Elektrokemijska obrada vode. Elektroliza

Propuštanjem istosmjerne električne struje kroz elektrolit dolazi do kemijskih reakcija na elektrodama. Taj se proces naziva elektroliza, što znači razgradnja (tvari) uz pomoć električne energije.

U sek. 8.1, naznačeno je da je elektrolit takva tekućina koja, kada kroz nju prođe električna struja, prolazi kroz kemijsku reakciju. Elektrolit može biti rastaljena sol, kao što je olovo(H) bromid, ili vodena otopina neke kiseline, baze ili soli.

Električna struja se dovodi do elektrolita pomoću elektroda - žičanih vodiča, metalnih šipki ili ploča koje ostvaruju električni kontakt s elektrolitom. Negativno nabijena elektroda je katoda, a pozitivna elektroda je anoda. Elektrode koje u dodiru s elektrolitima i propuštanjem električne struje ne stupaju u kemijske reakcije nazivamo inertnim elektrodama. Inertne elektrode uključuju grafit i platinu.

IONSKA TEORIJA ELEKTROLIZE

Prema ovoj teoriji, prolaz istosmjerne električne struje kroz elektrolit provodi se uz pomoć iona. Na elektrodama se elektroni prenose na ione ili s iona. Stoga se procesi koji se odvijaju na elektrodama mogu smatrati redukcijskim ili oksidacijskim polureakcijama. Dakle, elektroliza je redoks proces.

Na anodi se uvijek odvija oksidacijska polureakcija. U ovoj reakciji anioni gube elektrone i ispuštaju se pretvarajući se u neutralne čestice. Stoga anoda djeluje kao ponor elektrona iz aniona.

Na katodi se uvijek događa polureakcija redukcije. Ovdje kationi dobivaju elektrone i pražnjenje, pretvarajući se u neutralne čestice. Stoga katoda djeluje kao izvor elektrona za katione.

Elektroliza rastaljenog olovo(H) bromida sastoji se od dvije polureakcije:

1) bromidni ioni se ispuštaju na anodi. (Jednadžba za ovu polureakciju ima

2Vg-(l.) \u003d Vg2 (g.) + 2e-

Ova polureakcija je oksidacija.)

2) ioni olova se ispuštaju na katodi. (Jednadžba za ovu polureakciju je:

Pb2+(kruto) + 2e- = Pb(l.)

Ova polureakcija je redukcija.)

Treba napomenuti da su reakcije koje se odvijaju na anodi i katodi u svakom pojedinom sustavu unaprijed određene polaritetom izvora struje u vanjskom električnom krugu. Negativni pol vanjskog izvora struje (baterije) dovodi elektrone na jednu od elektroda elektrolitičke ćelije. To uzrokuje negativan naboj ove elektrode. Postaje katoda. Budući da je ova elektroda negativno nabijena, ona zauzvrat uzrokuje reakciju elektrode u kojoj se troše elektroni. Dakle, proces oporavka se provodi na ovoj elektrodi. Na drugoj elektrodi, elektroni teku iz elektrolitičke ćelije natrag u vanjski krug, čineći ovu elektrodu pozitivnom elektrodom. Dakle, ova elektroda igra ulogu anode. Zbog svog pozitivnog naboja na njemu dolazi do reakcije koja je popraćena otpuštanjem elektrona, odnosno oksidacijom.

Shematski prikaz cijelog procesa elektrolize prikazan je na sl. 10.6.

Nastanak netopljive tvari kao rezultat kemijske reakcije samo je jedan od uvjeta za dobivanje koloidne otopine. Drugi jednako važan uvjet je nejednakost početnih materijala uzetih u reakciju. Posljedica ove nejednakosti je ograničenje rasta veličine čestica u koloidnim otopinama, što bi dovelo do stvaranja grubo disperznog sustava.

Razmotrimo mehanizam nastanka koloidne čestice na primjeru nastanka sola srebrnog jodida, koji se dobiva interakcijom razrijeđenih otopina srebrnog nitrata i kalijevog jodida.

AgNO 3 + KI \u003d AgI + KNO 3

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

Netopljive neutralne molekule srebrnog jodida čine jezgru koloidne čestice.

Isprva se te molekule spajaju u neredu, tvoreći amorfnu, labavu strukturu, koja se postupno pretvara u visoko uređenu kristalnu strukturu jezgre. U primjeru koji razmatramo, jezgra je kristal srebrnog jodida koji se sastoji od velikog broja (m) molekula AgI:

m - jezgra koloidne čestice

Na površini jezgre odvija se proces adsorpcije. Prema Peskov-Fajansovom pravilu, ioni koji su dio jezgre čestice adsorbirani su na površini jezgri koloidnih čestica, tj. adsorbiraju se ioni srebra (Ag +) ili ioni joda (I -). Od ove dvije vrste iona adsorbiraju se oni koji su u suvišku.

