Том 337 № 2 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/2/5316
Исследование влияния различных факторов на анодную плотность тока при электролизном получении фтора
Актуальность. В настоящее время основным промышленным способом получения фтора является электролиз фтороводорода из расплавов гидрофторидов калия. Для этого чаще всего используют среднетемпературные (до 110 °С) электролизеры с электролитом состава KF∙2HF (трифторид калия), рассчитанные на силу тока до 40 кА, в которых основополагающими элементами являются жалюзийный стальной катод и коксовый анод в виде прямоугольного параллелепипеда. При этом в качестве анодов используют коксовые пластины производства АО «Донкарб Графит» (г. Челябинск), которые в России являются единственными поставщиками. Цель. Экспериментальные исследования изменения анодной плотности тока (i) от высоты коксовых анодных пластин (h), напряжения процесса электролиза (U), межэлектродного расстояния (анод–катод, b) и соотношения (k) объема электролита в электролизере (V, см3) к рабочей площади анодной пластины (S, см2). Методы. Экспериментальные исследования, физико-химические и химические методы анализов. Объект. Экспериментальные установки среднетемпературного электролитического получения фтора. Результаты. Проведены исследования влияния высоты анодных пластин (h) от 1 до 12 см, напряжения процесса электролиза (U) от 5 до 7,5 В, межэлектродного расстояния (b) от 1 до 4,5 см и соотношения объёма электролита в электролизере к рабочей площади коксовых анодных пластин (k) от 29 до 512 см на анодную плотность тока (i, А/см2). Установлено, что анодная плотность тока резко уменьшается при увеличении высоты анода от 1 до 5 см, затем она снижается значительно медленнее; анодная плотность тока уменьшается с увеличением межэлектродного расстояния при всех напряжениях процесса электролиза, причем с его повышением эта зависимость возрастает; анодная плотность тока линейно возрастает с повышением напряжения процесса электролиза, причем эта зависимость становится заметнее с уменьшением рабочей высоты анода; анодная плотность тока возрастает по логарифмической зависимости с увеличением соотношения k, она становится существеннее с повышением напряжения процесса электролиза. Приведены рекомендации для производственных испытаний процесса электролитического получения фтора.
Ключевые слова:
фтор, среднетемпературный электролиз, коксовые (угольные) пластины, высота пластин, площадь пластин, объём электролита, плотность тока
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рысс И.Г. Химия фтора и его неорганических соединений. – М.: Гос. научно-техн. изд-во хим. лит., 1956. – 718 с.
2. Галкин Н.П., Крутиков А.Б. Технология фтора. – М.: Атомиздат, 1968. – 188 с.
3. Корнилов В.В. Ретроспективный анализ и прогноз развития некоторых отраслей фторхимической промышленности // Online journal «Fluorine notes». – 2024. – Т. 157. – № 6. – С. 1–21. URL: http://ru.notes.fluorine1.ru/public/2024/6_2024/article_2.html (дата обращения 03.09.2025).
4. Fourie E. Establishing a process to reduce, recycle and reuse the waste electrolyte from fluorine generation: doctoral dissertation. – Johannesburg, 2004. – 177 p.
5. Интенсификация производства фтора / Н.П. Курин, Б.Ф. Шашкин, В.М. Беляев, М.М. Минин и др. // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2002. – Т. 305. – № 3. – С. 92–101. URL: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/4904 (дата обращения 03.09.2025).
6. Беляев В.М. Механизм и кинетика электродных процессов при электролизе расплава КF•nHF // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2003. – Т. 306. – № 6. – С. 85–90. URL: https://elibrary.ru/hpoptj (дата обращения 03.09.2025).
7. Binns K.J., Lawrenson P.J. Analysis and computation of electric and magnetic field problems // Pergamon International Library of Science, Technology, Engineering and Social Studies. – Netherlands: Elsevier, 2013. – P. 190–214
8. Modelling coupled transfers in an industrial fluorine electrolyser / H. Roustan, J.P. Caire, F. Nicolas, P. Pham // Journal of applied electrochemistry. – 1998. – Vol. 28. – P. 237–243. DOI: https://doi.org/10.1023/A:1003299213119.
9. Ливенцов С.Н. Разработка математической модели технологического процесса электролитического получения фтора в аппаратах СТЭ-20 // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2002. – Т. 305. – № 3. – С. 408–415. URL: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/4904 (дата обращения 03.09.2025).
