تصفیه آب الکتروشیمیایی الکترولیز

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

در ثانیه 8.1 نشان داده شد که الکترولیت به گونه ای مایع است که وقتی جریان الکتریکی از آن عبور می کند، تحت یک واکنش شیمیایی قرار می گیرد. الکترولیت ممکن است یک نمک مذاب مانند برمید سرب(H) یا محلول آبی برخی 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، فرآیندهایی که روی الکترودها اتفاق می‌افتد را می‌توان به‌عنوان نیمه‌واکنش‌های کاهنده یا اکسیدکننده در نظر گرفت. بنابراین، الکترولیز یک فرآیند ردوکس است.

یک نیمه واکنش اکسیداتیو همیشه در آند انجام می شود. 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 و تخلیه می کنند 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

2vg-(l.) \u003d Vg2 (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+(جامد) + 2e- = Pb(l.)

این نیمه واکنش یک 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. قطب منفی یک منبع جریان خارجی (باتری) الکترون های یکی از الکترودهای سلول الکترولیتی را تامین می کند. این باعث بار منفی 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 بازیابی بر روی این الکترود انجام می شود. در الکترود دیگر، الکترون‌ها از سلول الکترولیتی به مدار خارجی برمی‌گردند و این الکترود را به الکترود مثبت تبدیل می‌کنند. بنابراین، این الکترود نقش آند را بازی می کند. به دلیل بار مثبت، واکنشی روی آن رخ می دهد که با آزاد شدن الکترون ها یعنی اکسیداسیون همراه است.

یک نمایش شماتیک از کل فرآیند الکترولیز در شکل 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 \u003d AgI + KNO 3

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

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

در ابتدا، این مولکول ها به طور نامنظم با هم ترکیب می شوند و ساختاری بی شکل و سست را تشکیل می دهند که به تدریج به یک ساختار کریستالی بسیار منظم از هسته تبدیل می شود. در مثالی که در نظر می گیریم، هسته یک کریستال یدید نقره است که از تعداد زیادی (m) مولکول AgI تشکیل شده است:

m - هسته ذره کلوئیدی

یک فرآیند جذب در سطح هسته انجام می شود. طبق قانون پسکوف-فاجانز، یون هایی که بخشی از هسته ذرات هستند، 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 آید، یون‌های ید روی ذرات (هسته‌ها) جذب می‌شوند که شبکه کریستالی هسته را کامل می‌کنند و به طور طبیعی و محکم وارد ساختار آن می‌شوند. 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 بار مناسبی به آن می دهند، یون های تشکیل دهنده پتانسیل نامیده می شوند.

در همان زمان، یون های دارای بار مخالف نیز در محلول هستند، آنها نامیده می شوند ضدیون هادر مورد ما، اینها یونهای پتاسیم (K +) هستند که به صورت الکترواستاتیکی به هسته باردار جذب می شوند (مقدار بار می تواند به I c برسد). بخشی از یون های K+ به شدت توسط نیروهای الکتریکی و جذبی محدود شده و وارد لایه جذب می شود. هسته ای با لایه جذب دوگانه یونی که روی آن تشکیل شده است گرانول نامیده می شود.

(m . nI - . (n-x) K + ) x - (ساختار گرانول)

قسمت باقیمانده از یونهای ضد (اجازه دهید آنها را با عدد "x K +" نشان دهیم) یک لایه پراکنده از یونها را تشکیل می دهد.

هسته با لایه های جذب و انتشار را میسل می نامند. :

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

هنگامی که یک جریان الکتریکی ثابت از یک محلول کلوئیدی عبور می‌کند، گرانول‌ها و یون‌های متقابل به ترتیب به سمت الکترودهایی با بار مخالف حرکت می‌کنند.

وجود بار مشابه در سطح ذرات سل مهم است. عامل پایداری آنشارژ از چسبیدن و بزرگ شدن ذرات جلوگیری می کند. در یک سیستم پراکنده پایدار، ذرات در حالت تعلیق نگه داشته می شوند، به عنوان مثال. هیچ بارشی از ماده کلوئیدی رخ نمی دهد. به این خاصیت سول ها کینتی می گویند ثبات chesky

ساختار میسل های سل یدید نقره به دست آمده بیش از AgNO 3 در شکل 3 نشان داده شده است. 1a، بیش از KCI - 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 محلول الکترولیت یا مذاب عبور می کند. در یک الکترولیز، انرژی الکتریکی به انرژی یک واکنش شیمیایی تبدیل می شود.

