تصفیه آب الکتروشیمیایی الکترولیز

هنگامی که جریان الکتریکی مستقیم از یک الکترولیت عبور می کند، واکنش های شیمیایی در الکترودها رخ می دهد.این فرآیند الکترولیز نامیده می شود که به معنای تجزیه (مواد) توسط الکتریسیته است.

در بخش 8.1 نشان داده شد که الکترولیت مایعی است که وقتی جریان الکتریکی از آن عبور می کند، تحت یک واکنش شیمیایی قرار می گیرد. الکترولیت می تواند یک نمک مذاب، مانند برمید سرب مذاب (H) یا محلول آبی اسید، باز یا نمک باشد.

جریان الکتریکی با استفاده از الکترودها - سیم هادی ها، میله های فلزی یا صفحاتی که با الکترولیت تماس الکتریکی برقرار می کنند، به الکترولیت می رسد. الکترود با بار منفی کاتد و الکترود مثبت آند است. الکترودهایی که در تماس با الکترولیت ها و عبور جریان الکتریکی از آنها وارد واکنش های شیمیایی نمی شوند، الکترودهای بی اثر نامیده می شوند. الکترودهای بی اثر شامل گرافیت و پلاتین هستند.

تئوری یونی الکترولیز

بر اساس این نظریه، عبور جریان الکتریکی مستقیم از الکترولیت به کمک یون ها انجام می شود. در الکترودها، الکترون ها به یا از یون ها منتقل می شوند. بنابراین، فرآیندهای روی الکترودها را می توان به عنوان نیمه واکنش های احیا یا اکسیداسیون در نظر گرفت. بنابراین، الکترولیز یک فرآیند ردوکس است.

یک نیمه واکنش اکسیداتیو همیشه در آند رخ می دهد. در این واکنش آنیون ها الکترون های خود را از دست می دهند و تخلیه می شوند و به ذرات خنثی تبدیل می شوند. بنابراین، آند به عنوان سینک برای الکترون های آنیون ها عمل می کند.

یک نیمه واکنش کاهشی همیشه در کاتد رخ می دهد. در اینجا کاتیون ها الکترون می گیرند و تخلیه می شوند و به ذرات خنثی تبدیل می شوند. بنابراین، کاتد به عنوان منبع الکترون برای کاتیون ها عمل می کند.

الکترولیز سرب مذاب (H) برمید شامل دو نیمه واکنش است:

1) یون های برمید در آند تخلیه می شوند. (معادله این نیمه واکنش است

2Br-(g.) = Br2(g.) + 2e-

این نیمه واکنش یک اکسیداسیون است.)

2) یون های سرب در کاتد تخلیه می شوند. (معادله این نیمه واکنش به صورت زیر است:

Pb2+(نحله) + 2e- = Pb(l.)

این نیمه واکنش کاهش است.)

لازم به ذکر است که واکنش هایی که در آند و کاتد در هر سیستم خاص رخ می دهد توسط قطبیت منبع جریان در مدار الکتریکی خارجی از پیش تعیین می شود. ترمینال منفی منبع جریان خارجی (باتری) الکترون های یکی از الکترودهای سلول الکترولیتی را تامین می کند. این باعث ایجاد بار منفی در این الکترود می شود. تبدیل به کاتد می شود. از آنجایی که این الکترود دارای بار منفی است، به نوبه خود باعث واکنش الکترودی می شود که در آن الکترون ها مصرف می شوند. بنابراین، فرآیند کاهش روی این الکترود انجام می شود. در الکترود دیگر، الکترون‌ها از سلول الکترولیتی به مدار خارجی برمی‌گردند و آن الکترود را به یک الکترود مثبت تبدیل می‌کنند. یعنی این الکترود نقش آند را بازی می کند. به دلیل بار مثبت، واکنشی روی آن رخ می دهد که با از دست دادن الکترون ها، یعنی اکسیداسیون همراه است.

یک نمایش شماتیک از کل فرآیند الکترولیز در شکل 1 نشان داده شده است. 10.6.

تشکیل یک ماده نامحلول در نتیجه یک واکنش شیمیایی تنها یکی از شرایط به دست آوردن محلول کلوئیدی است. یکی دیگر از شرایط به همان اندازه مهم، نابرابری مواد اولیه وارد شده در واکنش است. پیامد این نابرابری، محدودیت رشد اندازه ذرات در محلول‌های کلوئیدی است که منجر به تشکیل یک سیستم پراکنده درشت می‌شود.

اجازه دهید مکانیسم تشکیل یک ذره کلوئیدی را با استفاده از مثال تشکیل یک سل یدید نقره که از برهمکنش محلول های رقیق نیترات نقره و یدید پتاسیم به دست می آید، در نظر بگیریم.

AgNO 3 + KI = AgI + KNO 3

Ag + + NO 3 ¯ +K + + I ¯ = AgI ↓ + NO 3 ¯ + K +

مولکول های یدید نقره خنثی نامحلول هسته ذره کلوئیدی را تشکیل می دهند.

در ابتدا، این مولکول‌ها به‌طور بی‌نظمی با هم ترکیب می‌شوند و ساختاری بی‌شکل و سست را تشکیل می‌دهند که به تدریج به یک ساختار هسته‌ای کریستالی بسیار منظم تبدیل می‌شود. در مثالی که در نظر می گیریم، هسته کریستالی از یدید نقره است که از تعداد زیادی (m) مولکول AgI تشکیل شده است:

m - هسته ذره کلوئیدی

یک فرآیند جذب در سطح هسته رخ می دهد. طبق قانون پسکوف-فاجانز، یون هایی که هسته ذره را تشکیل می دهند، روی سطح هسته ذرات کلوئیدی جذب می شوند، یعنی. یون های نقره (Ag +) یا یون ید (I -) جذب می شوند. از این دو نوع یون، آنهایی که بیش از حد هستند جذب می شوند.

بنابراین، اگر یک محلول کلوئیدی بیش از یدید پتاسیم به دست آورید، یون های ید روی ذرات (هسته ها) جذب می شوند که شبکه کریستالی هسته را کامل می کنند و به طور طبیعی و محکم وارد ساختار آن می شوند. در این حالت یک لایه جذب تشکیل می شود که به هسته بار منفی می دهد:

یون هایی که روی سطح هسته جذب می شوند و به آن بار متناظر می دهند، یون های تشکیل دهنده پتانسیل نامیده می شوند.