10. Зусайлов Ю.Н., Бадеников В.Я. Увеличение эксплуатационной стойкости анодов и оптимизация работы серийных фторных электролизёров // Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. – Ангарск: АГТА, 2005. – Т. 1. – № 1. – С. 87–91. URL: https://elibrary.ru/rcfhcv (дата обращения 03.09.2025).
11. Зусайлов Ю.Н. Контроль качества продукции в производствах угольных анодов, фтора и гексафторида урана. – Ангарск: АГТУ, 2017. – 267 с.
12. Анализ углеродных материалов, используемых в качестве анодов в производстве фтора / В.Л. Софронов, А.В. Полянская, П.Б. Молоков и др. // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2019. – Т. 330. – № 4. – С. 78–88. DOI: 10.18799/24131830/2019/4/202.
13. Исследования коррозионной стойкости никелевых и магниевых сплавов в условиях электролизного производства фтора / В.Л. Софронов, Ю.П. Дамм, Е.Ю. Карташов, С.А. Ткачук, К.А. Эйрих // Вестник Тверского государственного университета. Химия. – 2024. – № 4. – С. 159–170. DOI: 10.26456/vtchem2024.4.16.
14. Софронов В.Л., Житков С.А., Ткачук С.А. Исследование вольт-амперных характеристик процесса получения фтора методом среднетемпературного электролиза // Вестник Томского государственного университета. Химия. – 2024. – № 36. – С. 81–89. DOI: 10.17223/24135542/36/6.
15. Исследования углеродных материалов и их ресурсные испытания в качестве анодов при производстве фтора / В.Л. Софронов, С.А. Ткачук, С.А. Житков, А.Н. Жиганов // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2025. – Т. 306. – № 6. – С. 85–90. DOI: 10.18799/24131830/2025/7/5070.
16. Falcon T. Micro-texturing by femtosecond laser ablation of a carbonaceous anode for production of fluorine by electrolysis // Journal of Fluorine Chemistry. – 2021. – Т. 244. – P. 109–116. DOI: 10.1016/j.jfluchem.2021.109746.
17. Sadler B.A. Critical issues in anode production and quality to avoid anode performance problems // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. – 2015. – Vol. 5. – № 8. – P. 546–568. DOI: 10.17516/1999-494X-2015-8-5-546-568.
18. Nakajima T. Fluorine-carbon and fluoride-carbon materials: chemistry, physics, and applications // Library of Congress cataloging-in-publication data / Ed.by T. Nakajima. – New York: CRC Press, 2001. – 416 p.
19. Watanabe N., Ishii Y., Yoshizawa S. Studies on the preparation of fluorine and its compounds. III Relation between the wettability of anode and the anodic polarization in the electrolytic generation of fluorine // Journal of the Electrochemical Society of Japan. – 1961. – Vol. 29. – № 3. – P. 180–186. DOI: 10.5796/jesj.29.3.E180.
20. Role of the surface properties of carbon anodes in the electrolytic preparation of fluorine / F. Lantelme, H. Groult, C. Belhomme, B. Morel, F. Nicolas // Journal of New Materials for Electrochemical Systems. – 2006. – Vol. 9. – № 3. – P. 283–290.
REFERENCES
1. Ryss I.G. Chemistry of fluorine and its inorganic compounds. Moscow, State Scientific and Technical Publ. House of Chemical Literature, 1956. 718 p. (In Russ.)
2. Galkin N.P., Krutikov A.B Fluorine technology. Moscow, Atomizdat Publ., 1968. 188 p. (In Russ.)
3. Kornilov V.V. Retrospective analysis and forecast of development of some branches of fluorochemical industry. Online journal «Fluorine notes», 2024, vol. 157, no. 6, pp. 1–21. Available at: http://ru.notes.fluorine1.ru/public/2024/6_2024/article_2.html (accessed 3 September 2025).
4. Fourie E. Establishing a process to reduce, recycle and reuse the waste electrolyte from fluorine generation. Dr. Diss. Johannesburg, 2004. 177 p.
5. Kurin N.P., Shashkin B.F., Belyaev V.M., Minin M.M. et al. Intensification of fluorine production. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, 2002, vol. 305, no. 3, pp. 92–101. (In Russ.) Available at: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/4904 (accessed 3 September 2025).
