и др. Малоизнашивающиеся аноды и применение их в электрохимических процессах // Тез.докл. V Всесоюзного совещания. - М.: ЦПНХО им. Д. И. Менделеева, 1984. - С.61 - 76.

Размещено на Allbest.ru