石墨陽(yáng)極
石墨陽(yáng)極是在電解工業(yè)中用作電解槽陽(yáng)極的石墨板、塊或棒材。使用石墨陽(yáng)極的電解工藝有兩類，一類是水溶液電解，另一類是熔鹽電解。電解食鹽水溶液生產(chǎn)燒堿和氯氣的氯堿工業(yè)是石墨陽(yáng)極最大的用戶。此外，還有一些用熔鹽電解方法制取鎂、鈉、鉭等輕金屬及稀有金屬的電解槽，也使用石墨陽(yáng)極。
微軟雅黑;" />發(fā)展簡(jiǎn)史 編輯本段
氯堿工業(yè)是基本化學(xué)工業(yè)，它生產(chǎn)的燒堿廣泛應(yīng)用于紡織、造紙、冶金、有機(jī)和無(wú)機(jī)化工等眾多工業(yè)部門。氯氣也是一種重要的化工原料。采用電解食鹽水溶液方法制取氯堿產(chǎn)品已經(jīng)有一百多年的歷史。在漫長(zhǎng)的歲月里，有兩種電解槽，即水銀電解槽和隔膜電解槽曾長(zhǎng)期共存，并駕齊驅(qū)，對(duì)氯堿工業(yè)的發(fā)展起過(guò)重要的作用。但由于水銀對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，從20世紀(jì)70年代起，這種電解槽已被逐漸淘汰。隔膜槽使用的石棉隔膜同樣會(huì)對(duì)環(huán)境造成公害。離子交換膜法是對(duì)膜技術(shù)進(jìn)行重大改進(jìn)的一種先進(jìn)的氯堿生產(chǎn)工藝。
長(zhǎng)期以來(lái)，水銀電解槽和隔膜電解槽都使用石墨陽(yáng)極（見圖1）。在電解槽運(yùn)行過(guò)程中，石墨陽(yáng)極會(huì)慢慢地消耗，水銀電解槽每噸燒堿消耗石墨陽(yáng)極4～6 kg，隔膜電解槽每噸燒堿消耗石墨陽(yáng)極約6 kg。隨著石墨陽(yáng)極消耗變薄，陰極與陽(yáng)極間距離增大，槽電壓會(huì)逐漸升高。因此，運(yùn)行一定時(shí)間后，需要停槽更換陽(yáng)極。20世紀(jì)60年代中期，荷蘭人H.比爾發(fā)明了一種以鈦為基體表面涂釕的金屬陽(yáng)極。由于金屬陽(yáng)極基本上不消耗，因此，也被稱作為尺寸穩(wěn)定陽(yáng)極（Dimensionally Stable Anode縮寫DSA）。除了不消耗，因而使用壽命長(zhǎng)外，金屬陽(yáng)極還具有電流效率高，氯堿產(chǎn)品質(zhì)量好、節(jié)能、無(wú)特殊污染和維修工作量少等優(yōu)點(diǎn)，因而受到青睞，迅速推廣應(yīng)用。但由于金屬陽(yáng)極價(jià)格昂貴，金屬釕資源貧乏，供應(yīng)難以保證，以及采用金屬陽(yáng)極時(shí)，要求電解液鹽水含鈣、鎂離子不大于5×10，因而，需要對(duì)電解液進(jìn)行嚴(yán)格的凈化處理等原因，可以預(yù)計(jì)，在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，金屬陽(yáng)極不會(huì)完全取代石墨陽(yáng)極。
陽(yáng)極消耗 編輯本段
在電解槽運(yùn)行過(guò)程中，石墨陽(yáng)極主要通過(guò)下面幾種形式腐蝕消耗。首先，由于電解液中含有大量氫氧根離子和少量作為雜質(zhì)的硫酸根及次氯酸根離子，這些離子會(huì)在陽(yáng)極上放電產(chǎn)生氧氣。產(chǎn)生的初生態(tài)氧將石墨氧化成二氧化碳或一氧化碳，這種氧化蝕損約占石墨陽(yáng)極總蝕損的一半以上。其次，隨著氧化作用的深化，石墨陽(yáng)極本體顆粒間的結(jié)合逐漸遭到破壞，石墨陽(yáng)極表面層結(jié)合松動(dòng)的顆粒，在鹽水沖刷下發(fā)生掉渣。氧化和掉渣使陽(yáng)極變薄，到一定程度就需要停槽更換。這樣的殘極損失約占石墨陽(yáng)極總消耗的1/4以上。氧化和掉渣消耗都與石墨陽(yáng)極的孔隙率大小有關(guān)。孔隙率大，消耗也大。最常用的降低石墨陽(yáng)極孔隙率的方法，是使用前用亞麻仁油、桐油等干性油進(jìn)行整體或根部浸漬。
生產(chǎn)工藝 編輯本段
石墨陽(yáng)極的生產(chǎn)工藝及所用原料基本上與石墨電極相同。由于對(duì)石墨陽(yáng)極的密度和強(qiáng)度要求較高，焙燒后的半成品還須進(jìn)行瀝青浸漬，然后，石墨化和機(jī)械加工。表1所列為中國(guó)石墨陽(yáng)極的尺寸規(guī)格。石墨陽(yáng)極的理化性能指標(biāo)見表2。對(duì)水銀槽用石墨陽(yáng)極還規(guī)定了釩含量。
中國(guó)石墨陽(yáng)極的尺寸規(guī)格
用 途 | 規(guī) 格 | |||
方形 厚/mm×寬/mm×長(zhǎng)/mm | 圓形 直徑/mm×長(zhǎng)度/mm | |||
水溶液電解 | 51×51×970 40×180×760 40×180×960 50×180×635 50×180×940 | 50×250×640 50×250×1140 75×180×640 115×400×1050 115×400×1300 | 50×1000 65×1300 65×1000 65×650 65×330 | 75×1320 15×320 100×1360 100×252 |
熔鹽電解 生產(chǎn)鎂 生產(chǎn)鈉 | 170×840×1755（100～150）×（400～500）×（1800～2000） | φ400、φ800 | ||
類 別 | 指 標(biāo) | |||||
電阻率 /μΩ·m 不大于 | 灰分 /% 不大于 | 抗壓強(qiáng)度 /MPa 不小于 | 抗折強(qiáng)度 /MPa 不小于 | 體積密度 /g·cm-3 不小于 | 釩含量/% 水銀槽用陽(yáng)極 不大于 | |
水溶液電解用 | ||||||
一級(jí) 二級(jí) | 8 9 | 0.2 0.4 | 29.4 24.5 | 16.7 14.7 | 1.62 1.65 | 10×10-5 |
熔鹽電解用 | ||||||
鎂生產(chǎn) | 10.12 | 17.6～19.6 | ||||
鈉生產(chǎn) | 17.1 | 0.3 | 17.4 | 1.55 | ||
用于熔鹽電解的石墨陽(yáng)極大都是一些大規(guī)格的產(chǎn)品，例如，熔鹽電解生產(chǎn)金屬鈉的電解槽，使用直徑400～800mm的大型石墨陽(yáng)極，熔鹽電解生產(chǎn)金屬鎂的電解槽，使用的是大規(guī)格的石墨塊材。
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