Dakle, ako se koloidna otopina dobije u suvišku kalijevog jodida, tada će se ioni joda adsorbirati na čestice (jezgre), koje dovršavaju kristalnu rešetku jezgre, prirodno i čvrsto ulazeći u njenu strukturu. U tom slučaju nastaje adsorpcijski sloj koji daje jezgri negativan naboj:

Ioni adsorbirani na površini jezgre, dajući joj odgovarajući naboj, nazivaju se ionima koji stvaraju potencijal.

Istodobno, suprotno nabijeni ioni također su u otopini, oni se nazivaju protuioni. U našem slučaju, to su ioni kalija (K +), koji su elektrostatički privučeni nabijenoj jezgri (vrijednost naboja može doseći I c). Dio K + protuiona je snažno vezan električnim i adsorpcijskim silama i ulazi u adsorpcijski sloj. Jezgra na kojoj se formira dvostruki adsorpcijski sloj iona naziva se granula.

(m . nI - . (n-x) K + ) x - (struktura granula)

Preostali dio protuiona (označimo ih brojem "x K +") tvori difuzni sloj iona.

Jezgra s adsorpcijskim i difuzijskim slojevima naziva se micel. :

(m . nI -. (n-x) K + ) x - . x K + (struktura micela)

Kada konstantna električna struja prolazi kroz koloidnu otopinu, granule i protuioni će se kretati prema suprotno nabijenim elektrodama.

Važna je prisutnost istog naboja na površini čestica sola. faktor njegove održivosti. Naboj sprječava lijepljenje i uvećanje čestica. U stabilnom disperznom sustavu čestice se drže u suspenziji, tj. ne dolazi do taloženja koloidne tvari. Ovo svojstvo sola naziva se kineti češka stabilnost.

Struktura micela sola srebro jodida dobivenog u suvišku AgNO 3 prikazana je na slici 3. 1a, iznad KCI - 1b .

sl.1.5. Struktura micela srebro jodidnog sola dobivenog u suvišku:

a) srebrni nitrat; b) kalijev klorid.

Elektroliza- redoks proces koji se događa na elektrodama kada istosmjerna električna struja prolazi kroz otopinu ili talinu elektrolita. U elektrolizeru se električna energija pretvara u energiju kemijske reakcije.

katoda (-) – negativna elektroda na kojoj dolazi do redukcije tijekom elektrolize.

Anoda (+) – pozitivna elektroda na kojoj dolazi do oksidacije tijekom elektrolize.

Za razliku od elektrolize, kod galvanskog članka redukcija se odvija na pozitivno nabijenoj katodi, a oksidacija na negativno nabijenoj anodi.

U elektrolizi se mogu koristiti inertne (netopljive) i aktivne (potrošne) anode. Aktivna anoda, koja se oksidira, šalje vlastite ione u otopinu. Inertna anoda samo je prijenosnik elektrona i ne mijenja se kemijski. Kao inertne elektrode obično se koriste grafit, platina i iridij.

Tijekom elektrolize talina i otopina elektrolita, ioni nastali tijekom njihove disocijacije (pod utjecajem temperature ili vode) - kationi (Kt n +) i anioni (An m -) kreću se, redom, prema katodi (-) i anodi. (+). Zatim se na elektrodama elektroni prenose s katode na kation, a anioni predaju elektrone anodi.

Kvantitativno, elektrolizu opisuju dva Faradayeva zakona.

I Faradayev zakon: masa tvari koja se oslobađa tijekom elektrolize proporcionalna je količini električne energije koja je prošla kroz elektrolizator:

m = k ja∙τ = k∙Q ,

Gdje ja– jakost struje; τ – vrijeme protoka struje; Q = I∙τ- količina električne energije; k- koeficijent proporcionalnosti, čija vrijednost ovisi o odabranom sustavu jedinica (ako Q= 1 C, dakle m = k).

Masa tvari koja se oslobađa tijekom prolaska 1 C elektriciteta naziva se elektrokemijski ekvivalent.

II Faradayev zakon: uz istu količinu elektriciteta koja je prošla kroz elektrolit, broj gram ekvivalenata produkata elektrolize je isti.

Za oslobađanje jednog ekvivalenta bilo koje tvari na elektrodi potrebno je potrošiti istu količinu električne energije, jednaku Faradayeva konstanta F= 96485 C/mol. Doista, jedan ekvivalent tvari sadrži N A = 6,02322∙10 23 čestica, a da bi se obnovio toliki broj jednostruko nabijenih iona na katodi, potrebno je utrošiti količinu električne energije:

F = N A∙ ē = 6,02322∙10 23 čestice/mol ∙ 1,6021∙10 –19 C = 96485 C/mol,

gdje je naboj elektrona ē = 1,6021∙10 –19 Cl.

