电化学工程精选文档.ppt

《电化学工程精选文档.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电化学工程精选文档.ppt（69页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、电化学工程电化学工程本讲稿第一页，共六十九页第二章第二章 电化学工程电化学工程1 1、电化学工业的参数及质量因数、电化学工业的参数及质量因数2 2、电化学反应器中的传递过程及平衡、电化学反应器中的传递过程及平衡3 3、电化学工程中的热传递与热衡算、电化学工程中的热传递与热衡算4 4、电极表面的电位及电流分布、电极表面的电位及电流分布5 5、析气效应、析气效应6 6、电化学工程中的优化、电化学工程中的优化本讲稿第二页，共六十九页2 21 1 电化学工程中的质量因数电化学工程中的质量因数（figures of merit)一、转化率一、转化率（Fractional Conversion）转化率转化

2、率：反应物在电化学反应中转化为产物的比率（1）间隙反应器间隙反应器：（2）连续反应器连续反应器：转化率取决于反应深度反应深度，由反应时间和体积电流密度决定。电化学反应为异相反应，转化率和单单位体积电化学反应器中的电极面积位体积电化学反应器中的电极面积密切相关。本讲稿第三页，共六十九页二、产率二、产率产率产率：1mol参加反应的反应物得到产物最大摩尔数反应物消耗的摩尔份数，（）反应开始时反应物的摩尔数本讲稿第四页，共六十九页三、电流效率三、电流效率电流效率电流效率 ：电量一定时，实际生成的物质的量与按Faraday定律计算应生成的物质量之比。或生成一定量物质的理论电量与实际消耗的总电量之比。电化

3、学反应进行时，电流可能发生变化，则产物的质量产物的质量产物的理论耗电量产物的理论耗电量本讲稿第五页，共六十九页四、电化学反应器的工作电压四、电化学反应器的工作电压 电化学反应器工作时，都处于不可逆状态下，电化学反应器工作时，都处于不可逆状态下，由于由于电极的极化电极的极化及电化学反应器中存在及电化学反应器中存在各种电阻各种电阻，产生了欧姆压降，导致其工作电压偏离热力学决定产生了欧姆压降，导致其工作电压偏离热力学决定的理论分解电压或电动势。的理论分解电压或电动势。本讲稿第六页，共六十九页阳极阳极阴阴离离子子阳阳离离子子隔膜隔膜阴极阴极IRA:阳极及与阳极连接阳极及与阳极连接的汇流条上的欧姆压降。

4、的汇流条上的欧姆压降。本讲稿第七页，共六十九页计算方法计算方法平衡电极电位：由热力学数据决定，阴阳极平衡电位之差即为理论分解电压。：极化值，由电极过程动力学数据决定，与电流密度的关系取决于极化的性质。本讲稿第八页，共六十九页计算方法计算方法电解液（第二类导体）的欧姆压降：电解液（第二类导体）的欧姆压降：汇流条上的欧姆压降（第一类导体）：汇流条上的欧姆压降（第一类导体）：据导电截面、长度及材料的电阻率计算。据导电截面、长度及材料的电阻率计算。电解液的电导率电解液的电导率电极间距离或电极电极间距离或电极到隔膜的距离到隔膜的距离本讲稿第九页，共六十九页计算方法计算方法隔膜的欧姆压降隔膜的欧姆压降，由

5、由隔膜电阻隔膜电阻和和电流密度电流密度决定决定。隔膜中电解液的电阻率隔膜中电解液的电阻率反映隔膜结构的系数，难以准确反映隔膜结构的系数，难以准确计算计算本讲稿第十页，共六十九页五、电压效率五、电压效率电压效率电压效率：电解反应的理论分解电压与电化学反应器工作电压之比。电解反应的理论分解电压与电化学反应器工作电压之比。电解槽电解槽：电池电池：电压效率的高低既可反映电压效率的高低既可反映电极过程的可逆性电极过程的可逆性，也综合地反，也综合地反映了映了电化学反应器的结构、性能优劣电化学反应器的结构、性能优劣。本讲稿第十一页，共六十九页六、直流电耗六、直流电耗直流电耗直流电耗：每单位产量（kg或t）消