در همان زمان، یون های دارای بار مخالف نیز در محلول وجود دارد، آنها نامیده می شوند ضدیون هادر مورد ما، اینها یونهای پتاسیم (K +) هستند که به طور الکترواستاتیکی به هسته باردار جذب می شوند (مقدار بار می تواند به I در برسد). برخی از یون های K+ به طور محکم توسط نیروهای الکتریکی و جذبی متصل شده و وارد لایه جذب می شوند. هسته ای که یک لایه جذب دوگانه از یون ها روی آن تشکیل شده است، گرانول نامیده می شود.

(m . nI – . (n-x) K + ) x – (ساختار دانه ای)

قسمت باقی مانده از یون های ضد (ما آنها را با عدد "x K +" نشان می دهیم) یک لایه پراکنده از یون ها را تشکیل می دهد.

هسته ای با لایه های جذب و منتشر، میسل نامیده می شود :

(m . nI –. (n-x) K + ) x – . x K + (ساختار میسل)

هنگامی که یک جریان الکتریکی مستقیم از یک محلول کلوئیدی عبور می کند، گرانول ها و یون های متقابل به ترتیب به سمت الکترودهایی با بار مخالف حرکت می کنند.

وجود بار یکسان در سطح ذرات sols مهم است عامل پایداری آنشارژ از چسبیدن ذرات به هم و بزرگتر شدن جلوگیری می کند. در یک سیستم پراکنده پایدار، ذرات در حالت تعلیق نگه داشته می شوند، به عنوان مثال. هیچ گونه بارندگی ماده کلوئیدی وجود ندارد. به این خاصیت sols سینتیک می گویند پایداری شیمیایی.

ساختار میسل های سل یدید نقره به دست آمده در AgNO 3 اضافی در شکل 1 نشان داده شده است. 1a، KCI بیش از حد - 1b .

شکل 1.5. ساختار میسل های سل یدید نقره که بیش از حد به دست می آید:

الف) نیترات نقره؛ ب) کلرید پتاسیم.

الکترولیز - یک فرآیند ردوکس که در الکترودها زمانی رخ می دهد که جریان الکتریکی مستقیم از یک محلول یا الکترولیت مذاب عبور می کند. در یک الکترولیز، انرژی الکتریکی به انرژی واکنش شیمیایی تبدیل می شود.

کاتد (-) – الکترود منفی که در طی الکترولیز کاهش روی آن رخ می دهد.

آند (+) – الکترود مثبت که در آن اکسیداسیون در طول الکترولیز اتفاق می افتد.

برخلاف الکترولیز، در یک سلول گالوانیکی، کاهش در کاتد با بار مثبت و اکسیداسیون در آند با بار منفی اتفاق می‌افتد.

در الکترولیز می توان از آندهای بی اثر (نامحلول) و فعال (قابل مصرف) استفاده کرد. آند فعال، وقتی اکسید می شود، یون های خود را به داخل محلول می فرستد. آند بی اثر فقط فرستنده الکترون است و از نظر شیمیایی تغییر نمی کند. معمولاً از گرافیت، پلاتین و ایریدیوم به عنوان الکترودهای بی اثر استفاده می شود.

در طی الکترولیز مذاب ها و محلول های الکترولیت ها، یون های تشکیل شده در حین تفکیک آنها (تحت تأثیر دما یا آب) - کاتیون ها (Kt n +) و آنیون ها (An m -) به ترتیب به کاتد (–) و آند (+). سپس در الکترودها، الکترون ها از کاتد به کاتیون منتقل می شوند و آنیون ها به آند الکترون می دهند.

از نظر کمی، الکترولیز توسط دو قانون فارادی توصیف می شود.

قانون اول فارادی: جرم ماده آزاد شده در طول الکترولیز متناسب با مقدار الکتریسیته عبوری از الکترولیز است:

m = k∙ من∙τ = k∙س ,

جایی که من- قدرت فعلی؛ τ - زمان جریان فعلی؛ Q = I∙τ- مقدار برق؛ ک- ضریب تناسب که مقدار آن به سیستم انتخابی واحدها بستگی دارد (اگر Q = 1 Kl، سپس m = k).

جرم ماده ای که در طی عبور 1 درجه سانتیگراد الکتریسیته آزاد می شود نامیده می شودمعادل الکتروشیمیایی

قانون دوم فارادی: با همان مقادیر الکتریسیته عبور داده شده از الکترولیت، تعداد معادل های گرم محصولات الکترولیز یکسان است.

برای آزاد کردن یک معادل از هر ماده روی الکترود، لازم است همان مقدار برق مصرف شود. ثابت فارادی F= 96485 C/mol. در واقع، یک معادل یک ماده حاوی N A = 6.02322∙10 23 ذرات و برای بازیابی این تعداد یون باردار در کاتد، لازم است مقدار برق زیر مصرف شود:

F = N A∙ ē = 6.02322 ∙10 23 ذره / مول ∙ 1.6021 ∙10 -19 C = 96485 C / مول،

بار الکترون کجاست ē = 1.6021 ∙10 -19 Cl.

با تعمیم هر دو قانون فارادی، می‌توانیم بنویسیم:

محلول‌های آب الکتروفعال‌شده - کاتولیت‌ها و آنولیت‌ها را می‌توان در کشاورزی، افزایش بهره‌وری گیاه، دامداری، پزشکی، ضدعفونی آب و مصارف خانگی استفاده کرد. تصفیه الکتروشیمیایی آب شامل چندین فرآیند الکتروشیمیایی مرتبط با انتقال الکترون ها، یون ها و سایر ذرات در یک میدان الکتریکی ثابت (الکترولیز، الکتروفورز، الکتروفلوتاسیون، انعقاد الکتریکی) است که اصلی ترین آنها الکترولیز آب است. این مقاله خواننده را با فرآیندهای اساسی زیربنای الکترولیز آب آشنا می کند.