6. Belyaev V.M. Mechanism and kinetics of electrode processes in electrolysis of KF nHF melt. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, 2003, vol. 306, no. 6, pp. 85–90. (In Russ.) Available at: https://elibrary.ru/hpoptj (accessed 3 September 2025).
7. Binns K.J., Lawrenson P.J. Analysis and computation of electrical and magnetic field problems. Pergamon International Library of Science, Technology, Engineering and Social Studies. Netherlands, Elsevier, 2013. pp. 190–214.
8. Roustan H., Caire J.P., Nicolas F., Pham P. Modeling coupled transfers in an industrial fluorine electrolyser. Journal of applied electrochemistry, 1998, vol. 28, pp. 237–243. DOI: https://doi.org/10.1023/A:1003299213119.
9. Liventsov S.N. Development of a mathematical model of the technological process of electrolytic production of fluorine in STE-20 devices. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, 2002, vol. 305, no. 3, pp. 408–415. (In Russ.) Available at: http://earchive.tpu.ru/handle/11683/4904 (accessed 3 September 2025).
10. Zusailov Yu.N., Badenikov V.Ya. Increasing the operational durability of anodes and optimizing the operation of serial fluorine electrolyzers. Collection of scientific papers of the Angarsk State Technical University, 2005, vol. 1, no. 1, pp. 87–91. (In Russ.) Available at: https://elibrary.ru/rcfhcv (accessed 3 September 2025).
11. Zusailov Yu.N. Quality control of products in the production of carbon anodes, fluorine and uranium hexafluoride. Angarsk, ASTU Publ., 2017. 267 p. (In Russ.)
12. Sofronov V.L., Polyanskaya A.V., Molokov P.B. Analysis of carbon materials used as anodes in fluorine production. Bulletin of Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2019, vol. 330, no. 4, pp. 78–88. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2019/4/202.
13. Sofronov V.L., Damm Yu.P., Kartashov E.Yu., Tkachuk S.A., Eirikh K.A. Studies of corrosion resistance of nickel and magnesium alloys under conditions of electrolysis production of fluorine. Bulletin of Tver State University. Chemistry, 2024, no. 4, pp. 159–170. (In Russ.) DOI: 10.26456/vtchem2024.4.16.
14. Sofronov V.L., Zhitkov S.A., Tkachuk S.A. Study of volt-ampere characteristics of the process of obtaining fluorine by medium-temperature electrolysis. Bulletin of Tomsk State University. Chemistry, 2024, no. 36, pp. 81–89. (In Russ.) DOI: 10.17223/24135542/36/6.
15. Sofronov V.L., Tkachuk S.A., Zhitkov S.A., Zhiganov A.N. Studies of carbon materials and their resource tests as anodes in fluorine production. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2025, vol. 306, no. 6, pp. 85–90. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2025/7/5070.
16. Falcon T. Micro-texturing by femtosecond laser ablation of a carbonaceous anode for production of fluorine by electrolysis. Journal of Fluorine Chemistry, 2021, vol. 244, pp. 109–116. DOI: 10.1016/j.jfluchem.2021.109746.
17. Sadler B.A. Critical issues in anode production and quality to avoid anode performance problems. Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2015, vol. 5, no. 8, pp. 546–568. DOI: 10.17516/1999-494X-2015-8-5-546-568.
18. Nakajima T. Fluorine-carbon and fluoride-carbon materials: chemistry, physics, and applications. library of congress cataloging-in-publication data. Ed. by Tsuyoshi Nakajima. New York, CRC Press, 2001. 416 p.
19. Watanabe N., Ishii Y., Yoshizawa S. Studies on the preparation of fluorine and its compounds. III Relation between the wettability of anode and the anodic polarization in the electrolytic generation of fluorine. Journal of the Electrochemical Society of Japan, 1961, vol. 29, no. 3, pp. 180–186. DOI: 10.5796/jesj.29.3.E180.
20. Lantelme F., Groult H., Belhomme C., Morel B., Nicolas F. Role of the surface properties of carbon anodes in the electrolytic preparation of fluorine. Journal of New Materials for Electrochemical Systems, 2006, vol. 9, no. 3, pp. 283–290.