6、耗的直流电能。由于由于k k值基本不变（除非原料及生成反应根本改值基本不变（除非原料及生成反应根本改变变)，影响直流电耗的主要因素是，影响直流电耗的主要因素是槽电压槽电压和和电流效率电流效率。降低槽电压和提高电流效率是降低直流电耗的关键。降低槽电压和提高电流效率是降低直流电耗的关键。生成产物的理论耗电量生成产物的理论耗电量本讲稿第十二页，共六十九页七、能量效率七、能量效率能量效率：生成一定量产物所需的理论能耗与实际能能量效率：生成一定量产物所需的理论能耗与实际能耗之比。耗之比。本讲稿第十三页，共六十九页八、电化学反应器的比表面积八、电化学反应器的比表面积比表面积比表面积：单位体积电化学反应器中

7、具有的电极活性表面。u 当电流密度一定时：反应器的比表面积越大，生产强度越大；u 固定总电流，比表面积越大，则电流密度越小，有利于减小极化和槽压。电极的比表面积取决于电极的比表面积取决于：电极的结构、工作条件电极的结构、工作条件。本讲稿第十四页，共六十九页八、电化学反应器的比表面积八、电化学反应器的比表面积u 电极面积：表观面积与真实面积不同。如：三维电极电极面积：表观面积与真实面积不同。如：三维电极，电极的真实工作面积不仅受制于粉末和孔径的大小及分布，也与电流密度的高低、电解液的流动及传质条件有关，因而具有不同的反应深度。u反应器体积：反应器体积：反应器所占空间体积；电解液总体积；电极体积（

8、反应器电极占有大部分空间时）本讲稿第十五页，共六十九页重点解决的问题重点解决的问题：如何既具有高的比表面积，又使电位及电流密度均匀分布，尤其对于多孔电极、固定床电极等三维电极。八、电化学反应器的比表面积八、电化学反应器的比表面积本讲稿第十六页，共六十九页九、时空产率九、时空产率时空产率时空产率：单位体积的电化学反应器在单位时间内的产率。化学电源化学电源：时空产率相当于体积比功率，单位时间单位体积电时空产率相当于体积比功率，单位时间单位体积电池的电能产量。池的电能产量。电解槽电解槽：电化学反应器的设计对于时空产率有重要影响。电化学反应器的设计对于时空产率有重要影响。时空产率较低。时空产率较低。化

9、学反应器化学反应器：0.21kg/dm3h；铜电解冶金铜电解冶金：0.08kg/dm3h本讲稿第十七页，共六十九页2 22 2 电化学工程中的传质过程电化学工程中的传质过程 在电极过程动力学中，传质步骤是整个电极过在电极过程动力学中，传质步骤是整个电极过程不可缺少分部步骤，当它成为速度控制步骤时，程不可缺少分部步骤，当它成为速度控制步骤时，将决定电极反应的速度和动力学特征。将决定电极反应的速度和动力学特征。传质过程在电化学工程中的重要性传质过程在电化学工程中的重要性：（1）决定电化学工程中的生产强度(最大电流密度)，同时对槽压、电流效率、时空产率、转化率等技术经济指标有很大的影响。本讲稿第十八

10、页，共六十九页(2)影响产品的质量影响产品的质量：当电流密度趋于极限电流密度u 金属电沉积过程金属电沉积过程：可能得到粗糙的、甚至粉末状金属沉积物；u 电合成反应电合成反应：由于电极电位骤升，可能发生各种副反应，影响产物的纯度。传质过程在电化学工程中的重要性传质过程在电化学工程中的重要性：本讲稿第十九页，共六十九页(4)(4)对于传质过程的要求将影响电化学反应器的设计，对于传质过程的要求将影响电化学反应器的设计，并提出相应的条件，如电解液系统的构成、设置、并提出相应的条件，如电解液系统的构成、设置、控制。控制。传质过程在电化学工程中的重要性传质过程在电化学工程中的重要性：(3)(3)由于传质过

11、程和传热过程是交叠进行的，传质状态必然由于传质过程和传热过程是交叠进行的，传质状态必然影响体系的热交换、热平衡和工作温度影响体系的热交换、热平衡和工作温度本讲稿第二十页，共六十九页传质速率的表征传质速率的表征 在电化学工程中难以用该式对实际体系进行定量在电化学工程中难以用该式对实际体系进行定量的理论分析、计算。的理论分析、计算。传质系数传质系数，m/s界面与体相的浓度差界面与体相的浓度差，mol/m3本讲稿第二十一页，共六十九页传质速率的表征传质速率的表征 传质速率的表征：传质系数传质速率的表征：传质系数 电化学工程通常求助于化学工程的方法研究影响电化学工程通常求助于化学工程的方法研究影响传质

