Tratamiento electroquímico de aguas. Electrólisis
Cuando una corriente eléctrica continua pasa a través del electrolito, se producen reacciones químicas en los electrodos. Este proceso se llama electrólisis, lo que significa la descomposición (de sustancias) con la ayuda de la electricidad.
en seg. 8.1, se indicó que un electrolito es un líquido que, cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través de él, sufre una reacción química. El electrolito puede ser una sal fundida, como el bromuro de plomo (H), o una solución acuosa de algún ácido, base o sal.
La corriente eléctrica se suministra al electrolito mediante electrodos: conductores de alambre, varillas o placas de metal que hacen contacto eléctrico con el electrolito. El electrodo cargado negativamente es el cátodo y el electrodo positivo es el ánodo. Los electrodos que no entran en reacciones químicas cuando están en contacto con electrolitos y cuando una corriente eléctrica pasa a través de ellos se llaman electrodos inertes. Los electrodos inertes incluyen grafito y platino.
TEORÍA IÓNICA DE LA ELECTRÓLISIS
Según esta teoría, el paso de una corriente eléctrica continua a través del electrolito se realiza con la ayuda de iones. En los electrodos, los electrones se transfieren hacia o desde los iones. Por lo tanto, los procesos que ocurren en los electrodos pueden considerarse como semirreacciones reductoras u oxidantes. Por lo tanto, la electrólisis es un proceso redox.
En el ánodo siempre tiene lugar una semirreacción oxidativa. En esta reacción, los aniones pierden electrones y se descargan, convirtiéndose en partículas neutras. Por lo tanto, el ánodo actúa como sumidero de electrones de los aniones.
Siempre se produce una semirreacción de reducción en el cátodo. Aquí, los cationes adquieren electrones y se descargan, convirtiéndose en partículas neutras. Por tanto, el cátodo actúa como fuente de electrones para los cationes.
La electrólisis del bromuro de plomo (H) fundido consta de dos semirreacciones:
1) los iones de bromuro se descargan en el ánodo. (La ecuación para esta semirreacción tiene
2Вg-(l.) \u003d Vg2 (g.) + 2e-
Esta semirreacción es una oxidación.)
2) los iones de plomo se descargan en el cátodo. (La ecuación para esta semirreacción es:
Pb2+(sólido) + 2e- = Pb(l.)
Esta semirreacción es una reducción.)
Cabe señalar que las reacciones que ocurren en el ánodo y el cátodo en cada sistema particular están predeterminadas por la polaridad de la fuente de corriente en el circuito eléctrico externo. El polo negativo de una fuente de corriente externa (batería) suministra electrones a uno de los electrodos de la celda electrolítica. Esto provoca una carga negativa de este electrodo. Se convierte en el cátodo. Dado que este electrodo está cargado negativamente, a su vez provoca una reacción de electrodo en la que se consumen electrones. Así, el proceso de recuperación se lleva a cabo sobre este electrodo. En el otro electrodo, los electrones fluyen desde la celda electrolítica hacia el circuito externo, lo que convierte a este electrodo en el electrodo positivo. Entonces, este electrodo juega el papel del ánodo. Debido a su carga positiva, se produce una reacción en él, que va acompañada de la liberación de electrones, es decir, oxidación.
Una representación esquemática de todo el proceso de electrólisis se muestra en la fig. 10.6.
La formación de una sustancia insoluble como resultado de una reacción química es solo una de las condiciones para obtener una solución coloidal. Otra condición igualmente importante es la desigualdad de los materiales de partida tomados en la reacción. La consecuencia de esta desigualdad es la limitación del crecimiento del tamaño de las partículas en soluciones coloidales, lo que conduciría a la formación de un sistema de dispersión gruesa.
Consideremos el mecanismo de formación de una partícula coloidal usando el ejemplo de la formación de un sol de yoduro de plata, que se obtiene por la interacción de soluciones diluidas de nitrato de plata y yoduro de potasio.
AgNO 3 + KI \u003d AgI + KNO 3
Ag + + NO 3 ¯ + K + + I ¯ = AgI ↓ + NO 3 ¯ + K +
Las moléculas neutras insolubles de yoduro de plata forman el núcleo de una partícula coloidal.
Al principio, estas moléculas se combinan en desorden, formando una estructura amorfa y suelta, que gradualmente se convierte en una estructura cristalina muy ordenada del núcleo. En el ejemplo que estamos considerando, el núcleo es un cristal de yoduro de plata, que consta de un gran número (m) de moléculas de AgI:
m - el núcleo de la partícula coloidal
En la superficie del núcleo tiene lugar un proceso de adsorción. De acuerdo con la regla de Peskov-Fajans, los iones que forman parte del núcleo de la partícula se adsorben en la superficie del núcleo de las partículas coloidales, es decir, Se adsorben iones de plata (Ag+) o iones de yodo (I-). De estos dos tipos de iones, los que están en exceso son adsorbidos.