معرفی

پدیده فعال‌سازی الکتروشیمیایی آب (ECAW) ترکیبی از اثرات الکتروشیمیایی و الکتروفیزیکی بر روی آب در لایه دوگانه الکتریکی (EDL) الکترودها (آند و کاتد) با انتقال بار غیرتعادلی از طریق EDL توسط الکترون‌ها و در شرایط پراکندگی شدید است. از محصولات گازی حاصل از واکنش های الکتروشیمیایی در مایع. در طول فرآیند ECHA، چهار فرآیند اصلی رخ می دهد:

- تجزیه الکترولیتی آب (الکترولیز) به دلیل واکنش های ردوکس در الکترودها ناشی از یک میدان الکتریکی ثابت خارجی.

- الکتروفورز - حرکت در میدان الکتریکی از ذرات و یون‌های با بار مثبت به کاتد، و ذرات و یون‌های با بار منفی به آند.

الکتروفلوتاسیون - تشکیل لخته‌های گازی و سنگدانه‌های متشکل از حباب‌های گازی ریز پراکنده (هیدروژن در کاتد و اکسیژن در آند) و ناخالصی‌های درشت آب.

- انعقاد الکتریکی - تشکیل توده های کلوئیدی ذرات فاز پراکنده ته نشین شده در اثر فرآیند انحلال آندی فلز و تشکیل کاتیون های فلزی Al 3+, Fe 2+, Fe 3+ تحت تأثیر میدان الکتریکی ثابت. .

در نتیجه تصفیه آب با جریان الکتریکی مستقیم، در پتانسیل های مساوی یا بیشتر از پتانسیل تجزیه آب (1.25 ولت)، آب به حالتی فراپایدار می رسد که با مقادیر غیرعادی فعالیت الکترون و سایر پارامترهای فیزیکوشیمیایی (PH) مشخص می شود. , Eh, ORP, رسانایی الکتریکی). عبور جریان الکتریکی مستقیم از یک حجم آب با فرآیندهای الکتروشیمیایی همراه است که در نتیجه آن واکنش های ردوکس رخ می دهد که منجر به تخریب (تخریب) آلاینده های آب، انعقاد کلوئیدها، لخته سازی ناخالصی های درشت و شناور شدن بعدی آنها می شود. .

پدیده فعال‌سازی الکتروشیمیایی آب ترکیبی از اثرات الکتروشیمیایی و الکتروفیزیکی بر روی آب در یک لایه الکتریکی دوگانه از الکترودها در حین انتقال بار غیرتعادلی است.

تصفیه الکتروشیمیایی برای شفاف‌سازی و رنگ‌زدایی آب‌های طبیعی، نرم‌کردن آن‌ها، تصفیه از فلزات سنگین (مس، کو، کادمیوم، سرب، جیوه)، کلر، فلوئور و مشتقات آنها، برای تصفیه پساب‌های حاوی فرآورده‌های نفتی، آلی و کلر آلی استفاده می‌شود. ترکیبات، رنگ، سورفکتانت، فنل. مزایای تصفیه آب الکتروشیمیایی این است که به شما امکان می دهد مقادیر pH و پتانسیل ردوکس Eh را تنظیم کنید که امکان انجام فرآیندهای شیمیایی مختلف در آب به آن بستگی دارد. فعالیت آنزیمی لجن فعال در مخازن هوادهی را افزایش می دهد. مقاومت را کاهش می دهد و شرایط انعقاد و ته نشینی رسوبات آلی را بهبود می بخشد.

در سال 1985، ECHA رسما به عنوان یک کلاس جدید از پدیده های فیزیکوشیمیایی شناخته شد. به دستور دولت فدراسیون روسیه در تاریخ 15 ژانویه 1998 به شماره VCh-P1201044، توصیه هایی به وزارتخانه ها و ادارات برای استفاده از این فناوری در پزشکی، کشاورزی و صنعت داده شد.

الکترولیز آب

مرحله اصلی تصفیه آب الکتروشیمیایی، الکترولیز آب است. هنگامی که جریان الکتریکی مستقیم از آب عبور می کند، ورود الکترون ها به آب در کاتد و همچنین حذف الکترون ها از آب در آند، با یک سری واکنش های ردوکس در سطح کاتد همراه است و آند در نتیجه، مواد جدیدی تشکیل می شود، سیستم فعل و انفعالات بین مولکولی، ترکیب آب، از جمله ساختار آب، تغییر می کند. یک تاسیسات معمولی برای تصفیه آب الکتروشیمیایی شامل یک واحد آماده سازی آب 1، یک الکترولایزر 2، یک واحد تصفیه آب پس از تصفیه الکتروشیمیایی 3 است (شکل 1).

برخی از تاسیسات برای تصفیه آب الکتروشیمیایی، تصفیه مکانیکی اولیه آب را فراهم می کنند، که خطر گرفتگی سلول الکترولیتی را با ناخالصی های درشت با مقاومت هیدرولیکی بالا کاهش می دهد. اگر در نتیجه تصفیه الکتروشیمیایی، آب با ناخالصی های درشت، به عنوان مثال، تکه های هیدروکسیدهای فلزی (Al(OH) 3، Fe(OH) 3، Mg(OH) 2 اشباع شود، یک بلوک برای تصفیه مکانیکی آب ضروری است. ) پس از انعقاد الکتریکی. عنصر اصلی نصب یک الکترولیز است که از یک یا چند سلول الکترولیز تشکیل شده است (شکل 2).

یک سلول الکترولیز توسط دو الکترود تشکیل می شود - یک آند با بار مثبت و یک کاتد با بار منفی که به قطب های مختلف منبع جریان مستقیم متصل است. فضای بین الکترودها با آب پر شده است که الکترولیتی است که قادر به هدایت جریان الکتریکی است. در نتیجه عملکرد دستگاه، بارهای الکتریکی از طریق یک لایه آب - الکتروفورز، یعنی مهاجرت ذرات قطبی، حامل های بار - یون ها، به الکترودهایی که علامت مخالف دارند، منتقل می شود.

هنگامی که جریان الکتریکی مستقیم از آب عبور می کند، ورود الکترون ها به آب در کاتد و همچنین حذف الکترون ها از آب در آند، با یک سری واکنش های ردوکس در سطح کاتد همراه است و آند

در این حالت آنیون های با بار منفی به سمت آند و کاتیون های دارای بار مثبت به سمت کاتد حرکت می کنند. در الکترودها، یون های باردار بار خود را از دست می دهند، دپولاریزه می شوند و به محصولات فروپاشی تبدیل می شوند. علاوه بر یون های باردار، ذرات قطبی پراکندگی های مختلف از جمله ذرات درشت (ذرات امولسیون شده، حباب های گاز و غیره) در الکتروفورز شرکت می کنند، اما نقش اصلی در انتقال بارهای الکتروشیمیایی توسط یون های باردار با بیشترین تحرک ایفا می شود. ذرات قطبی شامل ذرات قطبی ناخالصی های آبی و مولکول های آب است که با ساختار ویژه آنها توضیح داده می شود.