Generalizirajući oba Faradayeva zakona, moguće je zapisati.

Elektroaktivirane vodene otopine - katoliti i anoliti mogu se koristiti u poljoprivredi, za povećanje produktivnosti biljaka, u stočarstvu, medicini, za dezinfekciju vode i za kućanske potrebe. Elektrokemijska obrada vode uključuje nekoliko elektrokemijskih procesa povezanih s prijenosom elektrona, iona i drugih čestica u stalnom električnom polju (elektroliza, elektroforeza, elektroflotacija, elektrokoagulacija), od kojih je glavni elektroliza vode. Ovaj članak uvodi čitatelja u glavne procese elektrolize vode.

Uvod

Fenomen elektrokemijske aktivacije vode (EAW) kombinacija je elektrokemijskih i elektrofizičkih učinaka na vodu u dvostrukom električnom sloju (DEL) elektroda (anode i katode) tijekom neravnotežnog prijenosa naboja kroz DEL pomoću elektrona i u uvjetima intenzivna disperzija u tekućini nastalih plinovitih produkata elektrokemijskih reakcija. Postoje četiri glavna procesa u ECA procesu:

- elektrolitička razgradnja vode (elektroliza) uslijed redoks reakcija na elektrodama, izazvanih vanjskim konstantnim električnim poljem;

- elektroforeza - kretanje u električnom polju pozitivno nabijenih čestica i iona do katode, te negativno nabijenih čestica i iona do anode;

- elektroflotacija - stvaranje plinskih flokula i agregata koji se sastoje od fino dispergiranih plinskih mjehurića (vodik na katodi i kisik na anodi) i grubo dispergirane vodene nečistoće;

- elektrokoagulacija - stvaranje koloidnih nakupina čestica istaložene disperzne faze uslijed procesa anodnog otapanja metala i stvaranja metalnih kationa Al 3+ , Fe 2+ , Fe 3+ pod utjecajem konstantnog električnog polja. .

Kao rezultat obrade vode istosmjernom električnom strujom, pri potencijalima jednakim ili većim od potencijala razgradnje vode (1,25 V), voda prelazi u metastabilno stanje koje karakteriziraju abnormalne vrijednosti aktivnosti elektrona i drugih fizikalno-kemijskih parametara (pH, Eh, ORP, električna vodljivost). Prolazak konstantne električne struje kroz volumen vode popraćen je elektrokemijskim procesima, uslijed kojih dolazi do redoks reakcija, što dovodi do destrukcije (uništavanja) onečišćenja vode, koagulacije koloida, flokulacije grubih nečistoća i njihove naknadne flotacije. .

Fenomen elektrokemijske aktivacije vode kombinacija je elektrokemijskih i elektrofizičkih učinaka na vodu u dvostrukom električnom sloju elektroda tijekom neravnotežnog prijenosa naboja.

Elektrokemijska obrada koristi se za bistrenje i obezbojenje prirodnih voda, njihovo omekšavanje, pročišćavanje od teških metala (Cu, Co, Cd, Pb, Hg), klora, fluora i njihovih derivata, za pročišćavanje otpadnih voda koje sadrže naftne derivate, organski i organoklor. spojevi, boje, površinski aktivne tvari, fenol. Prednosti elektrokemijskog pročišćavanja vode su u tome što vam omogućuje podešavanje vrijednosti pH vrijednosti i redoks potencijala E h , o čemu ovisi mogućnost raznih kemijskih procesa u vodi; povećava enzimsku aktivnost aktivnog mulja u aeracijskim spremnicima; smanjuje otpornost i poboljšava uvjete za koagulaciju i taloženje organskih sedimenata.

Godine 1985. EXHAV je službeno priznat kao nova klasa fizikalnih i kemijskih fenomena. Odredba Vlade Ruske Federacije od 15. siječnja 1998. br. VCh-P1201044 dala je preporuke ministarstvima i odjelima za korištenje ove tehnologije u medicini, poljoprivredi i industriji.

elektroliza vode

Glavna faza elektrokemijske obrade vode je elektroliza vode. Kada kroz vodu prolazi konstantna električna struja, ulazak elektrona u vodu na katodi, kao i uklanjanje elektrona iz vode na anodi, praćen je nizom redoks reakcija na površinama katode i anoda. Kao rezultat toga nastaju nove tvari, mijenja se sustav međumolekularnih interakcija, sastav vode, uključujući strukturu vode. Tipična instalacija za elektrokemijsku obradu vode sastoji se od jedinice za obradu vode 1, elektrolizera 2 i jedinice za obradu vode 3 nakon elektrokemijske obrade (slika 1).