Entonces, si se obtiene una solución coloidal en un exceso de yoduro de potasio, los iones de yodo se adsorberán en partículas (núcleos), que completan la red cristalina del núcleo, ingresando de forma natural y firme en su estructura. En este caso, se forma una capa de adsorción, que le da al núcleo una carga negativa:
Los iones adsorbidos en la superficie del núcleo, dándole una carga adecuada, se denominan iones formadores de potencial.
Al mismo tiempo, los iones con carga opuesta también están en solución, se les llama contraiones. En nuestro caso, estos son iones de potasio (K +), que son atraídos electrostáticamente al núcleo cargado (el valor de carga puede alcanzar I c). Una parte de los contraiones K+ está fuertemente unida por fuerzas eléctricas y de adsorción y entra en la capa de adsorción. Un núcleo con una doble capa de adsorción de iones formada sobre él se llama gránulo.
(m . nI - . (n-x) K + ) x - (estructura granular)
La parte restante de los contraiones (denominémoslos con el número "x K +") forma una capa difusa de iones.
El núcleo con capas de adsorción y difusión se llama micela. :
(m . nI -. (n-x) K + ) x - . x K + (estructura micelar)
Cuando una corriente eléctrica constante pasa a través de una solución coloidal, los gránulos y los contraiones se moverán hacia los electrodos con carga opuesta, respectivamente.
La presencia de la misma carga en la superficie de las partículas del sol es importante. factor en su sostenibilidad. La carga evita la adherencia y el agrandamiento de las partículas. En un sistema disperso estable, las partículas se mantienen en suspensión, es decir, no se produce precipitación de la sustancia coloidal. Esta propiedad de los soles se llama kineti estabilidad descarada.
La estructura de micelas del sol de yoduro de plata obtenido en exceso de AgNO 3 se muestra en la Fig. 3. 1a, en exceso de KCI - 1b .
Figura 1.5. La estructura de las micelas de sol de yoduro de plata obtenidas en exceso:
a) nitrato de plata; b) cloruro de potasio.
Electrólisis- un proceso redox que ocurre en los electrodos cuando una corriente eléctrica directa pasa a través de una solución de electrolito o se derrite. En un electrolizador, la energía eléctrica se convierte en la energía de una reacción química.
Cátodo (-) – electrodo negativo en el que se produce la reducción durante la electrólisis.
Ánodo (+) – el electrodo positivo en el que se produce la oxidación durante la electrólisis.
A diferencia de la electrólisis, en una celda galvánica, la reducción ocurre en un cátodo cargado positivamente y la oxidación ocurre en un ánodo cargado negativamente.
En la electrólisis se pueden utilizar ánodos inertes (insolubles) y activos (consumibles). El ánodo activo, al oxidarse, envía sus propios iones a la solución. Un ánodo inerte es solo un transmisor de electrones y no cambia químicamente. El grafito, el platino y el iridio se utilizan generalmente como electrodos inertes.
Durante la electrólisis de fundidos y soluciones de electrolitos, los iones formados durante su disociación (bajo la influencia de la temperatura o el agua) - cationes (Kt n +) y aniones (An m -) se mueven, respectivamente, al cátodo (-) y al ánodo. (+). Luego, en los electrodos, los electrones se transfieren del cátodo al catión y los aniones donan electrones al ánodo.
Cuantitativamente, la electrólisis se describe mediante dos leyes de Faraday.
Ley de Faraday: la masa de la sustancia liberada durante la electrólisis es proporcional a la cantidad de electricidad que ha pasado por el electrolizador:
metro = k I∙τ = k∙q ,
Dónde I– fuerza actual; τ – tiempo de flujo de corriente; Q = I∙τ- la cantidad de electricidad; k- coeficiente de proporcionalidad, cuyo valor depende del sistema de unidades elegido (si Q= 1 C, entonces metro = k).
La masa de una sustancia liberada durante el paso de 1 C de electricidad se llama equivalente electroquímico.
II Ley de Faraday: con la misma cantidad de electricidad que pasa a través del electrolito, el número de equivalentes gramo de los productos de electrólisis es el mismo.
Para liberar un equivalente de cualquier sustancia en el electrodo, es necesario gastar la misma cantidad de electricidad, igual a constante de faraday F= 96485 C/mol. De hecho, un equivalente de una sustancia contiene N A = 6.02322∙10 23 partículas, y para restaurar tal número de iones cargados individualmente en el cátodo, es necesario gastar la cantidad de electricidad:
F = N A∙ ē = 6.02322∙10 23 partículas/mol ∙ 1.6021∙10 –19 C = 96485 C/mol,
donde esta la carga del electron ē = 1.6021∙10 –19 Cl.
Generalizando ambas leyes de Faraday, es posible anotar.