کاتد (-) – الکترود منفی که در آن کاهش در طی الکترولیز اتفاق می افتد.

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

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

در الکترولیز می توان از آندهای بی اثر (نامحلول) و فعال (قابل مصرف) استفاده کرد. آند فعال، در حال اکسید شدن، یون های خود را به محلول می فرستد. آند بی اثر فقط یک 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، 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 سمت کاتد (-) و آند حرکت می کنند. (+). 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.

من قانون فارادی: جرم ماده آزاد شده در طول الکترولیز متناسب با مقدار الکتریسیته ای است که از الکترولیز عبور کرده 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 C، 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 مقدار الکتریسیته عبور 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 الکتریسیته، برابر با ثابت فارادی F= 96485 C/mol. در واقع، یک معادل یک ماده حاوی N A = 6.02322∙10 23 ذرات، و برای بازیابی چنین تعداد یون باردار روی کاتد، لازم است مقدار برق 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، امکان نوشتن وجود دارد.

محلول‌های آب الکتروفعال‌شده - کاتولیت‌ها و آنولیت‌ها را می‌توان در کشاورزی، افزایش بهره‌وری گیاه، دامداری، پزشکی، ضدعفونی آب و مصارف خانگی استفاده کرد. تصفیه آب الکتروشیمیایی 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 اصلی الکترولیز آب آشنا می کند.

مقدمه

پدیده فعال‌سازی الکتروشیمیایی آب (EAW) ترکیبی از اثرات الکتروشیمیایی و الکتروفیزیکی بر روی آب در یک لایه الکتریکی دوگانه (DEL) از الکترودها (آند و کاتد) در هنگام انتقال بار غیرتعادلی از طریق DEL توسط الکترون‌ها و تحت شرایط پراکندگی شدید در مایع محصولات گازی حاصل از واکنش های الکتروشیمیایی. چهار فرآیند اصلی در فرآیند ECA وجود دارد:

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

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

الکتروفلوتاسیون - تشکیل لخته های گازی و سنگدانه های متشکل از حباب های گاز ریز پراکنده (هیدروژن در کاتد و اکسیژن در آند) و ناخالصی های آب پراکنده درشت.

- انعقاد الکتریکی - تشکیل توده های کلوئیدی از ذرات فاز پراکنده رسوبی به دلیل 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 پتانسیل‌های مساوی یا بیش از پتانسیل تجزیه آب (1.25 ولت)، آب به حالتی فراپایدار تبدیل می‌شود که با مقادیر غیرعادی فعالیت الکترون و سایر پارامترهای فیزیکی و شیمیایی (pH، Eh، ORP، هدایت الکتریکی). عبور جریان الکتریکی ثابت از حجم آب با فرآیندهای الکتروشیمیایی همراه است که در نتیجه آن واکنش های ردوکس رخ می دهد که منجر به تخریب (تخریب) آلودگی آب، انعقاد کلوئیدها، لخته شدن 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 شفاف سازی و تغییر رنگ آب های طبیعی، نرم شدن آنها، تصفیه از فلزات سنگین (مس، کو، کادمیوم، سرب، جیوه)، کلر، فلوئور و مشتقات آنها، برای تصفیه پساب های حاوی فرآورده های نفتی، آلی و کلر آلی استفاده می شود. ترکیبات، رنگ ها، سورفکتانت ها، فنل. مزایای تصفیه آب الکتروشیمیایی این است که به شما امکان می دهد مقادیر شاخص هیدروژن 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، EXHAV رسما به عنوان یک کلاس جدید از پدیده های فیزیکی و شیمیایی شناخته شد. 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 داد.