U nekim postrojenjima za elektrokemijsku obradu vode predviđeno je prethodno mehaničko pročišćavanje vode, što smanjuje rizik od začepljenja elektrolitičke ćelije grubim nečistoćama s visokim hidrauličkim otporom. Blok za mehaničko pročišćavanje vode je neophodan ako je, kao rezultat elektrokemijske obrade, voda zasićena grubim nečistoćama, na primjer, pahuljicama metalnih hidroksida (Al (OH) 3, Fe (OH) 3, Mg (OH) 2) nakon elektrokoagulacije. Glavni element instalacije je elektrolizer koji se sastoji od jedne ili više ćelija za elektrolizu (slika 2).

Ćelija za elektrolizu sastoji se od dvije elektrode - pozitivno nabijene anode i negativno nabijene katode, spojene na različite polove izvora istosmjerne struje. Međuelektrodni prostor ispunjen je vodom koja je elektrolit sposoban provoditi električnu struju. Kao rezultat rada uređaja dolazi do prijenosa električnih naboja kroz sloj vode - elektroforeza, odnosno migracije polarnih čestica, nositelja naboja - iona, na elektrode suprotnog predznaka.

Kada kroz vodu prolazi konstantna električna struja, ulazak elektrona u vodu na katodi, kao i uklanjanje elektrona iz vode na anodi, praćen je nizom redoks reakcija na površinama katode i anoda.

U tom slučaju negativno nabijeni anioni kreću se prema anodi, a pozitivno nabijeni kationi kreću se prema katodi. Na elektrodama nabijeni ioni gube naboj, depolariziraju se, pretvarajući se u produkte raspada. Osim nabijenih iona, u elektroforezi sudjeluju polarne čestice različite disperznosti, uključujući i grube čestice (emulgirane čestice, mjehurići plina itd.), ali glavnu ulogu u prijenosu elektrokemijskog naboja imaju nabijeni ioni s najvećom pokretljivošću. Polarne čestice uključuju polarne čestice iz vodenih nečistoća i molekula vode, što se objašnjava njihovom posebnom strukturom.

Središnji atom kisika, koji je dio molekule vode, koja ima veću elektronegativnost od atoma vodika, privlači elektrone prema sebi, dajući molekuli asimetriju. Kao rezultat toga, gustoća elektrona se redistribuira: molekula vode se polarizira, poprima svojstva električnog dipola s dipolnim momentom od 1,85 D (Debye), s pozitivnim i negativnim nabojem na polovima (slika 3).

Produkti elektrodnih reakcija su neutralizirane vodene nečistoće, plinoviti vodik i kisik nastali tijekom elektrolitičke destrukcije molekula vode, metalni kationi (Al 3+, Fe 2+ , Fe 3+) u slučaju uporabe metalnih anoda od aluminija i čelika. , molekularni klor, itd. U ovom slučaju, plinoviti vodik se stvara na katodi, a kisik se stvara na anodi. Sastav vode sadrži određenu količinu hidronijevog iona H 3 O +, koji se depolarizira na površini katode uz stvaranje atomskog vodika H:

H 3 O + + e - → H + H 2 O.

U alkalnom okruženju, H 3 O + je odsutan, ali molekule vode se uništavaju, popraćeno stvaranjem atomskog vodika H - i hidroksida OH -:

H 2 O + e - → H + OH -.

Reaktivni atomi vodika adsorbiraju se na površini katoda i nakon rekombinacije tvore molekularni vodik H 2 koji se iz vode oslobađa u plinovitom obliku:

H + H → H 2.

Istodobno se na anodama oslobađa atomski kisik. U kiseloj sredini ovaj proces je popraćen uništavanjem molekula vode:

2H 2 O - 4e - → O 2 + 4H +.

U alkalnom okruženju, OH hidroksidni ioni uvijek služe kao izvor stvaranja kisika, krećući se pod djelovanjem elektroforeze na elektrodama, od katode do anode:

4 OH - → O 2 + 2 H 2 O + 4 e -.

Normalni redoks potencijali ovih reakcija su +1,23 i +0,403 V, respektivno, ali proces se odvija u uvjetima nekih

prenapona. Ćelija za elektrolizu može se smatrati generatorom gore navedenih proizvoda, od kojih neki, stupajući u kemijsku interakciju jedan s drugim i s kontaminantima vode u međuelektrodnom prostoru, osiguravaju dodatno kemijsko pročišćavanje vode (elektroflotacija, elektrokoagulacija). Ti se sekundarni procesi ne odvijaju na površini elektroda, već u volumenu vode. Stoga se, za razliku od elektrodnih procesa, označavaju kao volumetrijski. Pokreću se povećanjem temperature vode tijekom elektrolize i povećanjem pH tijekom katodnog razaranja molekula vode.