Soluciones de agua electroactivadas: los catolitos y anolitos se pueden usar en agricultura, para aumentar la productividad de las plantas, en la cría de animales, en medicina, para la desinfección del agua y para fines domésticos. El tratamiento electroquímico del agua incluye varios procesos electroquímicos asociados con la transferencia de electrones, iones y otras partículas en un campo eléctrico constante (electrólisis, electroforesis, electroflotación, electrocoagulación), el principal de los cuales es la electrólisis del agua. Este artículo introduce al lector a los principales procesos subyacentes a la electrólisis del agua.
Introducción
El fenómeno de activación electroquímica del agua (EAW) es una combinación de efectos electroquímicos y electrofísicos sobre el agua en una doble capa eléctrica (DEL) de electrodos (ánodo y cátodo) durante la transferencia de carga fuera del equilibrio a través del DEL por medio de electrones y en condiciones de dispersión intensiva en el líquido de los productos gaseosos resultantes de las reacciones electroquímicas. Hay cuatro procesos principales en el proceso de ECA:
- descomposición electrolítica del agua (electrólisis) debido a reacciones redox en los electrodos, provocadas por un campo eléctrico externo constante;
- electroforesis - el movimiento en un campo eléctrico de partículas e iones cargados positivamente al cátodo, y partículas e iones cargados negativamente al ánodo;
- electroflotación: la formación de flóculos y agregados de gas que consisten en burbujas de gas finamente dispersas (hidrógeno en el cátodo y oxígeno en el ánodo) e impurezas de agua dispersas en grueso;
- electrocoagulación - la formación de agregados coloidales de partículas de la fase dispersa precipitada debido al proceso de disolución anódica del metal y la formación de cationes metálicos Al 3+ , Fe 2+ , Fe 3+ bajo la influencia de un campo eléctrico constante .
Como resultado del tratamiento del agua con corriente eléctrica continua, a potenciales iguales o superiores al potencial de descomposición del agua (1,25 V), el agua pasa a un estado metaestable, caracterizado por valores anormales de actividad electrónica y otros parámetros físico-químicos (pH , Eh, ORP, conductividad eléctrica). El paso de una corriente eléctrica constante a través del volumen de agua se acompaña de procesos electroquímicos, como resultado de lo cual se producen reacciones redox que conducen a la destrucción (destrucción) de la contaminación del agua, la coagulación de los coloides, la floculación de las impurezas gruesas y su posterior flotación. .
El fenómeno de la activación electroquímica del agua es una combinación de efectos electroquímicos y electrofísicos sobre el agua en una doble capa eléctrica de electrodos durante la transferencia de carga fuera del equilibrio.
El tratamiento electroquímico se utiliza para la clarificación y decoloración de aguas naturales, su ablandamiento, depuración de metales pesados (Cu, Co, Cd, Pb, Hg), cloro, flúor y sus derivados, para el tratamiento de aguas residuales que contengan derivados del petróleo, orgánicos y organoclorados. compuestos, colorantes, tensioactivos, fenol. Las ventajas de la purificación electroquímica del agua es que le permite ajustar los valores del valor de pH y el potencial redox E h , de los cuales depende la posibilidad de varios procesos químicos en el agua; aumenta la actividad enzimática de lodos activados en tanques de aireación; reduce la resistividad y mejora las condiciones de coagulación y sedimentación de los sedimentos orgánicos.
En 1985, EXHAV fue reconocido oficialmente como una nueva clase de fenómenos físicos y químicos. La Orden del Gobierno de la Federación Rusa del 15 de enero de 1998 No. VCh-P1201044 dio recomendaciones a los ministerios y departamentos para usar esta tecnología en medicina, agricultura e industria.
electrólisis del agua
La etapa principal del tratamiento electroquímico del agua es la electrólisis del agua. Cuando una corriente eléctrica constante pasa a través del agua, la entrada de electrones en el agua en el cátodo, así como la eliminación de electrones del agua en el ánodo, se acompaña de una serie de reacciones redox en las superficies del cátodo y ánodo. Como resultado, se forman nuevas sustancias, cambia el sistema de interacciones intermoleculares, la composición del agua, incluida la estructura del agua. Una instalación típica para el tratamiento electroquímico de agua consta de una unidad de tratamiento de agua 1, un electrolizador 2 y una unidad de tratamiento de agua 3 después del tratamiento electroquímico (Fig. 1).
En algunas instalaciones de tratamiento electroquímico de agua, se proporciona una purificación mecánica preliminar del agua, lo que reduce el riesgo de obstrucción de la celda electrolítica con impurezas gruesas con alta resistencia hidráulica. Se necesita un bloque para la purificación mecánica del agua si, como resultado del tratamiento electroquímico, el agua está saturada con impurezas gruesas, por ejemplo, escamas de hidróxidos metálicos (Al (OH) 3, Fe (OH) 3, Mg (OH) 2) después de la electrocoagulación. El elemento principal de la instalación es un electrolizador, formado por una o varias celdas de electrólisis (Fig. 2).