اتم مرکزی اکسیژن، که بخشی از مولکول آب است، الکترونگاتیوی بالاتری نسبت به اتم های هیدروژن دارد، الکترون ها را به سمت خود جذب می کند و به مولکول نامتقارن می دهد. در نتیجه، توزیع مجدد چگالی الکترون رخ می‌دهد: مولکول آب قطبی می‌شود و ویژگی‌های یک دوقطبی الکتریکی با گشتاور دوقطبی 1.85 D (Debye)، با بارهای مثبت و منفی در قطب‌ها را به خود می‌گیرد (شکل 3).

محصولات واکنش های الکترود عبارتند از ناخالصی های آبی خنثی شده، گازهای هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده در طی تخریب الکترولیتی مولکول های آب، کاتیون های فلزی (Al 3+، Fe 2+، Fe 3+) در صورت استفاده از آندهای فلزی ساخته شده از آلومینیوم و فولاد. ، کلر مولکولی و غیره در این حالت گاز هیدروژن در کاتد و اکسیژن در آند تولید می شود. آب حاوی مقدار مشخصی یون هیدرونیوم H 3 O + است که در سطح کاتد دپلاریزه می شود و هیدروژن اتمی H را تشکیل می دهد:

H 3 O + + e - → H + H 2 O.

در یک محیط قلیایی، H 3 O + وجود ندارد، اما مولکول های آب از بین می روند، همراه با تشکیل هیدروژن اتمی H— و هیدروکسیدیون OH -:

H 2 O + e - → H + OH - .

اتم‌های هیدروژن فعال روی سطوح کاتد جذب می‌شوند و پس از نوترکیب، هیدروژن مولکولی H2 را تشکیل می‌دهند که به صورت گازی از آب آزاد می‌شود:

N + N → N 2.

در همان زمان، اکسیژن اتمی در آندها آزاد می شود. در یک محیط اسیدی، این فرآیند با تخریب مولکول های آب همراه است:

2H 2 O - 4e - →O 2 +4H +.

در یک محیط قلیایی، منبع تشکیل اکسیژن همیشه یونهای هیدروکسید OH هستند که تحت اثر الکتروفورز روی الکترودها از کاتد به آند حرکت می کنند:

4 OH - → O 2 + 2 H 2 O + 4 e - .

پتانسیل های اکسیداسیون و کاهش طبیعی این واکنش ها به ترتیب +1.23 و 0.403 ولت است، اما این فرآیند تحت شرایط برخی اتفاق می افتد.

اضافه ولتاژ یک سلول الکترولیز را می توان مولد محصولات فوق الذکر دانست که برخی از آنها با وارد شدن به فعل و انفعالات شیمیایی با یکدیگر و با آلاینده های آب در فضای بین الکترودها، تصفیه شیمیایی اضافی آب (الکتروفلوتاسیون، انعقاد الکتریکی) را فراهم می کنند. این فرآیندهای ثانویه نه در سطح الکترودها، بلکه در حجم آب رخ می دهند. بنابراین، بر خلاف فرآیندهای الکترودی، آنها حجمی تعیین می شوند. آنها با افزایش دمای آب در طول الکترولیز و افزایش pH در طی تخریب کاتدی مولکول های آب آغاز می شوند.

بین اکسیداسیون کاتدی و آندی تمایز قائل شده است. در طی اکسیداسیون کاتدی، مولکول‌های مواد آلی که روی کاتدها جذب می‌شوند، الکترون‌های آزاد را می‌پذیرند، کاهش می‌یابند و به ترکیباتی تبدیل می‌شوند که آلاینده نیستند. در برخی موارد، روند بازیابی در یک مرحله انجام می شود:

R + H + + e - → RH، که در آن R یک ترکیب آلی است. RH شکل هیدراته ترکیب است و آلاینده نیست.

در موارد دیگر، احیای کاتدی در دو مرحله انجام می شود: در مرحله اول (I)، مولکول آلی به آنیون تبدیل می شود، در مرحله دوم (II)، آنیون هیدراته می شود و با پروتون آب برهمکنش می کند:

R + e - → R - ، (I) R - + H + → RH. (II)

بین اکسیداسیون کاتدی و آندی تمایز قائل شده است. در طی اکسیداسیون کاتدی، مولکول‌های مواد آلی که روی کاتدها جذب می‌شوند، الکترون‌های آزاد را می‌پذیرند و کاهش می‌یابند.

کاتدهای ساخته شده از موادی که نیاز به اضافه ولتاژ بالا (سرب، کادمیوم) دارند، با صرف هزینه زیاد الکتریسیته، امکان نابودی مولکول‌های آلی و تولید رادیکال‌های آزاد فعال را فراهم می‌کنند - ذرات دارای الکترون‌های جفت نشده آزاد در مدارهای بیرونی اتم‌ها یا مولکول‌ها (Cl) *، O*، OH*، BUT*2، و غیره). شرایط اخیر به رادیکال‌های آزاد خاصیت واکنش‌پذیری می‌دهد، یعنی توانایی ورود به واکنش‌های شیمیایی با ناخالصی‌های آبی و از بین بردن آنها.

RH → R + H + + e - .

اکسیداسیون آندی ترکیبات آلی اغلب منجر به تشکیل رادیکال های آزاد می شود که دگرگونی های بعدی آنها با واکنش پذیری آنها تعیین می شود. فرآیندهای اکسیداسیون آندی چند مرحله ای هستند و با تشکیل محصولات میانی رخ می دهند. اکسیداسیون آندی پایداری شیمیایی ترکیبات آلی را کاهش می دهد و تخریب بعدی آنها را در طی فرآیندهای توده تسهیل می کند.