Razlikovati katodnu i anodnu oksidaciju. Tijekom katodne oksidacije, molekule organskih tvari, sorbirane na katodama, prihvaćaju slobodne elektrone, obnavljaju se, pretvarajući se u spojeve koji nisu zagađivači. U nekim slučajevima proces oporavka odvija se u jednoj fazi:

R + H + + e - → RH, gdje je R organski spoj; RH je hidratizirani oblik spoja i nije kontaminant.

U drugim slučajevima katodna redukcija odvija se u dvije faze: u prvoj fazi (I) organska molekula se pretvara u anion, u drugoj (II) anion se hidratizira interakcijom s protonom vode:

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

Razlikovati katodnu i anodnu oksidaciju. Tijekom katodne oksidacije, molekule organskih tvari, sorbirane na katodama, prihvaćaju slobodne elektrone i reduciraju se.

Katode izrađene od materijala koji zahtijevaju visoki prenapon (olovo, kadmij) omogućuju, uz visoku cijenu električne energije, uništavanje organskih molekula i generiranje reaktivnih slobodnih radikala - čestica koje imaju slobodne nesparene elektrone (Cl*, O*, OH*) u vanjske orbite atoma ili molekula, NO*2, itd.). Posljednja okolnost daje slobodnim radikalima svojstvo reaktivnosti, odnosno sposobnost da uđu u kemijske reakcije s vodenim nečistoćama i unište ih.

RH → R + H + + e - .

Anodna oksidacija organskih spojeva često dovodi do stvaranja slobodnih radikala, čije su daljnje transformacije određene njihovom reaktivnošću. Procesi anodne oksidacije su višefazni i odvijaju se stvaranjem međuprodukta. Anodna oksidacija smanjuje kemijsku stabilnost organskih spojeva i olakšava njihovu kasniju razgradnju tijekom skupnih procesa.

U volumetrijskim oksidacijskim procesima posebnu ulogu imaju produkti elektrolize vode - kisik (O 2), vodikov peroksid (H 2 O 2) i spojevi klora koji sadrže kisik (HClO). U procesu elektrolize nastaje izuzetno reaktivan spoj - H 2 O 2, čije se stvaranje molekula događa zbog hidroksilnih radikala (OH *), koji su produkti pražnjenja hidroksilnih iona (OH-) na anodi :

2OH - → 2OH* → H 2 O 2 + 2e -, gdje je OH* hidroksilni radikal.

Reakcije međudjelovanja organskih tvari s oksidansima odvijaju se određeno vrijeme, čije trajanje ovisi o vrijednosti redoks potencijala elementa i koncentraciji tvari koje reagiraju. Kako se koncentracija onečišćujuće tvari smanjuje i koncentracija onečišćujuće tvari opada, proces oksidacije se smanjuje.

Brzina procesa oksidacije tijekom elektrokemijske obrade ovisi o temperaturi tretirane vode i pH. U procesu oksidacije organskih spojeva nastaju međuprodukti koji se razlikuju od početnih kako u otpornosti na daljnje pretvorbe tako iu pokazateljima toksičnosti.

Izvori aktivnog klora i njegovih spojeva koji sadrže kisik koji nastaju u elektrolizeru su kloridi u pročišćenoj vodi i natrijev klorid (NaCl) koji se unosi u pročišćenu vodu prije elektrolize. Kao rezultat anodne oksidacije Cl– aniona nastaje plinoviti klor Cl 2 . Ovisno o pH vode, ona ili hidrolizira u hipokloričnu kiselinu HOCl ili u hipokloritne ione ClO - . Ravnoteža reakcije ovisi o pH vrijednosti.

Pri pH = 4-5, sav klor je u obliku hipokloričaste kiseline (HClO), a pri pH = 7, pola klora je u obliku hipokloritnog iona (OCl -), a pola je u obliku hipokloričaste kiseline (HClO) (slika 4). Mehanizam interakcije hipokloritnog iona (ClO -) s oksidiranom tvari opisan je sljedećom jednadžbom:

ClO - + A = C + Cl, gdje je A tvar koja može oksidirati; C je produkt oksidacije.

Elektrokemijska oksidacija organskih spojeva s hipokloritionom (ClO -) praćena je povećanjem redoks potencijala Eh, što ukazuje na prevladavanje oksidativnih procesa. Rast Eh ovisi o omjeru koncentracije aktivnog klora u međuelektrodnom prostoru i sadržaja organskih nečistoća u vodi. Kako se čisti i smanjuje količina onečišćenja, ovaj se omjer povećava, što dovodi do povećanja Eh, ali se tada ovaj pokazatelj stabilizira.

Količina tvari koja je reagirala na elektrodama pri prolasku istosmjerne električne struje prema Faradayevom zakonu izravno je proporcionalna jakosti struje i vremenu obrade:

G = AI cur τ, (1)

gdje je A elektrokemijski ekvivalent elementa, g/(A⋅h); I cur - jakost struje, A; τ je vrijeme obrade, h. Elektrokemijski ekvivalent elementa određen je formulom:

A = M / 26.8z , (2)

gdje je M atomska masa elementa, g; z je njegova valencija. Vrijednosti elektrokemijskih ekvivalenata nekih elemenata dane su u tablici. 1.