La celda de electrólisis está formada por dos electrodos, un ánodo cargado positivamente y un cátodo cargado negativamente, conectados a diferentes polos de una fuente de corriente continua. El espacio entre electrodos está lleno de agua, que es un electrolito capaz de conducir corriente eléctrica. Como resultado de la operación del dispositivo, hay una transferencia de cargas eléctricas a través de una capa de agua, electroforesis, es decir, la migración de partículas polares, portadores de carga, iones, a electrodos de signo opuesto.
Cuando una corriente eléctrica constante pasa a través del agua, la entrada de electrones en el agua en el cátodo, así como la eliminación de electrones del agua en el ánodo, se acompaña de una serie de reacciones redox en las superficies del cátodo y ánodo.
En este caso, los aniones con carga negativa se mueven hacia el ánodo y los cationes con carga positiva se mueven hacia el cátodo. En los electrodos, los iones cargados pierden su carga, se despolarizan y se convierten en productos de descomposición. Además de los iones cargados, en la electroforesis participan partículas polares de diversa dispersión, incluidas partículas gruesas (partículas emulsionadas, burbujas de gas, etc.), pero los iones cargados con la mayor movilidad desempeñan el papel principal en la transferencia de cargas electroquímicas. Las partículas polares incluyen partículas polares entre las impurezas del agua y las moléculas de agua, lo que se explica por su estructura especial.
El átomo de oxígeno central, que forma parte de la molécula de agua, que tiene una electronegatividad mayor que los átomos de hidrógeno, atrae electrones hacia sí mismo, dando asimetría a la molécula. Como resultado, la densidad electrónica se redistribuye: la molécula de agua se polariza, asumiendo las propiedades de un dipolo eléctrico con un momento dipolar de 1,85 D (Debye), con cargas positivas y negativas en los polos (Fig. 3).
Los productos de las reacciones de los electrodos son impurezas acuosas neutralizadas, hidrógeno y oxígeno gaseosos formados durante la destrucción electrolítica de las moléculas de agua, cationes metálicos (Al 3+, Fe 2+, Fe 3+) en el caso de utilizar ánodos metálicos de aluminio y acero. , cloro molecular, etc. En este caso, se genera hidrógeno gaseoso en el cátodo y oxígeno en el ánodo. La composición del agua contiene una cierta cantidad de ion hidronio H 3 O +, que se despolariza en la superficie del cátodo con la formación de hidrógeno atómico H:
H 3 O + + e - → H + H 2 O.
En un ambiente alcalino, el H 3 O + está ausente, pero las moléculas de agua se destruyen, acompañadas de la formación de hidrógeno atómico H - e hidróxido OH -:
H 2 O + e - → H + OH -.
Los átomos de hidrógeno reactivos se adsorben en las superficies de los cátodos y, después de la recombinación, forman hidrógeno molecular H 2 , que se libera del agua en forma gaseosa:
H + H → H 2.
Al mismo tiempo, se libera oxígeno atómico en los ánodos. En un ambiente ácido, este proceso va acompañado de la destrucción de las moléculas de agua:
2H 2 O - 4e - → O 2 + 4H +.
En un ambiente alcalino, los iones de hidróxido de OH siempre sirven como fuente de formación de oxígeno, moviéndose bajo la acción de la electroforesis en los electrodos, desde el cátodo hasta el ánodo:
4 OH - → O 2 + 2 H 2 O + 4 e -.
Los potenciales redox normales de estas reacciones son +1,23 y +0,403 V, respectivamente, pero el proceso procede en condiciones de algunos
sobretensión La celda de electrólisis puede considerarse como un generador de los productos anteriores, algunos de los cuales, al entrar en interacción química entre sí y con los contaminantes del agua en el espacio entre electrodos, proporcionan una purificación química adicional del agua (electroflotación, electrocoagulación). Estos procesos secundarios no ocurren en la superficie de los electrodos, sino en el volumen de agua. Por lo tanto, a diferencia de los procesos de electrodos, se designan como volumétricos. Se inician por un aumento de la temperatura del agua durante la electrólisis y un aumento del pH durante la destrucción catódica de las moléculas de agua.
Distinguir entre oxidación catódica y anódica. Durante la oxidación catódica, las moléculas de las sustancias orgánicas, al ser absorbidas en los cátodos, aceptan electrones libres, se restauran, transformándose en compuestos que no son contaminantes. En algunos casos, el proceso de recuperación se lleva a cabo en una etapa:
R + H + + e - → RH, donde R es un compuesto orgánico; RH es la forma hidratada del compuesto y no es un contaminante.