در فرآیندهای اکسیداتیو حجمی، محصولات الکترولیز آب - اکسیژن (O 2)، پراکسید هیدروژن (H 2 O 2) و ترکیبات کلر حاوی اکسیژن (HClO) نقش ویژه ای ایفا می کنند. در طول فرآیند الکترولیز، یک ترکیب بسیار واکنش پذیر تشکیل می شود - H 2 O 2، تشکیل مولکول های آن به دلیل رادیکال های هیدروکسیل (OH *) که محصولات تخلیه یون های هیدروکسیل (OH-) در آند هستند، رخ می دهد:

2OH - → 2OH* → H 2 O 2 + 2e - ، که در آن OH* رادیکال هیدروکسیل است.

واکنش های بین مواد آلی و عوامل اکسید کننده در یک دوره زمانی مشخص رخ می دهد که مدت زمان آن به مقدار پتانسیل ردوکس عنصر و غلظت مواد واکنش دهنده بستگی دارد. با کاهش غلظت آلاینده و تصفیه، فرآیند اکسیداسیون کاهش می یابد.

سرعت فرآیند اکسیداسیون در طی عملیات الکتروشیمیایی به دمای آب تصفیه شده و pH بستگی دارد. در طی اکسیداسیون ترکیبات آلی، محصولات میانی تشکیل می شوند که هم از نظر مقاومت در برابر تغییرات بیشتر و هم از نظر سمیت با نمونه اصلی متفاوت هستند.

منبع کلر فعال و ترکیبات حاوی اکسیژن تولید شده در الکترولیز، کلریدهای موجود در آب تصفیه شده و کلرید سدیم (NaCl) هستند که قبل از الکترولیز به آب تصفیه شده وارد می شود. در نتیجه اکسیداسیون آندی آنیونهای کلر، گاز کلر Cl 2 تولید می شود. بسته به pH آب، یا هیدرولیز می شود و اسید هیپوکلری HOCl را تشکیل می دهد یا یون های هیپوکلریت ClO - را تشکیل می دهد. تعادل واکنش به مقدار pH بستگی دارد.

در pH = 4-5، کل کلر به صورت اسید هیپوکلرو (HClO) و در PH = 7، نیمی از کلر به صورت یون هیپوکلریت (OCl -) و نیمی به شکل اسید هیپوکلرو است. (HClO) (شکل 4). مکانیسم برهمکنش یون هیپوکلریت (ClO -) با ماده اکسید شده با معادله زیر توصیف می شود:

ClO - + A = C + Cl، که در آن A ماده قابل اکسید شدن است. C یک محصول اکسیداسیون است.

اکسیداسیون الکتروشیمیایی ترکیبات آلی با هیپوکلریتیون (ClO -) با افزایش پتانسیل ردوکس Eh همراه است که نشان دهنده غلبه فرآیندهای اکسیداتیو است. افزایش Eh به نسبت غلظت کلر فعال در فضای بین الکترود به محتوای ناخالصی های آلی در آب بستگی دارد. با پاکسازی میزان آلودگی و کاهش میزان آلودگی، این نسبت افزایش می یابد که منجر به افزایش Eh می شود، اما سپس این شاخص تثبیت می شود.

مقدار ماده ای که بر اساس قانون فارادی در هنگام عبور جریان الکتریکی مستقیم روی الکترودها واکنش نشان می دهد با قدرت جریان و زمان پردازش نسبت مستقیم دارد:

G = AI cur τ، (1)

که در آن A معادل الکتروشیمیایی عنصر، g/(A⋅h) است. من قدرت فعلی، A; τ — زمان پردازش، ساعت. معادل الکتروشیمیایی یک عنصر با فرمول تعیین می شود:

A = M/26.8z، (2)

که در آن M جرم اتمی عنصر است، g؛ z ظرفیت آن است. مقادیر معادل های الکتروشیمیایی برخی از عناصر در جدول آورده شده است. 1.

مقدار واقعی ماده تولید شده در طول الکترولیز کمتر از مقدار نظری است که با استفاده از فرمول (1) محاسبه می شود، زیرا بخشی از برق صرف گرمایش آب و الکترودها می شود. بنابراین، محاسبات ضریب استفاده فعلی η را در نظر می گیرند< 1, величина которого определяется экспериментально.

در طی فرآیندهای الکترود، ذرات باردار و یون ها بین الکترود و الکترولیت - آب مبادله می شوند. برای انجام این کار، در شرایط تعادل ایجاد شده، لازم است یک پتانسیل الکتریکی ایجاد شود که حداقل مقدار آن به نوع واکنش ردوکس و دمای آب در 25 درجه سانتیگراد بستگی دارد (جدول 2).

پارامترهای اصلی الکترولیز آب شامل قدرت و چگالی جریان، ولتاژ درون سلول الکترود و همچنین سرعت و مدت زمان ماندن آب بین الکترودها می باشد.

ولتاژهای تولید شده در سلول الکترود باید برای ایجاد واکنش های ردوکس روی الکترودها کافی باشد. مقدار ولتاژ به ترکیب یونی آب، وجود ناخالصی ها در آب، به عنوان مثال سورفکتانت ها، چگالی جریان (قدرت آن در واحد سطح الکترود)، مواد الکترود و غیره بستگی دارد. انتخاب یک ماده الکترود برای کاهش واکنش روی الکترودها است، ولتاژ مورد نیاز حداقل بود، زیرا این باعث کاهش هزینه انرژی الکتریکی می شود.

برخی از واکنش های ردوکس رقابتی هستند - آنها به طور همزمان رخ می دهند و به طور متقابل یکدیگر را مهار می کنند. جریان آنها را می توان با تغییر ولتاژ در سلول الکترولیتی تنظیم کرد. بنابراین، پتانسیل واکنش طبیعی برای تشکیل اکسیژن مولکولی +0.401 V یا +1.23 V است. هنگامی که ولتاژ به +1.36 V افزایش می یابد (پتانسیل طبیعی واکنش برای تشکیل کلر مولکولی)، تنها اکسیژن در آند آزاد می شود و با افزایش بیشتر پتانسیل، اکسیژن و کلر به طور همزمان آزاد می شوند. و انتشار کلر با شدت ناکافی رخ خواهد داد. در ولتاژ حدود 4-5 ولت، تکامل اکسیژن عملا متوقف می شود و سلول الکترولیتی تنها کلر تولید می کند.

محاسبه پارامترهای اصلی فرآیند الکترولیز آب

پارامترهای اصلی الکترولیز آب شامل قدرت و چگالی جریان، ولتاژ درون سلول الکترود و همچنین سرعت و مدت زمان اقامت آب در فضای بین الکترود می باشد.