الکترولیز آب

مرحله اصلی تصفیه آب الکتروشیمیایی، الکترولیز آب است. وقتی جریان الکتریکی ثابتی از آب عبور می‌کند، ورود الکترون‌ها به آب در کاتد و همچنین حذف الکترون‌ها از آب در آند، با یک سری واکنش‌های ردوکس در سطوح کاتد همراه است. آند در نتیجه، مواد جدید تشکیل می شود، سیستم فعل و انفعالات بین مولکولی تغییر می کند، ترکیب آب، از جمله ساختار آب. یک تاسیسات معمولی برای تصفیه آب الکتروشیمیایی شامل یک واحد تصفیه آب 1، یک الکترولایزر 2 و یک واحد تصفیه آب 3 پس از تصفیه الکتروشیمیایی است (شکل 1).

در برخی از تصفیه خانه های الکتروشیمیایی آب، تصفیه مکانیکی اولیه آب ارائه می شود 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).

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، انتقال بارهای الکتریکی از طریق یک لایه آب - الکتروفورز، یعنی مهاجرت ذرات قطبی، حامل های بار - یون ها، به الکترودهای علامت مخالف وجود دارد.

وقتی جریان الکتریکی ثابتی از آب عبور می‌کند، ورود الکترون‌ها به آب در کاتد و همچنین حذف الکترون‌ها از آب در آند، با یک سری واکنش‌های ردوکس در سطوح کاتد همراه است. 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 ...) در الکتروفورز شرکت می کنند، اما یون های باردار با بیشترین تحرک نقش اصلی را در انتقال بارهای الکتروشیمیایی دارند. ذرات قطبی شامل ذرات قطبی از بین ناخالصی‌های آب و مولکول‌های آب می‌شود که با ساختار ویژه آنها توضیح داده می‌شود.

اتم اکسیژن مرکزی، که بخشی از مولکول آب است، که الکترونگاتیوی بیشتری نسبت به اتم های هیدروژن دارد، الکترون ها را به سمت خود می کشد و به مولکول عدم تقارن می دهد. در نتیجه، چگالی الکترون دوباره توزیع می‌شود: 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، هیدروژن گازی 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 هیدروژن گازی در کاتد و اکسیژن در آند تولید می شود. ترکیب آب حاوی مقدار مشخصی یون هیدرونیوم H 3 O + است که با تشکیل هیدروژن اتمی H روی سطح کاتد دپلاریزه می شود:

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 هیدروکسید OH -:

H 2 O + e - → H + OH -.

اتم‌های هیدروژن فعال روی سطوح کاتد جذب می‌شوند و پس از نوترکیب، هیدروژن مولکولی H 2 را تشکیل می‌دهند که به صورت گازی از آب آزاد می‌شود:

H + H → H 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، یون های هیدروکسید OH همیشه به عنوان منبع تشکیل اکسیژن عمل می کنند و تحت اثر الکتروفورز روی الکترودها، از کاتد به آند حرکت می کنند:

4 OH - → O 2 + 2 H 2 O + 4 e -.

پتانسیل ردوکس طبیعی این واکنش ها به ترتیب +1.23 و +0.403 V است، اما فرآیند تحت شرایط برخی از آنها ادامه دارد.

اضافه ولتاژ سلول الکترولیز را می توان مولد محصولات فوق 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 آب اضافی (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 به عنوان 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 شوید. در طی اکسیداسیون کاتدی، مولکول‌های مواد آلی که روی کاتدها جذب می‌شوند، الکترون‌های آزاد را می‌پذیرند، بازسازی می‌شوند 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 با برهمکنش با یک پروتون آب هیدراته می شود:

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

بین اکسیداسیون کاتدی و آندی تمایز قائل شوید. 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 هزینه بالای الکتریسیته، تخریب مولکول‌های آلی و تولید رادیکال‌های آزاد فعال را ممکن می‌سازند - ذرات دارای الکترون‌های جفت نشده آزاد (Cl*، O*، OH*). در مدارهای بیرونی اتم ها یا مولکول ها، NO*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 است و با تشکیل محصولات میانی ادامه می یابد. اکسیداسیون آندی پایداری شیمیایی ترکیبات آلی را کاهش می دهد و تخریب بعدی آنها را در طی فرآیندهای توده ای 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 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* یک رادیکال هیدروکسیل است.