En otros casos, la reducción catódica tiene lugar en dos etapas: en la primera etapa (I), la molécula orgánica se convierte en un anión, en la segunda (II), el anión se hidrata al interactuar con un protón de agua:
R + e - → R - , (I) R - + H + → RH. (II)
Distinguir entre oxidación catódica y anódica. Durante la oxidación catódica, las moléculas de sustancias orgánicas, al ser absorbidas en cátodos, aceptan electrones libres y se reducen.
Los cátodos hechos de materiales que requieren una alta sobretensión (plomo, cadmio) permiten, con un alto costo de electricidad, destruir moléculas orgánicas y generar radicales libres reactivos, partículas que tienen electrones libres desapareados (Cl*, O*, OH*) en las órbitas exteriores de átomos o moléculas, NO*2, etc.). Esta última circunstancia confiere a los radicales libres la propiedad de reactividad, es decir, la capacidad de entrar en reacciones químicas con impurezas acuosas y destruirlas.
RH → R + H + + e - .
La oxidación anódica de compuestos orgánicos a menudo conduce a la formación de radicales libres, cuyas transformaciones posteriores están determinadas por su reactividad. Los procesos de oxidación anódica son de varias etapas y proceden con la formación de productos intermedios. La oxidación anódica reduce la estabilidad química de los compuestos orgánicos y facilita su posterior degradación durante los procesos a granel.
En los procesos de oxidación volumétrica, los productos de la electrólisis del agua desempeñan un papel especial: oxígeno (O 2), peróxido de hidrógeno (H 2 O 2) y compuestos de cloro que contienen oxígeno (HClO). En el proceso de electrólisis, se forma un compuesto extremadamente reactivo: H 2 O 2, cuya formación de moléculas se produce debido a los radicales hidroxilo (OH *), que son los productos de la descarga de iones hidroxilo (OH-) en el ánodo. :
2OH - → 2OH* → H 2 O 2 + 2e -, donde OH* es un radical hidroxilo.
Las reacciones de interacción de las sustancias orgánicas con los agentes oxidantes transcurren durante un cierto período de tiempo, cuya duración depende del valor del potencial redox del elemento y de la concentración de las sustancias que reaccionan. A medida que la concentración del contaminante disminuye y la concentración del contaminante disminuye, el proceso de oxidación disminuye.
La velocidad del proceso de oxidación durante el tratamiento electroquímico depende de la temperatura del agua tratada y del pH. En el proceso de oxidación de compuestos orgánicos, se forman productos intermedios que difieren del inicial tanto en resistencia a transformaciones posteriores como en indicadores de toxicidad.
Las fuentes de cloro activo y sus compuestos que contienen oxígeno generados en el electrolizador son los cloruros en el agua tratada y el cloruro de sodio (NaCl), que se introduce en el agua tratada antes de la electrólisis. Como resultado de la oxidación anódica de los aniones Cl–, se genera cloro gaseoso Cl 2 . Dependiendo del pH del agua, se hidroliza para formar ácido hipocloroso HOCl o forma iones de hipoclorito ClO - . El equilibrio de la reacción depende del valor del pH.
A pH = 4-5, todo el cloro se encuentra en forma de ácido hipocloroso (HClO), y a pH = 7, la mitad del cloro se encuentra en forma de ion hipoclorito (OCl -) y la otra mitad en forma de ácido hipocloroso. (HClO) (Fig. 4). El mecanismo de interacción del ion hipoclorito (ClO -) con la sustancia oxidada se describe mediante la siguiente ecuación:
ClO - + A = C + Cl, donde A es la sustancia oxidable; C es un producto de oxidación.
La oxidación electroquímica de compuestos orgánicos con hipocloriton (ClO -) se acompaña de un aumento del potencial redox Eh, lo que indica el predominio de procesos oxidativos. El crecimiento de Eh depende de la relación entre la concentración de cloro activo en el espacio entre electrodos y el contenido de impurezas orgánicas en el agua. A medida que se limpia y se reduce la cantidad de contaminación, esta relación aumenta, lo que conduce a un aumento de Eh, pero luego este indicador se estabiliza.
La cantidad de sustancia que reaccionó en los electrodos al pasar una corriente eléctrica continua de acuerdo con la ley de Faraday es directamente proporcional a la intensidad de la corriente y al tiempo de procesamiento:
G = AI cur τ, (1)
donde A es el equivalente electroquímico del elemento, g/(A⋅h); I cur - fuerza actual, A; τ es el tiempo de procesamiento, h. El equivalente electroquímico del elemento está determinado por la fórmula:
A = M/26,8 z, (2)
donde M es la masa atómica del elemento, g; z es su valencia. Los valores de los equivalentes electroquímicos de algunos elementos se dan en la Tabla. 1.