Stvarna količina tvari koja nastaje tijekom elektrolize manja je od teorijske, izračunate formulom (1), budući da se dio električne energije troši na zagrijavanje vode i elektroda. Stoga izračuni uzimaju u obzir trenutni faktor iskorištenja η< 1, величина которого определяется экспериментально.

Tijekom elektrodnih procesa dolazi do izmjene nabijenih čestica i iona između elektrode i elektrolita – vode. Da bi se to postiglo, u uvjetima stacionarne ravnoteže, potrebno je stvoriti električni potencijal, čija minimalna vrijednost ovisi o vrsti redoks reakcije i o temperaturi vode na 25 °C (tablica 2).

Glavni parametri elektrolize vode su jakost i gustoća struje, napon unutar elektrodne ćelije, kao i brzina i trajanje zadržavanja vode između elektroda.

Naponi koji nastaju u elektrodnoj ćeliji moraju biti dovoljni za odvijanje redoks reakcija na elektrodama. Vrijednost napona ovisi o ionskom sastavu vode, prisutnosti nečistoća u vodi, na primjer, površinski aktivnih tvari, gustoći struje (njezinoj snazi ​​po jedinici površine elektrode), materijalu elektrode itd. Ostale stvari jednake, zadatak Izbor materijala elektrode je osigurati da za prolazak reakcija oksidativne obnove na elektrodama potreban napon bude minimalan, jer se time smanjuje trošak električne energije.

Neke redoks reakcije se natječu – odvijaju se istovremeno i međusobno se inhibiraju. Njihov protok se može kontrolirati promjenom napona u elektrolitičkoj ćeliji. Dakle, normalni potencijal reakcije stvaranja molekularnog kisika je +0,401 V ili +1,23 V; s povećanjem napona na +1,36 V (normalni potencijal za reakciju stvaranja molekularnog klora) na anodi će se oslobađati samo kisik, a s daljnjim povećanjem potencijala istodobno će se oslobađati i kisik i klor, a klor oslobađat će se nedovoljnim intenzitetom. Pri naponu od oko 4-5 V, oslobađanje kisika će praktički prestati, a elektrolitička ćelija će stvarati samo klor.

Proračun glavnih parametara procesa elektrolize vode

Glavni parametri elektrolize vode su jakost i gustoća struje, napon unutar elektrodne ćelije, kao i brzina i trajanje zadržavanja vode u međuelektrodnom prostoru.

Jačina struje I cur je vrijednost određena ovisno o zahtijevanoj izvedbi za generirani proizvod [A], određena je formulom:

Icur=G/A tη , (3)

Ova se formula dobiva transformacijom formule (1) uzimajući u obzir trenutni faktor iskorištenja η. Gustoća struje je njezina snaga, povezana s jedinicom površine elektrode [A / m 2], na primjer, anode, određena je iz sljedećeg izraza:

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

gdje je F an površina anode, m 2 . Gustoća struje ima najpresudniji utjecaj na proces elektrolize: to jest, s povećanjem gustoće struje elektrodni procesi se intenziviraju i površina elektroda se smanjuje, ali u isto vrijeme napon u elektroliznoj ćeliji povećava se, a time i cjelokupni energetski intenzitet procesa. Povećano povećanje gustoće struje pojačava oslobađanje plinova elektrolize, što dovodi do stvaranja mjehurića i raspršivanja netopivih produkata električne obrade vode.

S povećanjem gustoće struje povećava se i pasivizacija elektroda, koja se sastoji u blokiranju nadolazećih elektrona površinskim naslagama anode i katode, što povećava električni otpor u ćelijama elektrode i inhibira redoks reakcije koje se odvijaju na elektrodama.

Anode se pasiviziraju kao rezultat stvaranja tankih oksidnih filmova na njihovim površinama, kao rezultat sorpcije kisika i drugih komponenti na anodama, koje zauzvrat apsorbiraju čestice vodenih nečistoća. Na katodama se uglavnom stvaraju karbonatne naslage, osobito u slučaju obrade vode s povećanom tvrdoćom. Iz tih razloga gustoću struje pri elektrolizi vode treba postaviti na najmanju moguću mjeru uz uvjete za stabilno odvijanje potrebnih redoks reakcija tijekom tehnološkog procesa.

Vrijeme zadržavanja vode u međuelektrodnom prostoru elektrolizatora ograničeno je vremenom potrebnim za stvaranje potrebne količine produkata elektrolize.