12、系数的因素。传质系数的因素。通过实验，确定若干无因次数群的关系来表示通过实验，确定若干无因次数群的关系来表示传质过程的规律，研究影响传质系数的因素。传质过程的规律，研究影响传质系数的因素。本讲稿第二十二页，共六十九页无因次数群无因次数群 无因次数群（准数）无因次数群（准数）：凡是几个有内在联系的物理量按凡是几个有内在联系的物理量按无因次条件组合起来的数群。无因次条件组合起来的数群。但是这种组合并非任意拼凑，一般都是在大量实但是这种组合并非任意拼凑，一般都是在大量实践的基础上，对影响某一现象或过程的各种因素有了践的基础上，对影响某一现象或过程的各种因素有了一定的认识之后，再用物理分析或数学推演或

13、二者相一定的认识之后，再用物理分析或数学推演或二者相结合的方法定出来的。结合的方法定出来的。无因次数群（准数）既能反映所包含的各物理量的内无因次数群（准数）既能反映所包含的各物理量的内在联系，又能说明某一现象或过程的一些本质。如雷诺在联系，又能说明某一现象或过程的一些本质。如雷诺准数可用来判断流体的流动型态。准数可用来判断流体的流动型态。本讲稿第二十三页，共六十九页无因次数群无因次数群（1）舍伍德数Sh km：传质系数；D：扩散系数；l：电化学反应器的特征长度；Sh与Km直接关联，可表征传质速率。本讲稿第二十四页，共六十九页（2）雷诺数Re ：电解液流速，m/s；l：电化学反应器的特征长度；：

14、介质的运动粘度，m2/s。Re表示电解液流动时惯性力与粘性力之比。无因次数群无因次数群本讲稿第二十五页，共六十九页（3）施密特数Sc Sc表示对流传质与扩散传质的关系。无因次数群无因次数群本讲稿第二十六页，共六十九页电化学反应器在不同条件下的传质过程规律：电化学反应器在不同条件下的传质过程规律：常数k，a，b可由实验确定，利用这些无因次的准数关联式及已知条件，可以计算Sh数，进而确定传质传质系数系数(km)和极限电流密度极限电流密度(id)。无因次数群无因次数群本讲稿第二十七页，共六十九页2 23 3 电化学工程中的热传递和热衡算电化学工程中的热传递和热衡算 温度对于电极反应的温度对于电极反应

15、的速度、过电位、选择性及速度、过电位、选择性及电化学工程的技术经济指标如工作电压、电流效率电化学工程的技术经济指标如工作电压、电流效率均有重要影响。而均有重要影响。而电解质的腐蚀性、电极材料及膜电解质的腐蚀性、电极材料及膜材料的稳定性材料的稳定性也均与温度有关。也均与温度有关。电化学反应温度的选择取决于多种因素，而电化学反应温度的选择取决于多种因素，而工工作温度的维持作温度的维持则取决于电化学反应器中的则取决于电化学反应器中的热传递及热传递及热平衡热平衡。将电化学反应器视为控制体进行热量衡算将电化学反应器视为控制体进行热量衡算，是，是电化学工程及电化学反应器设计中的重要工作。电化学工程及电化学

16、反应器设计中的重要工作。本讲稿第二十八页，共六十九页广义的热衡算表示式：广义的热衡算表示式：反应器内热量积累速率反应器内热量积累速率物料带入热量的速率物料带入热量的速率十电电化学反应器内产生热的速率化学反应器内产生热的速率一物料带出热量的速物料带出热量的速率率一反应器散热速率反应器散热速率土反应器内换热器的换热速反应器内换热器的换热速率率2 23 3 电化学工程中的热传递和热衡算电化学工程中的热传递和热衡算本讲稿第二十九页，共六十九页（1 1）单位时间反应物）单位时间反应物(产物产物)带入带入(出出)的热量的热量2 23 3 电化学工程中的热传递和热衡算电化学工程中的热传递和热衡算(2)(2)