La cantidad real de sustancia generada durante la electrólisis es menor que la teórica, calculada por la fórmula (1), ya que parte de la electricidad se gasta en calentar agua y electrodos. Por lo tanto, los cálculos tienen en cuenta el factor de utilización actual η< 1, величина которого определяется экспериментально.
Durante los procesos de electrodos, hay un intercambio de partículas cargadas e iones entre el electrodo y el electrolito: agua. Para ello, en condiciones de equilibrio en estado estacionario, es necesario crear un potencial eléctrico, cuyo valor mínimo depende del tipo de reacción redox y de la temperatura del agua a 25 °C (Tabla 2).
Los principales parámetros de la electrólisis del agua incluyen la intensidad y la densidad de la corriente, el voltaje dentro de la celda del electrodo, así como la velocidad y la duración de la permanencia del agua entre los electrodos.
Los voltajes generados en la celda del electrodo deben ser suficientes para que ocurran reacciones redox en los electrodos. El valor del voltaje depende de la composición iónica del agua, la presencia de impurezas en el agua, por ejemplo, tensioactivos, densidad de corriente (su fuerza por unidad de área del electrodo), material del electrodo, etc. En igualdad de condiciones, la tarea de elegir un material de electrodo es asegurar que para el paso de las reacciones de recuperación oxidativa en los electrodos, el voltaje requerido sea mínimo, ya que esto reduce el costo de la energía eléctrica.
Algunas reacciones redox compiten: proceden simultáneamente y se inhiben mutuamente. Su flujo se puede controlar cambiando el voltaje en la celda electrolítica. Entonces, el potencial normal de la reacción de formación de oxígeno molecular es +0.401 V o +1.23 V; con un aumento en el voltaje a +1.36 V (potencial normal para la reacción de formación de cloro molecular), solo se liberará oxígeno en el ánodo, y con un mayor aumento en el potencial, tanto el oxígeno como el cloro se liberarán simultáneamente, y el cloro se liberará con una intensidad insuficiente. A un voltaje de aproximadamente 4-5 V, la evolución de oxígeno prácticamente cesará y la celda electrolítica solo generará cloro.
Cálculo de los principales parámetros del proceso de electrólisis del agua.
Los parámetros principales de la electrólisis del agua incluyen la intensidad y la densidad de la corriente, el voltaje dentro de la celda del electrodo, así como la velocidad y la duración de la permanencia del agua en el espacio entre electrodos.
La fuerza actual I cur es un valor determinado en función del rendimiento requerido para el producto generado [A], se determina mediante la fórmula:
Icur=G/A tη , (3)
Esta fórmula se obtiene transformando la fórmula (1) teniendo en cuenta el factor de utilización actual η. La densidad de corriente es su fuerza, relacionada con la unidad de área del electrodo [A/m 2], por ejemplo, el ánodo, se determina a partir de la siguiente expresión:
i en = I cur / F en, (4)
donde Fan es el área del ánodo, m 2 . La densidad de corriente tiene la influencia más decisiva en el proceso de electrólisis: es decir, con un aumento de la densidad de corriente, los procesos de electrodos se intensifican y la superficie de los electrodos disminuye, pero al mismo tiempo, el voltaje en la celda de electrólisis aumenta y, en consecuencia, toda la intensidad energética del proceso. Un mayor aumento en la densidad de corriente intensifica la liberación de gases de electrólisis, lo que provoca el burbujeo y la dispersión de productos insolubles del tratamiento eléctrico del agua.
Con un aumento en la densidad de corriente, también aumenta la pasivación de los electrodos, que consiste en bloquear los electrones entrantes por depósitos superficiales del ánodo y el cátodo, lo que aumenta la resistencia eléctrica en las celdas de los electrodos e inhibe las reacciones redox que ocurren en los electrodos.
Los ánodos se pasivan como resultado de la formación de películas delgadas de óxido en sus superficies, como resultado de la absorción de oxígeno y otros componentes en los ánodos, que, a su vez, absorben partículas de impurezas acuosas. Sobre los cátodos se forman principalmente depósitos de carbonato, especialmente en el caso de tratamiento de agua con dureza aumentada. Por estas razones, la densidad de corriente durante la electrólisis del agua debe ajustarse al mínimo en las condiciones para la aparición estable de las reacciones redox necesarias en el curso del proceso tecnológico.
El tiempo de residencia del agua en el espacio entre electrodos del electrolizador está limitado por el tiempo requerido para generar la cantidad requerida de productos de electrólisis.
El voltaje en la celda del electrodo [V] está determinado por la fórmula:
V yo = yo en ΔK gramo / χ R , (5)
donde i an es la densidad de corriente, A/m 2 ; D es la distancia entre los electrodos (ancho del canal entre electrodos), m; χ R es la conductividad eléctrica del agua, 1/(Ohm⋅m); K g - coeficiente de llenado de gas del espacio entre electrodos, generalmente tomado K g \u003d 1.05-1.2.