Napon u ćeliji elektrode [V] određen je formulom:

V i = i en ΔK g / χ R , (5)

gdje je i an gustoća struje, A/m 2 ; D je udaljenost između elektroda (širina međuelektrodnog kanala), m; χ R je električna vodljivost vode, 1/(Ohm⋅m); K g - koeficijent punjenja međuelektrodnog prostora plinom, obično se uzima K g \u003d 1,05-1,2.

Formula (5) ne uzima u obzir električne otpore elektrode zbog njihovih niskih vrijednosti, ali se tijekom pasivizacije ti otpori pokazuju značajnima. Pretpostavlja se da je širina međuelektrodnog kanala minimalna (3-20 mm) prema uvjetima nezačepljenja nečistoćama.

Specifična električna vodljivost vode χ R ovisi o nizu čimbenika, među kojima su najznačajniji temperatura, pH, ionski sastav i koncentracija iona (slika 5). S porastom temperature električna vodljivost χ R raste, a napon opada (slika 6). Minimalna vrijednost električne vodljivosti odgovara pH = 7. Osim toga, tijekom procesa elektrolize temperatura i pH vode se povećavaju. Ako je pH > 7, tada možemo očekivati ​​smanjenje specifične električne vodljivosti vode χ R , a pri pH vrijednostima< 7 удельная электропроводность воды χ R , наоборот, возрастает (рис. 5).

Specifična električna vodljivost prirodnih voda srednje mineralizacije je 0,001-0,005 1 / (Ohm⋅m), gradske otpadne vode su 10-0,01 1 / (Ohm⋅m). Tijekom elektrolize, električna vodljivost treba biti u rasponu od 0,1-1,0 1 / (Ohm⋅m). Ako izvorna voda ima nedovoljnu električnu vodljivost, potrebno je povećati salinitet (slika 7). Obično se za to koristi natrijev klorid (NaCl), čije se doze određuju eksperimentalno i najčešće su 500-1500 mg / l (8-25 meq / l). Natrijev klorid nije pogodan samo u smislu primjene i sigurnosti (skladištenje, priprema otopine itd.), već se u prisutnosti NaCl usporava pasivizacija elektrode. Disocirajući u vodi, NaCl zasićuje vodu klorovim anionima Cl - i natrijevim kationima Na + . Ioni klora Cl - su mali i, prodirući kroz pasivizirajuće naslage na površinu anode, uništavaju te naslage. U prisutnosti drugih aniona, posebice sulfatnih iona (SO 2-4), depasivirajući učinak kloridnih iona (Cl -) je smanjen. Stabilan rad ćelije moguć je ako ioni - Cl - čine najmanje 30% od ukupnog broja aniona. Kao rezultat elektroforeze, natrijevi kationi Na + prelaze na katode, na kojima se stvaraju hidroksidni ioni OH - i, u interakciji s njima, tvore natrijev hidroksid (NaOH), koji otapa karbonatne naslage na katodama.

Potrošnja energije [W] elektrolitičke ćelije određena je sljedećim odnosom:

N potrošnja = η e I cur V e, (6)

gdje je η e učinkovitost ćelije, obično se uzima η e = 0,7-0,8; I cur - jakost struje, A; V e - napon na elektrolizeru, V.

Vrijeme zadržavanja vode u međuelektrodnom prostoru ćelije ograničeno je vremenom potrebnim za stvaranje potrebne količine produkata elektrolize, kao i trajanjem odgovarajućih volumetrijskih reakcija, a određuje se eksperimentalno.

Brzina kretanja vode u međuelektrodnom prostoru postavlja se uzimajući u obzir uvjete za uklanjanje proizvoda elektrolize i drugih nečistoća iz elektrolizatora; osim toga, turbulentno miješanje ovisi o brzini kretanja vode, što utječe na tijek volumetrijskih reakcija. Kao i vrijeme zadržavanja vode, brzina vode se bira na temelju eksperimentalnih podataka.

Nastavit će se.

1. Bakhir V.M., Liakumovich A.G., Kirpichnikov P.A., Spektor L.E., Mamadzhanov U.D. Fizička priroda fenomena aktivacije tvari // Izv. Akademija nauka Uzbekistanske SSR. Ser. tehn. Nauk., br.1/1983.

2. Kulsky L.A. Pročišćavanje vode elektrokoagulacijom / L.A. Kulsky, P.P. Strokach, V.A. Slipčenko i drugi - Kijev: Budivelnik, 1978.

3. Lipovetsky Ya.M. Elektrokemijske metode pročišćavanja pitke i otpadne vode / Ya.M. Lipovetsky, Ya.D. Rappoport - M .: TsBNTI Minzhilkomkhoza RSFSR-a, 1985.

4. Kirpichnikov P.A., Bakhir V.M., Gamer P.U., Dobrenkov G.A., Liakumovich A.G., Fridman B.S., Agadzhanyan S.I. O prirodi elektrokemijske aktivacije medija // Dokl. Akademija znanosti SSSR-a, broj 3/1986, svezak 286.