17、单位时间电化学反应器内由于电化学反应进行产生单位时间电化学反应器内由于电化学反应进行产生的热量的热量(Js)本讲稿第三十页，共六十九页2 23 3 电化学工程中的热传递和热衡算电化学工程中的热传递和热衡算(2)(2)单位时间电化学反应器内由于电化学反应进行产单位时间电化学反应器内由于电化学反应进行产生的热量生的热量(Js)Q2 2不仅取决于反应器各组成部分的欧姆电阻，还与反不仅取决于反应器各组成部分的欧姆电阻，还与反应本身的热力学特性及动力学的不可逆性密切相关。应本身的热力学特性及动力学的不可逆性密切相关。本讲稿第三十一页，共六十九页（3 3）单位时间反应器的散热）单位时间反应器的散热（Js)

18、2 23 3 电化学工程中的热传递和热衡算电化学工程中的热传递和热衡算（4 4）单位时间反应器内热交换器带入）单位时间反应器内热交换器带入(或引出或引出)的热量的热量(Js)Q4本讲稿第三十二页，共六十九页 用途用途：（1）确定体系的热平衡温度确定体系的热平衡温度，即当体系达到稳态后，即当体系达到稳态后，温度不再变化时，温度不再变化时，dT/dt=0，则上式为，则上式为：也可据给定的温差确定电流及反应器应设置的也可据给定的温差确定电流及反应器应设置的热交换器的功率。热交换器的功率。2 23 3 电化学工程中的热传递和热衡算电化学工程中的热传递和热衡算本讲稿第三十三页，共六十九页（2 2）估算达

19、到某一温度所需的时间）估算达到某一温度所需的时间2 23 3 电化学工程中的热传递和热衡算电化学工程中的热传递和热衡算本讲稿第三十四页，共六十九页2 24 4 电极表面的电位及电流分布电极表面的电位及电流分布 u电化学工程区别于化学工程的特殊问题电化学工程区别于化学工程的特殊问题：电极表面的电位及电流分布电极表面的电位及电流分布u各种工业电化学工程都要求：各种工业电化学工程都要求：电极表面具有均匀的电流分布电极表面具有均匀的电流分布本讲稿第三十五页，共六十九页2 24 4 电极表面的电位及电流分布电极表面的电位及电流分布 电极表面电流不均匀分布的不良后果电极表面电流不均匀分布的不良后果：（1

20、1）使电极的活性表面或活化物质不能充分利用，）使电极的活性表面或活化物质不能充分利用，从而从而降低降低电化学反应器的电化学反应器的时空产率时空产率以及以及能量效率能量效率。（2）使电极表面的局部反应速度处于使电极表面的局部反应速度处于“失控状态失控状态”，不能在给定的合理的电流密度下工作，由此产生的，不能在给定的合理的电流密度下工作，由此产生的副反应，可能副反应，可能降低电流效率降低电流效率和和产品的质量产品的质量。本讲稿第三十六页，共六十九页电极表面电流不均匀分布的不良后果电极表面电流不均匀分布的不良后果：（3 3）导致电极材料的）导致电极材料的不均匀损耗不均匀损耗，局部腐蚀、失活，局部腐蚀

21、、失活，缩短了电极的工作寿命。缩短了电极的工作寿命。（4 4）在利用金属电沉积的场合，可能产生枝晶，造）在利用金属电沉积的场合，可能产生枝晶，造成短路或损坏隔膜，或由于局部成短路或损坏隔膜，或由于局部pHpH值的变化，在电值的变化，在电极表面形成氧化物或氢氧化物膜层。极表面形成氧化物或氢氧化物膜层。2 24 4 电极表面的电位及电流分布电极表面的电位及电流分布 本讲稿第三十七页，共六十九页一、影响电位及电流分布的因素及三种电流分一、影响电位及电流分布的因素及三种电流分布的规律布的规律二、一次电流分布二、一次电流分布三、二次电流分布三、二次电流分布四、三次电流分布四、三次电流分布五、三维电极的电

22、流分布五、三维电极的电流分布2 24 4 电极表面的电位及电流分布电极表面的电位及电流分布 本讲稿第三十八页，共六十九页一、影响电位及电流分布的因素一、影响电位及电流分布的因素及三种电流分布的规律及三种电流分布的规律 u电流分布电流分布：取决于取决于电位分布电位分布及电解液中及电解液中反应物的反应物的局部浓度、电导率局部浓度、电导率。注意注意：通过界面的反应电流，表征电化学反应速度通过界面的反应电流，表征电化学反应速度的电流密度的电流密度u电位（电极电位）分布电位（电极电位）分布：与电极的形状及相互位与电极的形状及相互位置、距离及电极的极化特性有关。置、距离及电极的极化特性有关。本讲稿第三十九