La fórmula (5) no tiene en cuenta las resistencias eléctricas del electrodo debido a sus bajos valores, pero durante la pasivación estas resistencias resultan significativas. Se supone que el ancho del canal entre electrodos es mínimo (3-20 mm) de acuerdo con las condiciones de no obstrucción por impurezas.
La conductividad eléctrica específica del agua χ R depende de una serie de factores, entre los cuales los más significativos son la temperatura, el pH, la composición iónica y la concentración de iones (Fig. 5). Con un aumento de la temperatura, la conductividad eléctrica χ R aumenta y el voltaje disminuye (Fig. 6). El valor mínimo de conductividad eléctrica corresponde a pH = 7. Además, durante el proceso de electrólisis, la temperatura y el pH del agua aumentan. Si pH > 7, entonces podemos esperar una disminución en la conductividad eléctrica específica del agua χ R , y a valores de pH< 7 удельная электропроводность воды χ R , наоборот, возрастает (рис. 5).
La conductividad eléctrica específica de las aguas naturales de mineralización media es 0,001-0,005 1 / (Ohm⋅m), las aguas residuales urbanas es 10-0,01 1 / (Ohm⋅m) . Durante la electrólisis, la conductividad eléctrica debe estar en el rango de 0.1-1.0 1 / (Ohm⋅m) . Si la fuente de agua tiene una conductividad eléctrica insuficiente, se debe aumentar la salinidad (Fig. 7). Por lo general, se usa cloruro de sodio (NaCl) para esto, cuyas dosis se determinan experimentalmente y suelen ser de 500-1500 mg / l (8-25 meq / l). El cloruro de sodio no solo es conveniente en términos de aplicación y seguridad (almacenamiento, preparación de la solución, etc.), sino que, en presencia de NaCl, la pasivación de los electrodos se ralentiza. Al disociarse en agua, el NaCl satura el agua con aniones de cloro Cl - y cationes de sodio Na + . Los iones de cloro Cl - son pequeños y, al penetrar a través de los depósitos de pasivación en la superficie del ánodo, destruyen estos depósitos. En presencia de otros aniones, especialmente iones sulfato (SO 2- 4 ), se reduce el efecto despasivante de los iones cloruro (Cl -). El funcionamiento estable de la celda es posible si los iones - Cl - constituyen al menos el 30% del número total de aniones. Como resultado de la electroforesis, los cationes de sodio Na + se mueven hacia los cátodos, en los que se generan iones de hidróxido OH - y, al interactuar con estos últimos, forman hidróxido de sodio (NaOH), que disuelve los depósitos de carbonato en los cátodos.
El consumo de energía [W] de la celda electrolítica está determinado por la siguiente relación:
Consumo de N = η e I cur V e, (6)
donde η e es la eficiencia de la celda, se suele tomar η e = 0.7-0.8; I cur - fuerza actual, A; V e - voltaje en el electrolizador, V.
El tiempo de residencia del agua en el espacio entre electrodos de la celda está limitado por el tiempo requerido para generar la cantidad requerida de productos de electrólisis, así como por la duración de las reacciones volumétricas correspondientes, y se determina experimentalmente.
La velocidad del movimiento del agua en el espacio entre electrodos se establece teniendo en cuenta las condiciones para la eliminación de productos de electrólisis y otras impurezas del electrolizador; además, la mezcla turbulenta depende de la velocidad del movimiento del agua, lo que afecta el curso de las reacciones volumétricas. Al igual que el tiempo de residencia del agua, la velocidad del agua se elige en base a datos experimentales.
Continuará.
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1. ¿Qué se observó en el experimento de Oersted?
a) Interacción de dos conductores paralelos con la corriente.
b) Interacción de dos agujas magnéticas.
c) Rotación de la aguja magnética cerca del conductor cuando pasa corriente a través de él.
d) La ocurrencia de una corriente eléctrica en la bobina cuando se coloca un imán en ella.
2. ¿Cómo interactúan dos conductores paralelos si las corrientes fluyen a través de ellos en la misma dirección?
a) son atraídos. b) Repeler. c) La fuerza de interacción es cero. d) No hay una respuesta correcta.
3. Cuando una corriente eléctrica continua pasa a través de un conductor, surge un campo magnético a su alrededor. Se detecta por la ubicación de limaduras de acero en una hoja de papel o por el giro de una aguja magnética ubicada cerca del conductor ¿Cómo se puede mover este campo magnético en el espacio?
a) Transferencia de limaduras de acero. b) Moviendo el imán. c) La transferencia de un conductor con corriente. d) El campo magnético no se puede mover.
4. ¿Cómo se ubicarán las agujas magnéticas colocadas en los puntos A y B dentro de la bobina cuando se abra la llave K?
a) El mismo polo norte a la derecha de la figura.
b) Igual polo norte a la izquierda en la figura.
c) Flechas con los polos norte uno frente al otro.
d) Flechas con los polos sur uno frente al otro.