واکنش های متقابل مواد آلی با عوامل اکسید کننده برای مدت زمان معینی ادامه می یابد که مدت زمان آن به مقدار پتانسیل ردوکس عنصر و غلظت مواد واکنش دهنده بستگی دارد. با کاهش غلظت آلاینده و کاهش غلظت آلاینده، فرآیند اکسیداسیون کاهش می یابد.

سرعت فرآیند اکسیداسیون در طی عملیات الکتروشیمیایی به دمای آب تصفیه شده و pH بستگی دارد. در فرآیند اکسیداسیون ترکیبات آلی، محصولات میانی تشکیل می شود که هم از نظر مقاومت در برابر تحولات بیشتر و هم در شاخص های سمیت با اولیه متفاوت است.

منابع کلر فعال و ترکیبات حاوی اکسیژن آن که در الکترولیز تولید می شوند، 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 آنیون های کلر، کلر گازی Cl 2 تولید می شود. بسته به pH آب، یا هیدرولیز می شود و اسید هیپوکلری HOCl تشکیل می دهد یا یون های هیپوکلریت ClO - . 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. رشد Eh به نسبت غلظت کلر فعال در فضای بین الکترود به محتوای ناخالصی های آلی در آب بستگی دارد. با پاکسازی و کاهش میزان آلودگی، این نسبت افزایش می یابد که منجر به افزایش Eh می شود، اما پس از آن این شاخص تثبیت می شود.

مقدار ماده ای که بر اساس قانون فارادی هنگام عبور جریان الکتریکی مستقیم بر 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. I cur - قدرت فعلی، A; τ زمان پردازش، h است. معادل الکتروشیمیایی 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. یکی

مقدار واقعی ماده تولید شده در طول الکترولیز کمتر از مقدار نظری محاسبه شده با فرمول (1) است، 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، تبادل ذرات و یون های باردار بین الکترود و الکترولیت - آب وجود دارد. برای انجام این کار، در شرایط تعادل حالت پایدار، لازم است پتانسیل الکتریکی ایجاد شود که حداقل مقدار آن به نوع واکنش ردوکس و به دمای آب در 25 درجه سانتی گراد 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 وقوع 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. وظیفه انتخاب یک ماده الکترود این است که اطمینان حاصل شود که برای عبور واکنش های کاهش اکسیداتیو بر روی الکترودها، ولتاژ مورد نیاز حداقل است، زیرا این باعث کاهش هزینه انرژی الکتریکی می شود.

برخی از واکنش های ردوکس در حال رقابت هستند - آنها به طور همزمان پیش می روند و متقابلا یکدیگر را مهار می کنند. جریان آنها را می توان با تغییر ولتاژ در سلول الکترولیتی کنترل کرد. بنابراین، پتانسیل طبیعی واکنش تشکیل اکسیژن مولکولی +0.401 V یا +1.23 V است. با افزایش ولتاژ به +1.36 ولت (پتانسیل طبیعی برای واکنش تشکیل کلر مولکولی)، فقط اکسیژن در آند آزاد می شود و با افزایش بیشتر پتانسیل، هم اکسیژن و هم کلر به طور همزمان آزاد می شوند و کلر با شدت ناکافی آزاد می شود. در ولتاژ حدود 4-5 ولت، تکامل اکسیژن عملا متوقف می شود و سلول الکترولیتی فقط 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 ماندن آب در فضای بین الکترود می باشد.

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

Icur=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 است که مربوط به واحد سطح الکترود [A / m 2] است، به عنوان مثال، آند، از عبارت زیر تعیین می شود:

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

که در آن F an مساحت آند، m 2 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 همان زمان، ولتاژ در سلول الکترولیز کاهش می یابد. افزایش می یابد و در نتیجه کل شدت انرژی فرآیند را افزایش می دهد. 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. بر روی کاتدها عمدتاً رسوبات کربناتی تشکیل می شود، به خصوص در مورد تصفیه آب با سختی افزایش یافته. به این دلایل، چگالی جریان در طول الکترولیز آب باید تحت شرایط برای وقوع پایدار واکنش‌های ردوکس لازم در طول فرآیند فن‌آوری به حداقل برسد.