23、页，共六十九页一、影响电位及电流分布的因素一、影响电位及电流分布的因素及三种电流分布的规律及三种电流分布的规律 若对工业电解槽中电极表面任何一点的电压进行分若对工业电解槽中电极表面任何一点的电压进行分析，均可建立槽电压的平衡关系式：析，均可建立槽电压的平衡关系式：如该点处于正极阳极极化，则该点的电极电位：如该点处于正极阳极极化，则该点的电极电位：本讲稿第四十页，共六十九页影响电位分布及电流分布的因素影响电位分布及电流分布的因素 ：u电化学反应器及电极的结构因素电化学反应器及电极的结构因素：形状、尺寸大小、相互位置、距离等。u电极和电解液的电导率及其分布电极和电解液的电导率及其分布u产生过电位的

24、各种极化产生过电位的各种极化：电化学极化、浓度极化u其它因素其它因素：电极表面发生的各种表面转化步骤及所形成的表面膜层。本讲稿第四十一页，共六十九页电流分布的规律电流分布的规律:(1)一次电流分布一次电流分布：忽略各种过电位，并认为电导率亦均匀时的电流分布。(2)二次电流分布二次电流分布：考虑电化学极化但忽略浓度极化时的电流分布。(3)三次电流分布三次电流分布：既考虑电化学极化又考虑浓度极化时的电流分布。本讲稿第四十二页，共六十九页电流分布的规律电流分布的规律:本讲稿第四十三页，共六十九页电流分布电流分布u电极的电导率很高，电极表面为等电位面。电极的电导率很高，电极表面为等电位面。u电解液中每

25、一点电压大小介于两电极电压之间。电解液中每一点电压大小介于两电极电压之间。u电解液中亦可找出具有相等电位之假想平面，愈电解液中亦可找出具有相等电位之假想平面，愈靠近电极，等电位平面与电极形状愈相似。靠近电极，等电位平面与电极形状愈相似。u等电位面愈密集，电流密度愈大。等电位面愈密集，电流密度愈大。u等电位面与其对应力的平面互相垂直，电流流进等电位面与其对应力的平面互相垂直，电流流进或流出电极某一点与该点所在的平面互相垂直。或流出电极某一点与该点所在的平面互相垂直。本讲稿第四十四页，共六十九页二、一次电流分布二、一次电流分布u电极表面电流密度：标量，电极表面电流密度：标量，is在垂直电极表面方向

26、的在垂直电极表面方向的分量。分量。u溶液电流密度：矢量，垂直于等电溶液电流密度：矢量，垂直于等电位面，正切于电力线。位面，正切于电力线。u电极表面电流密度的求解：电位在垂直电极表面的偏微电极表面电流密度的求解：电位在垂直电极表面的偏微分及溶液电流密度式。分及溶液电流密度式。本讲稿第四十五页，共六十九页二、一次电流分布二、一次电流分布定量研究电流分布：定量研究电流分布：须求出溶液中的电位分布须求出溶液中的电位分布(X,Y,Z)，即求解，即求解LapLace方程。方程。本讲稿第四十六页，共六十九页LapLace方程的推导方程的推导质量和电量传递的基本方程：质量和电量传递的基本方程：溶液中某点溶液中

27、某点质点质点B B的浓度的浓度C CB B随时间的变化率随时间的变化率，由发，由发生在溶液中的生在溶液中的三种传质方式三种传质方式及及生成质点生成质点B B的均相化学反的均相化学反应速度应速度决定决定本讲稿第四十七页，共六十九页LapLace方程的推导方程的推导质量和电量传递的基本方程：质量和电量传递的基本方程：设：电流密度远小于极限扩散电流密度，即浓度极化设：电流密度远小于极限扩散电流密度，即浓度极化可忽略时，可认为溶液中不存在浓度梯度。可忽略时，可认为溶液中不存在浓度梯度。本讲稿第四十八页，共六十九页LapLace方程的推导方程的推导质量和电量传递的基本方程（不考虑浓度极化）：质量和电量传