5. ¿Por qué el dispositivo de los motores de CA es más simple que el de CC? ¿Por qué se utilizan motores de corriente continua en los vehículos?
6. Determinar los polos del electroimán.
7. Representar el campo magnético de las corrientes y determinar la dirección de las líneas del campo magnético.
8. Determine la dirección de la fuerza que actúa sobre un conductor que lleva corriente colocado en un campo magnético.
9. Tiene tres elementos: "dispositivos": un bloque de madera, dos clavos de acero que no se atraen entre sí y un imán permanente.
Tres "cajas negras" contienen respectivamente: un imán, dos clavos y un bloque de madera. ¿Qué instrumentos y en qué secuencia es mejor utilizar para averiguar qué hay en cada una de las cajas?
10. Un motor de CC consume una corriente de 2 A de una fuente con un voltaje de 24 V. ¿Cuál es la potencia mecánica del motor si la resistencia de su devanado es de 3 ohmios? ¿Cuál es su K.P.D.?
Determine la dirección de la corriente en el conductor, cuya sección transversal y el campo magnético se muestran en la Figura 1.3. ¿Qué dirección tiene la corriente en el conductor, cuya dirección de las líneas de campo magnético está indicada por flechas (Fig. 3)?
5. En la dirección de las líneas del campo magnético que se muestran en la Figura 5, determine la dirección de la corriente circular en el anillo.
Las ondas electromagnéticas surgen: A. Cuando las cargas eléctricas se mueven a una velocidad constante. B. Con movimiento acelerado de electricidadB. Alrededor de cargas estacionarias.
G. Alrededor de un conductor fijo por el que pasa una corriente eléctrica continua.
D. Alrededor de una placa de metal con carga fija
1. La corriente eléctrica se llama... A). el movimiento de electrones. B). movimiento ordenado de partículas cargadas. B). movimiento ordenado de los electrones. 2.Para crear una corriente eléctrica en un conductor, es necesario... A). crear un campo eléctrico en él. B). crear cargas eléctricas en él. B). para separar las cargas eléctricas en él. 3. ¿Qué partículas crean una corriente eléctrica en los metales? A). electrones libres. B). iones positivos. B). iones negativos ^ 4. ¿Qué acción de corriente se usa en los galvanómetros? A. Térmica. B. Química. B. Magnético. 5. La intensidad de la corriente en el circuito de la estufa eléctrica es de 1,4 A. ¿Qué carga eléctrica atraviesa la sección transversal de su espiral en 20 minutos? A). 3200 cl. B). clase 1680 B). 500 cl. ^ 6. ¿En qué diagrama (Fig. 1) está conectado correctamente el amperímetro al circuito? A). 1.B). 2.B). 3. 7. Cuando una carga eléctrica igual a 6 C pasa por un conductor, se realiza un trabajo de 660 J. ¿Cuál es el voltaje en los extremos de este conductor? A). 110 V.B). 220 V.V). 330V. ^ 8. ¿En qué diagrama (Fig. 2) está conectado correctamente el voltímetro al circuito? A). 1.B). 2. 9. Dos bobinas de alambre de cobre de la misma sección tienen una longitud de 50 y 150 m, respectivamente, ¿cuál de ellas tiene mayor resistencia y cuántas veces? A). La primera es 3 veces. B). El segundo es 3 veces. ^ 10. ¿Cuál es la fuerza de la corriente que pasa a través de un alambre de níquel de 25 cm de largo y 0,1 mm2 de sección transversal si el voltaje en sus extremos es de 6 V? A). 2 A. B). 10 A. B). 6A
1. ¿En qué unidades se mide la intensidad de la corriente eléctrica? A. ohmios; BJ; WW; G. A.2. ¿Qué acciones se manifiestan siempre cuando una corriente eléctrica pasa por cualquier medio?
A. Térmico; B. Magnético; EN. Químico; GRAMO. Luz.
4. Determine el voltaje bajo el cual se encuentra la bombilla, si al mover una carga de 10 C, se realiza un trabajo de 2200 J.
5. Determine la resistencia de la sección AB en el circuito que se muestra en la figura.
6. Calcule la resistencia de un alambre de nicromo con una longitud de 150 m y un área de sección transversal de 0,2 mm2.
7. Un conductor de cobre con una sección transversal de 3,5 mm2 y una longitud de 14,2 m transporta una corriente de 2,25 A. Determine el voltaje en los extremos de este conductor.
8. ¿Cuántos electrones pasan a través de la sección transversal del conductor en 35 s con una intensidad de corriente de 16 A en él?
9. Determine la masa de un alambre de hierro con un área de sección transversal de 2 mm2, tomada para hacer una resistencia con una resistencia de 6 ohmios.