زمان ماند آب در فضای بین الکترودی الکترولیز 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 en ΔK g / χ R ، (5)

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

فرمول (5) مقاومت های الکتریکی الکترود را به دلیل مقادیر کم آنها در نظر نمی گیرد، اما با غیرفعال شدن، این مقاومت ها قابل توجه است. عرض کانال بین الکترودی با توجه به شرایط عدم گرفتگی توسط ناخالصی ها حداقل (3-20 میلی متر) در نظر گرفته می 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 باید در محدوده 0.1-1.0 1 / (Ohm⋅m) باشد. اگر آب منبع دارای رسانایی الکتریکی ناکافی باشد، باید شوری را افزایش داد (شکل 7). معمولاً برای این کار از کلرید سدیم (NaCl) استفاده می شود که دوزهای آن به صورت تجربی تعیین می شود و اغلب 500-1500 میلی گرم در لیتر (8-25 مگا اکیوان در لیتر) است. کلرید سدیم نه تنها از نظر کاربرد و ایمنی (ذخیره، تهیه محلول و غیره) راحت است، بلکه در حضور NaCl، غیرفعال شدن الکترود کند می شود. با تفکیک در آب، NaCl آب را با آنیون های کلر کلر و کاتیون های سدیم Na + اشباع می کند. یون های کلر Cl - کوچک هستند 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 کلرید (Cl-) کاهش می یابد. عملکرد پایدار سلول در صورتی امکان پذیر است که یون ها - Cl - حداقل 30٪ از تعداد کل آنیون ها را تشکیل دهند. در نتیجه الکتروفورز، کاتیون های سدیم Na + به سمت کاتدها حرکت می کنند، که بر روی آن یون های هیدروکسید OH - تولید می شود، و در تعامل با دومی، هیدروکسید سدیم (NaOH) را تشکیل می دهد که رسوبات کربنات را روی کاتدها حل می کند.

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

N مصرف = η e I cur V e, (6)

که در آن η e بازده سلول است، معمولاً η e = 0.7-0.8 گرفته می شود. I cur - قدرت فعلی، A; V e - ولتاژ در الکترولیز، V.

زمان ماندن آب در فضای بین الکترودی سلول 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 ماندن آب، سرعت آب نیز بر اساس داده های تجربی انتخاب می شود.

ادامه دارد.

1. Bakhir V.M., Liakumovich A.G., Kirpichnikov P.A., Spektor L.E., Mamadzhanov U.D. ماهیت فیزیکی پدیده های فعال شدن مواد // ایزو. آکادمی علوم ازبکستان SSR. 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.: TsBNTI از Minzhilkomkhoz 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. فرهنگستان علوم اتحاد جماهیر شوروی، شماره 3/1986، جلد 286.

5. Bakhir V.M., Zadorozhniy Yu.G. راکتورهای الکتروشیمیایی RPE - M.: "Hyperoks"، 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., Zadorozhniy Yu.G., Leonov B.I., Panicheva S.A., Prilutsky V.I. فعال سازی الکتروشیمیایی: تصفیه آب و به دست آوردن محلول های مفید. - M.: VNIIIMT، 2001.

9. Kulsky L.A. 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 بخش 1. - خاباروفسک: انتشارات دانشگاه مهندسی راه آهن ایالتی شرق دور، 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 دستگاه 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. - م.، 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» // مجموعه مقالات، 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 ضد عفونی و استریل کردن دستگاه های 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 سوزن مغناطیسی در نزدیکی هادی هنگام عبور جریان از آن.
د) وقوع جریان الکتریکی در سیم پیچ هنگام قرار دادن آهنربا در آن.

2. اگر دو هادی موازی در یک جهت از آنها عبور کند چگونه با یکدیگر تعامل می کنند؟
الف) جذب می شوند. ب) دفع. ج) نیروی برهمکنش صفر است. د) پاسخ صحیحی وجود ندارد.