28、递的基本方程（不考虑浓度极化）：本讲稿第四十九页，共六十九页二、一次电流分布二、一次电流分布 采用采用保角变换法保角变换法求解拉氏方程求解拉氏方程,研究平行板电极的一次研究平行板电极的一次电流分布。电流分布。边界条件：边界条件：（1 1）由于电极的电导率很高，电极表面为等位面，即）由于电极的电导率很高，电极表面为等位面，即常数；常数；（2 2）在其它的绝缘表面）在其它的绝缘表面(如电解槽槽壁如电解槽槽壁)上没有电流通过，上没有电流通过，其法线方向的电位梯度为零，即其法线方向的电位梯度为零，即本讲稿第五十页，共六十九页二、一次电流分布二、一次电流分布L：电极长度；：电极长度；：电极间隙：电极间隙

29、本讲稿第五十一页，共六十九页二、一次电流分布二、一次电流分布本讲稿第五十二页，共六十九页x=Lx=0 x=Lx=0i/im(a)(b)平平行行板板电电极极表表面面的的电电流流密密度度的的分分布布（处处于于充充分分发发展展的的层层流流状状态态）（a a)反反应应器器示示意意图图（b b）电电流流分分布布曲曲线线本讲稿第五十三页，共六十九页二、一次电流分布二、一次电流分布 平行板电极表面的电流分布：平行板电极表面的电流分布：uL=2 ，x0或或xL时，电极面端的电流密度急剧增时，电极面端的电流密度急剧增大，出现所谓的大，出现所谓的“边缘效应边缘效应”。uL L与与比值对电流的分布影响较大。比值愈大

30、，电流比值对电流的分布影响较大。比值愈大，电流分布愈均匀。分布愈均匀。u电极边缘情况不同，电流分布可能发生很大的变化。电极边缘情况不同，电流分布可能发生很大的变化。本讲稿第五十四页，共六十九页二、一次电流分布二、一次电流分布i=i=定值i=0电极边缘处于不同情况下的一次电流分布电极边缘处于不同情况下的一次电流分布（蓝色：电极表面；红色：电化学反应器器壁）（蓝色：电极表面；红色：电化学反应器器壁）x=L/2处的电流密度：处的电流密度：本讲稿第五十五页，共六十九页二、一次电流分布二、一次电流分布一次电流分布只有在平行电极及同心圆柱电极体系，即一次电流分布只有在平行电极及同心圆柱电极体系，即电电极间

31、隙相等、且两端良好绝缘极间隙相等、且两端良好绝缘时才能均匀时才能均匀电极表面的一次电流分布在距离最近点，电流密度最高；在距离最近点，电流密度最高；在阳极背面的点，电流密度趋在阳极背面的点，电流密度趋于零于零本讲稿第五十六页，共六十九页三、二次电流分布三、二次电流分布 二次电流分布的定量处理的原理与一次分布基本二次电流分布的定量处理的原理与一次分布基本相同相同,拉普拉斯方程的一个边界条件发生了变化，拉普拉斯方程的一个边界条件发生了变化，即即电极与溶液界面的电位差受电流密度的影响电极与溶液界面的电位差受电流密度的影响。为使这一边界条件明确，必须确定为使这一边界条件明确，必须确定与与i的关系。的关系

32、。本讲稿第五十七页，共六十九页三、二次电流分布三、二次电流分布电极与溶液界面的电位差受电流密度的影响电极与溶液界面的电位差受电流密度的影响:u在低电流密度区，在低电流密度区，与与i近似存在线性关系，拉氏方程近似存在线性关系，拉氏方程的边界条件得以线性化，较易积分求解。的边界条件得以线性化，较易积分求解。u在高电流密度区，在高电流密度区，与与i的关系可近似用的关系可近似用Tafel公式表公式表示。示。本讲稿第五十八页，共六十九页电极表面的二次电流分布电极表面的二次电流分布：三、二次电流分布（电化学极化影响的定性讨三、二次电流分布（电化学极化影响的定性讨论）论）电极表面的二次电流分布u 不考虑电化