قدرت فعلی من مقداری است که بسته به عملکرد مورد نیاز محصول تولید شده [A] تعیین می شود و با فرمول تعیین می شود:

I cur = G/A تیη, (3)

این فرمول با تبدیل فرمول (1) با در نظر گرفتن ضریب استفاده فعلی η بدست می آید. چگالی جریان قدرت آن در واحد سطح الکترود [A/m 2] است، به عنوان مثال، آند، از عبارت زیر تعیین می شود:

i an = I cur / F an, (4)

که در آن فن منطقه آند، m2 است. چگالی جریان تعیین کننده ترین تأثیر را بر فرآیند الکترولیز دارد: یعنی با افزایش چگالی جریان، فرآیندهای الکترود تشدید می شود و سطح الکترودها کاهش می یابد، اما در عین حال ولتاژ در سلول الکترولیز و به عنوان در نتیجه، کل شدت انرژی فرآیند افزایش می یابد. افزایش چگالی جریان باعث تشدید انتشار گازهای الکترولیز می شود که منجر به حباب شدن و پراکندگی محصولات نامحلول تصفیه آب الکتریکی می شود.

با افزایش چگالی جریان، غیرفعال شدن الکترودها نیز افزایش می‌یابد، که شامل مسدود کردن الکترون‌های ورودی توسط رسوبات سطحی آند و کاتد می‌شود، که مقاومت الکتریکی در سلول‌های الکترود را افزایش می‌دهد و واکنش‌های ردوکس روی الکترودها را مهار می‌کند.

آندها در نتیجه تشکیل لایه های نازک اکسیدی بر روی سطوح آنها در نتیجه جذب اکسیژن و سایر اجزای روی آندها غیرفعال می شوند که به نوبه خود ذرات ناخالصی های آبی را جذب می کنند. رسوبات کربنات عمدتاً روی کاتدها تشکیل می شوند، به ویژه در مورد تصفیه آب با سختی افزایش یافته. به این دلایل، چگالی جریان در طول الکترولیز آب باید تحت شرایطی برای وقوع پایدار واکنش‌های ردوکس لازم در طول فرآیند فن‌آوری به حداقل برسد.

مدت زمانی که آب در فضای بین الکترودی الکترولیز باقی می ماند با زمان مورد نیاز برای تولید مقدار مورد نیاز محصولات الکترولیز محدود می شود.

ولتاژ در سلول الکترود [V] با فرمول تعیین می شود:

V i = i an ΔK g / χ R، (5)

جایی که i an چگالی جریان، A/m 2 است. D-فاصله بین الکترودها (عرض کانال بین الکترودی)، m. χ R-رسانایی الکتریکی خاص آب، 1/(اهم⋅m). Kg ضریب پر شدن گاز فضای بین الکترود است که معمولاً Kg = 1.05-1.2 گرفته می شود.

فرمول (5) مقاومت الکتریکی الکترود را به دلیل مقادیر کم آنها در نظر نمی گیرد، اما در هنگام غیرفعال سازی این مقاومت ها قابل توجه است. عرض کانال بین الکترودی حداقل (3-20 میلی متر) در نظر گرفته می شود تا اطمینان حاصل شود که با ناخالصی ها مسدود نمی شود.

رسانایی الکتریکی ویژه آب χ R به تعدادی از عوامل بستگی دارد که از جمله مهمترین آنها دما، pH، ترکیب یونی و غلظت یون است (شکل 5). با افزایش دما، هدایت الکتریکی χ R افزایش می یابد و ولتاژ کاهش می یابد (شکل 6). حداقل مقدار هدایت الکتریکی مربوط به pH = 7 است. علاوه بر این، در طول فرآیند الکترولیز، دما و pH آب افزایش می یابد. اگر pH > 7 باشد، می‌توان انتظار کاهش رسانایی الکتریکی ویژه آب χR و در مقادیر pH داشت.< 7 удельная электропроводность воды χ R , наоборот, возрастает (рис. 5).

رسانایی الکتریکی ویژه آب های طبیعی با کانی سازی متوسط ​​0.001-0.005 1/(Ohm⋅m)، فاضلاب شهری 10-0.01 1/(Ohm⋅m) است. در طول الکترولیز، هدایت الکتریکی ویژه باید در محدوده 0.1-1.0 1 / (اهم⋅m) باشد. اگر آب منبع دارای رسانایی الکتریکی ناکافی باشد، میزان نمک باید افزایش یابد (شکل 7). معمولاً برای این کار از کلرید سدیم (NaCl) استفاده می شود که دوزهای آن به صورت تجربی تعیین می شود و اغلب به 500-1500 میلی گرم در لیتر (25-8 میلی اکیوالان در لیتر) می رسد. کلرید سدیم نه تنها از نظر استفاده و ایمنی (ذخیره سازی، تهیه محلول و غیره) راحت است، بلکه در حضور NaCl، غیرفعال شدن الکترودها کند می شود. با تفکیک در آب، NaCl آب را با آنیون های کلر Cl - و کاتیون های سدیم Na + اشباع می کند. یون های کلر Cl - اندازه کوچکی دارند و با نفوذ از طریق رسوبات غیرفعال به سطح آند، این رسوبات را از بین می برند. در حضور سایر آنیون ها، به ویژه یون های سولفات (SO 2-4)، اثر غیرفعال کنندگی یون های کلر (Cl-) کاهش می یابد. عملکرد پایدار الکترولیز در صورتی امکان پذیر است که یون ها - Cl - حداقل 30٪ از تعداد کل آنیون ها را تشکیل دهند. کاتیون های سدیم Na + در نتیجه الکتروفورز به سمت کاتدها حرکت می کنند که در آن یون های هیدروکسید OH - تولید می شود و در تعامل با دومی هیدروکسید سدیم (NaOH) را تشکیل می دهند که رسوبات کربنات را روی کاتدها حل می کند.

توان مصرفی [W] الکترولیزر با رابطه زیر تعیین می شود:

N مصرف = η e I cur V e, (6)

که در آن η e راندمان الکترولیز است که معمولاً η e = 0.7-0.8 گرفته می شود. من قدرت فعلی، A; V e ولتاژ الکترولایزر V است.