3. هنگامی که جریان الکتریکی مستقیم از یک هادی عبور می کند، میدان مغناطیسی در اطراف آن ایجاد می شود. با قرار گرفتن براده های فولادی بر روی یک ورق کاغذ یا با چرخش 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) با حرکت 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 خواهند گرفت؟
الف) در شکل به همان اندازه قطب شمال به سمت راست.
ب) همان قطب شمال سمت چپ در شکل.
ج) فلش هایی با قطب شمال روبه روی هم.
د) پیکان هایی با قطب های جنوب رو به روی هم.

5. چرا دستگاه موتورهای AC ساده تر از DC است؟ چرا از موتورهای DC در وسایل نقلیه استفاده می شود؟

6. قطب های آهنربای الکتریکی را تعیین کنید.

7. میدان مغناطیسی جریان ها را به تصویر بکشید 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 مورد دارید - "دستگاه": یک بلوک چوبی، دو میخ فولادی که جذب یکدیگر نمی شوند و یک آهنربای دائمی.
سه "جعبه سیاه" به ترتیب شامل: یک آهنربا، دو میخ و یک بلوک چوبی هستند. بهتر است از چه ابزاری و با چه ترتیبی استفاده کنیم تا بفهمیم در هر یک از جعبه ها چه چیزی وجود دارد؟

10. یک موتور DC از منبعی با ولتاژ 24 ولت جریان 2 A را مصرف می کند، اگر مقاومت سیم پیچ آن 3 اهم باشد، توان مکانیکی موتور چقدر است؟ K.P.D آن چیست؟

جهت جریان در هادی را که سطح مقطع آن 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 دارد (شکل 3)؟

5. در 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 شده الکتریکی

ب- پیرامون شارژهای ثابت.

ز- در اطراف یک هادی ثابت که جریان الکتریکی مستقیم از آن عبور می کند.

د. در اطراف یک صفحه فلزی شارژ شده ثابت

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 لازم است... الف). یک میدان الکتریکی در آن ایجاد کنید. ب). بارهای الکتریکی در آن ایجاد کند. ب). تا بارهای الکتریکی در آن جدا شود. 3. چه ذراتی در فلزات جریان الکتریکی ایجاد می کنند؟ آ). الکترون های آزاد ب). یون های مثبت ب). یون های منفی ^ 4. چه عمل 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 سی سی ب). کلاس 1680 ب). 500 سی سی ^ 6. در کدام نمودار (شکل 1) آمپرمتر به درستی به مدار متصل شده است؟ ولی). 1. ب). 2. ب). 3. 7. هنگامی که بار الکتریکی برابر با 6 درجه سانتیگراد از هادی عبور می کند، کار 660 ژول انجام می شود، ولتاژ انتهای این هادی چقدر است؟ ولی). 110 V. B). 220 V. V). 330 ولت ^ 8. در کدام نمودار (شکل 2) ولت متر به درستی به مدار متصل شده است؟ ولی). 1. ب). 2. 9. دو سیم پیچ سیم مسی یک مقطع به ترتیب 50 و 150 متر طول دارند، کدام یک و چند برابر مقاومت بیشتری دارند؟ ولی). اولی 3 بار است. ب). دومی 3 برابر است. ^ 10. قدرت جریان عبوری از سیم نیکلی به طول 25 سانتی متر و سطح مقطع 0.1 میلی متر مربع در صورتی که ولتاژ انتهای آن 6 ولت باشد چقدر است؟ ولی). 2 A. B). 10 A. B). 6 الف

1. قدرت جریان الکتریکی با چه واحدهایی اندازه گیری می شود؟ A. Ohm; B. J; W.W; GA.

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

ولی. حرارتی؛ ب.مغناطیسی؛ AT. شیمیایی؛ جی.سبک.

4. ولتاژی که لامپ زیر آن قرار دارد را تعیین کنید، اگر هنگام جابجایی شارژ 10 درجه سانتیگراد، کار 2200 ژول انجام شود.

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

6. مقاومت یک سیم نیکروم با طول 150 متر و سطح مقطع 0.2 میلی متر مربع 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. چند الکترون در عرض 35 ثانیه با شدت جریان 16 A از سطح مقطع هادی عبور می کند؟

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