33、学极化不考虑电化学极化21，R2R1，i1i2本讲稿第五十九页，共六十九页电极表面的二次电流分布电极表面的二次电流分布：三、二次电流分布（电化学极化影响的定性讨三、二次电流分布（电化学极化影响的定性讨论）论）电极表面的二次电流分布u考虑电化学极化考虑电化学极化 i1i2，12本讲稿第六十页，共六十九页影响二次电流分布的因素影响二次电流分布的因素 ：（1 1）电解液的电导率（决定溶液电阻）电解液的电导率（决定溶液电阻）（2 2）电极反应的极化率（决定过电位）电极反应的极化率（决定过电位）（3 3）电极间的距离（）电极间的距离（）三、二次电流分布三、二次电流分布本讲稿第六十一页，共六十九页 电化学

34、工程中常用一个无因次的数群电化学工程中常用一个无因次的数群Wa来表征来表征二次电流分布的均匀性。二次电流分布的均匀性。三、二次电流分布三、二次电流分布Wa的物理含义的物理含义：单位面积的极化电阻与单位面积的电解液单位面积的极化电阻与单位面积的电解液电阻之比电阻之比;电荷通过双电层时的电阻与通过溶液的电阻电荷通过双电层时的电阻与通过溶液的电阻之比。之比。Wa Wa 愈大，电流分布愈均匀，即很小的电流密愈大，电流分布愈均匀，即很小的电流密度变化产生的过电位变化即可弥补由于电流密度变化度变化产生的过电位变化即可弥补由于电流密度变化引起的溶液欧姆压降的变化。引起的溶液欧姆压降的变化。本讲稿第六十二页，

35、共六十九页三、二次电流分布三、二次电流分布X/Li/im本讲稿第六十三页，共六十九页u电解液的组成：加入支持电解质使溶液电导率提电解液的组成：加入支持电解质使溶液电导率提高，或加入有机添加剂，使电极反应的极化电阻值高，或加入有机添加剂，使电极反应的极化电阻值提高，都将使提高，都将使WaWa值增大，改善电流分布的均匀性。值增大，改善电流分布的均匀性。u反应器或电极增大后，特征长度增大将使反应器或电极增大后，特征长度增大将使WaWa数减数减小，电流分布更不均匀。小，电流分布更不均匀。三、二次电流分布三、二次电流分布影响影响Wa数值大小及二次电流分布的各种因素：数值大小及二次电流分布的各种因素：本讲

36、稿第六十四页，共六十九页三、二次电流分布三、二次电流分布本讲稿第六十五页，共六十九页u当过电位与电流密度的关系处于当过电位与电流密度的关系处于Tafel区时区时三、二次电流分布三、二次电流分布影响影响Wa数值大小及二次电流分布的各种因素：数值大小及二次电流分布的各种因素：提高电流密度，将使电流分布更不均匀提高电流密度，将使电流分布更不均匀本讲稿第六十六页，共六十九页四、三次电流分布四、三次电流分布(考虑电化学极化、浓差极化）考虑电化学极化、浓差极化）不能应用拉普拉斯方程定量处理三次电流分布，需用传不能应用拉普拉斯方程定量处理三次电流分布，需用传质基本方程。质基本方程。当电流密度达到极限扩散电流

37、密度时，反应物浓当电流密度达到极限扩散电流密度时，反应物浓度沿液流方向不断下降，导致反应电流相应减小，度沿液流方向不断下降，导致反应电流相应减小，电流分布将变得很不均匀。电流分布将变得很不均匀。本讲稿第六十七页，共六十九页电极表面的三次电流分布电极表面的三次电流分布四、三次电流分布四、三次电流分布(考虑电化学极化、浓差极化）考虑电化学极化、浓差极化）本讲稿第六十八页，共六十九页四、三次电流分布四、三次电流分布(考虑电化学极化、浓差极化）考虑电化学极化、浓差极化）电极表面轮廓对电流分布的影响电极表面轮廓对电流分布的影响电极表面的粗糙度远大于扩电极表面的粗糙度远大于扩散层厚度，扩散层将沿表面散层厚度，扩散层将沿表面轮廓分布，并且厚度大致均轮廓分布，并且厚度大致均匀，因此将具有基本均匀的匀，因此将具有基本均匀的id值。值。电极表面的粗糙度远小于扩电极表面的粗糙度远小于扩散层厚度，在扩散控制下，散层厚度，在扩散控制下，将形成不均匀的三次电流分将形成不均匀的三次电流分布。布。i峰i谷i峰i谷本讲稿第六十九页，共六十九页