زمان ماند آب در فضای بین الکترودی الکترولیز با زمان مورد نیاز برای تولید مقدار مورد نیاز محصولات الکترولیز و همچنین مدت زمان واکنش های حجمی مربوطه محدود شده و به صورت تجربی تعیین می شود.

سرعت حرکت آب در فضای بین الکترودها با در نظر گرفتن شرایط حذف محصولات الکترولیز و سایر ناخالصی ها از الکترولیز تنظیم می شود. علاوه بر این، اختلاط آشفته به سرعت حرکت آب بستگی دارد که بر روند واکنش های حجمی تأثیر می گذارد. مانند زمان ماند آب، سرعت آب نیز بر اساس داده های تجربی انتخاب می شود.

ادامه دارد.

1. Bakhir V.M., Liakumovich A.G., Kirpichnikov P.A., Spector L.E., Mamadzhanov U.D. ماهیت فیزیکی پدیده های فعال شدن مواد // ایزو. آکادمی علوم UzSSR. سر. فن آوری ناوک.، شماره 1/1983.

2. Kulsky L.A. تصفیه آب با انعقاد الکتریکی / L.A. کولسکی، پی.پی. استرواک، V.A. اسلیپچنکو و دیگران - کیف: بودیولنیک، 1978.

3. Lipovetsky Ya.M. روشهای الکتروشیمیایی تصفیه آبهای شرب و فاضلاب / یا.م. لیپووتسکی، یا.د. Rappoport - M.: CBNTI وزارت مسکن و خدمات اجتماعی RSFSR، 1985.

4. Kirpichnikov P.A., Bakhir V.M., Gamer P.U., Dobrenkov G.A., Liakumovich A.G., Fridman B.S., Agadzhanyan S.I. در مورد ماهیت فعال سازی الکتروشیمیایی رسانه // Dokl. آکادمی علوم اتحاد جماهیر شوروی، شماره 3/1986، T. 286.

5. Bakhir V.M., Zadorozhny Yu.G. راکتورهای الکتروشیمیایی RPE - م.: "هایپراکس"، 1991.

6. Yakovlev S.V. فناوری تصفیه آب الکتروشیمیایی / S.V. یاکولف، I.G. کراسنوبورودکو، V.M. روگوف. - L.: L.O. استروییزدات، 1987.

7. بخیر وی.م. سیستم های الکتروشیمیایی فنی مدرن برای گندزدایی، تصفیه و فعال سازی آب. - M.: VNIIIMT، 1999.

8. Bakhir V.M., Zadorozhny Yu.G., Leonov B.I., Panicheva S.A., Prilutsky V.I. فعال سازی الکتروشیمیایی: تصفیه آب و تولید محلول های مفید. - M.: VNIIIMT، 2001.

9. Kulsky L.A. کتاب راهنمای خواص، روش های تجزیه و تحلیل و تصفیه آب. قسمت 1 / L.A. کولسکی، آی.تی. گورونوفسکی، A.M. کوگانوفسکی و دیگران - کیف: نائوکووا دامکا، 1980.

10. مدریش جی.ال. ضد عفونی آبهای طبیعی و فاضلاب با استفاده از الکترولیز / G.L. مدریش، ع.الف. تایشوا، دی.ال. حوضه. - م.: استروییزدات، 1982.

11. Volovnik G.I. مبانی نظری تصفیه آب / G.I. ولوونیک، ال.دی. ترخوف قسمت 1. - خاباروفسک: انتشارات خانه DVGUPS، 2000.

12. بخیر وی.م. فعال سازی الکتروشیمیایی قسمت 2. - M.: عسل VNIIII. تکنولوژی، 1992.

13. Babtsova N.F.، Komarov I.F. تجربه استفاده از نصب STEL در بخش جراحی / II Int. علائم "الکترو. فعال سازی، قسمت 1. - م.، 1999.

14. Leonov B.I.، Prilutsky V.I.، Bakhir V.M. جنبه های فیزیکوشیمیایی عمل بیولوژیکی آب فعال شده الکتروشیمیایی - M.: VNIIIMT، 1999.

15. بخیر وی.م. جنبه های نظری فعال سازی الکتروشیمیایی / II Int. علائم "الکترو. فعال سازی". قسمت 1. - م.، 1999.

16. Toropkov V.V.، Altshul E.B.، Toropkova E.V. ویژگی های سم شناسی دارو کاتولیت / III Int. علائم "الکترو. فعال سازی". - م.، 2001.

17. لئونوف بی.آی.، باخیر وی.ام.، وتورنکو وی. فعال سازی الکتروشیمیایی در پزشکی عملی / II Int. علائم "فعال سازی الکتروشیمیایی"، قسمت 1. - M.، 1999.

18. Toropkov V.V. Altshul E.B.، Peresypkin O.I. اثربخشی فارماکولوژیک اثر آنولیت های AN و ANK بر روی غشاهای مخاطی حفره دهان / II Int. علائم "الکترو. فعال سازی" // چکیده ها، گزارش ها. و پیام قسمت 1. - م.، 1999.

19. Prilutsky V.I., Bakhir V.M. آب فعال الکتروشیمیایی: خواص غیرعادی، مکانیسم عمل بیولوژیکی. - M.: VNIIIMT، 1997.

20. Panicheva S.A. فن آوری های جدید برای ضدعفونی و استریل کردن محصولات پیچیده پزشکی. - M.: VNIIIMT، 1998.

1. در آزمایش ارستد چه چیزی مشاهده شد؟
الف) برهمکنش دو هادی موازی با جریان.
ب) برهمکنش دو سوزن مغناطیسی.
ج) چرخش یک سوزن مغناطیسی در نزدیکی هادی هنگام عبور جریان از آن.
د) ظهور جریان الکتریکی در سیم پیچ وقتی آهنربا در آن قرار می گیرد.

2. اگر دو هادی موازی در یک جهت از آنها عبور کند چگونه با یکدیگر تعامل می کنند؟
الف) جذب می شوند. ب) فشار می آورند. ج) نیروی اندرکنش صفر است. د) پاسخ صحیح داده نشده است.

3. هنگامی که جریان الکتریکی مستقیم از یک هادی عبور می کند، میدان مغناطیسی در اطراف آن ظاهر می شود. با قرار گرفتن براده های فولادی بر روی یک ورق کاغذ یا چرخش یک سوزن مغناطیسی واقع در نزدیکی هادی تشخیص داده می شود.چگونه می توان این میدان مغناطیسی را در فضا جابجا کرد؟
الف) انتقال براده های فولادی. ب) انتقال آهنربا. ج) انتقال هادی با جریان. د) میدان مغناطیسی را نمی توان حرکت داد.

4. سوزن های مغناطیسی که در نقاط A و B داخل سیم پیچ قرار گرفته اند، با باز شدن کلید K چگونه قرار می گیرند؟
الف) همان قطب شمال به سمت راست مطابق شکل.
ب) همان قطب شمال به سمت چپ مطابق شکل.
ج) تیرها قطب های شمالی خود را رو به روی یکدیگر قرار داده اند.
د) تیرها قطب های جنوبی خود را رو به روی یکدیگر قرار داده اند.

5. چرا طراحی موتورهای AC ساده تر از موتورهای DC است؟ چرا از موتورهای DC در حمل و نقل استفاده می شود؟

6. قطب های آهنربای الکتریکی را تعیین کنید.

7. میدان مغناطیسی جریان ها را رسم کنید و جهت خطوط میدان مغناطیسی را تعیین کنید.

8. جهت نیروی وارد بر هادی حامل جریان که در میدان مغناطیسی قرار دارد را تعیین کنید.

9. شما سه شی دارید - "دستگاه": یک بلوک چوبی، دو میخ فولادی که به یکدیگر جذب نمی شوند و یک آهنربای دائمی.
سه "جعبه سیاه" به ترتیب حاوی: یک آهنربا، دو میخ و یک بلوک چوبی هستند. از چه ابزاری و به چه ترتیبی بهتر است استفاده کنیم تا بفهمیم در هر کشو چه چیزی وجود دارد؟

10. یک موتور الکتریکی DC جریان 2 A را از منبع 24 ولت مصرف می کند، اگر مقاومت سیم پیچ آن 3 اهم باشد، توان مکانیکی موتور چقدر است؟ کارایی آن چیست؟

جهت جریان در هادی را که سطح مقطع و میدان مغناطیسی آن در شکل 1 نشان داده شده است، تعیین کنید.

3. جریان در هادی که جهت خطوط میدان مغناطیسی آن با فلش نشان داده شده است چه جهتی است (شکل 3)؟

5. بر اساس جهت خطوط مغناطیسی نیرو که در شکل 5 نشان داده شده است، جهت جریان دایره ای را در حلقه تعیین کنید.

امواج الکترومغناطیسی بوجود می آیند: الف- وقتی بارهای الکتریکی با سرعت ثابت حرکت می کنند. ب- با حرکت تسریع الکتریسیته

ب- پیرامون شارژهای ثابت.

د- اطراف هادی ثابتی که جریان الکتریکی ثابتی از آن عبور می کند.

د. در اطراف یک صفحه فلزی ثابت باردار

1. جریان الکتریکی را ... الف). حرکت الکترون ها ب). حرکت منظم ذرات باردار ب). حرکت منظم الکترون ها 2.

برای ایجاد جریان الکتریکی در هادی باید ... الف). یک میدان الکتریکی در آن ایجاد کنید. ب). بارهای الکتریکی در آن ایجاد کنید. ب). بارهای الکتریکی جداگانه در آن است. 3. چه ذراتی در فلزات جریان الکتریکی ایجاد می کنند؟ آ). الکترون های آزاد ب). یون های مثبت ب). یون های منفی ^ 4. چه اثر جریان در گالوانومتر استفاده می شود؟ الف. حرارتی. ب. شیمیایی. ب. مغناطیسی. 5. قدرت جریان در مدار اجاق برقی 1.4 A است. چه بار الکتریکی در مدت 20 دقیقه از مقطع مارپیچ آن عبور می کند؟ آ). 3200 کیلو ب). 1680 Cl. ب). 500 کیلو ^ 6. در کدام نمودار (شکل 1) آمپرمتر به درستی به مدار متصل شده است؟ آ). 1. ب). 2. ب). 3. 7. هنگامی که بار الکتریکی برابر با 6 C از یک هادی عبور می کند، 660 ژول کار انجام می شود، ولتاژ در انتهای این هادی چقدر است؟ آ). 110 V. B). 220 V.V). 330 ولت ^ 8. در کدام نمودار (شکل 2) ولت متر به درستی به مدار متصل شده است؟ آ). 1. ب). 2. 9. دو سیم پیچ سیم مسی با سطح مقطع یکسان به ترتیب 50 و 150 متر طول دارند، کدام یک و به چه میزان مقاومت بیشتری دارند؟ آ). اولی 3 بار است. ب). دومی 3 برابر است. ^ 10. در صورتی که ولتاژ انتهای آن 6 ولت باشد، قدرت جریان عبوری از سیم نیکلی به طول 25 سانتی متر و مقطع 0.1 میلی متر مربع چقدر است؟ آ). 2 A. B). 10 A. B). 6 الف

1. جریان الکتریکی با چه واحدهایی اندازه گیری می شود؟ A. Ohm; بی.جی. W. W. GA.

2. وقتی جریان الکتریکی از هر محیطی عبور می کند، همیشه چه اعمالی رخ می دهد؟

آ. حرارتی؛ ب.مغناطیسی؛ که در. شیمیایی؛ جی.سبک.

4. در صورت انجام 2200 ژول در هنگام جابجایی شارژ 10 درجه سانتی گراد، مشخص کنید که لامپ تحت چه ولتاژی است.

5. مقاومت مقطع AB را در مدار نشان داده شده در شکل تعیین کنید.

6. مقاومت سیم نیکروم که طول آن 150 متر و سطح مقطع آن 0.2 میلی متر مربع است را محاسبه کنید.

7. یک هادی مسی با سطح مقطع 3.5 میلی متر مربع و طول 14.2 متر جریانی برابر با 2.25 A دارد. ولتاژ انتهای این هادی را تعیین کنید.

8. در عرض 35 ثانیه چند الکترون از سطح مقطع یک هادی عبور می کند که جریان در آن 16 A باشد؟

9. جرم سیم آهنی را با سطح مقطع 2 میلی متر مربع که برای ساختن مقاومتی با مقاومت 6 اهم گرفته شده است، تعیین کنید.