5. Bakhir V.M., Zadorozhniy Yu.G. Elektrokemijski reaktori RPE. - M .: "Hyperoks", 1991.

6. Yakovlev S.V. Tehnologija elektrokemijske obrade vode / S.V. Jakovljev, I.G. Krasnoborodko, V.M. Rogov. — L.: L.O. Strojizdat, 1987.

7. Bakhir V.M. Suvremeni tehnički elektrokemijski sustavi za dezinfekciju, pročišćavanje i aktivaciju vode. — M.: VNIIIMT, 1999.

8. Bakhir V.M., Zadorozhniy Yu.G., Leonov B.I., Panicheva S.A., Prilutsky V.I. Elektrokemijska aktivacija: pročišćavanje vode i dobivanje korisnih otopina. — M.: VNIIIMT, 2001.

9. Kulsky L.A. Priručnik svojstava, metoda analize i pročišćavanja vode. 1. dio / L.A. Kulsky, I.T. Goronovsky, A.M. Koganovski i drugi - Kijev: Naukova Dumka, 1980.

10. Medriš G.L. Dezinfekcija prirodnih i otpadnih voda elektrolizom / G.L. Medrish, A.A. Taisheva, D.L. Bazen. — M.: Strojizdat, 1982.

11. Volovnik G.I. Teorijske osnove pročišćavanja vode / G.I. Volovnik, L.D. Terehov. Dio 1. - Khabarovsk: Izdavačka kuća Dalekoistočnog državnog sveučilišta željezničkog inženjerstva, 2000.

12. Bakhir V.M. elektrokemijska aktivacija. Dio 2. - M .: VNIIII med. tehnologija, 1992.

13. Babtsova N.F., Komarov I.F. Iskustvo u korištenju STEL uređaja na kirurškom odjelu / II Int. simp. "Elektr. aktivacija”, 1. dio - M., 1999.

14. Leonov B.I., Prilutsky V.I., Bakhir V.M. Fizikalno-kemijski aspekti biološkog djelovanja elektrokemijski aktivirane vode. — M.: VNIIIMT, 1999.

15. Bakhir V.M. Teorijski aspekti elektrokemijske aktivacije / II Int. simp. "Elektr. aktivacija". Dio 1. - M., 1999.

16. Toropkov V.V., Altshul E.B., Toropkova E.V. Toksikološka svojstva lijeka katolit / III Int. simp. "Elektr. aktivacija". - M., 2001.

17. Leonov B.I., Bakhir V.M., Vtorenko V.I. Elektrokemijska aktivacija u praktičnoj medicini / II Int. simp. "Elektrokemijska aktivacija", 1. dio - M., 1999.

18. Toropkov V.V. Altshul E.B., Peresypkin O.I. Farmakološka učinkovitost djelovanja anolita AN i ANK na sluznicu usne šupljine / II Int. simp. "Elektr. aktiviranje” // Zbornici radova, izvješća. i poruka Dio 1. - M., 1999.

19. Prilutsky V.I., Bakhir V.M. Elektrokemijski aktivirana voda: anomalna svojstva, mehanizam biološkog djelovanja. — M.: VNIIIMT, 1997.

20. Panicheva S.A. Nove tehnologije za dezinfekciju i sterilizaciju složenih medicinskih proizvoda. — M.: VNIIIMT, 1998.

1. Što je opaženo u Oerstedovom pokusu?
a) Međudjelovanje dvaju paralelnih vodiča sa strujom.
b) Međudjelovanje dviju magnetskih igala.
c) Okretanje magnetske igle u blizini vodiča kada kroz njega prolazi struja.
d) Pojava električne struje u zavojnici kada se u nju stavi magnet.

2. Kako međusobno djeluju dva paralelna vodiča ako kroz njih teku struje u istom smjeru?
a) se privlače. b) Odbiti. c) Sila međudjelovanja jednaka je nuli. d) Ne postoji točan odgovor.

3. Propuštanjem istosmjerne električne struje kroz vodič oko njega nastaje magnetsko polje. Detektira se položajem čeličnih strugotina na listu papira ili okretanjem magnetske igle koja se nalazi u blizini vodiča Kako se to magnetsko polje može pomicati u prostoru?
a) Prijenos čelične strugotine. b) Pomicanjem magneta. c) Prijenos vodiča sa strujom. d) Magnetsko polje se ne može pomaknuti.

4. Kako će se nalaziti magnetske igle postavljene na točkama A i B unutar zavojnice kada se ključ K otvori?
a) Isti sjeverni pol desno na slici.
b) Jednako sjevernog pola lijevo na slici.
c) Strelice sa sjevernim polovima okrenutim jedan prema drugom.
d) Strelice s južnim polovima okrenute jedna prema drugoj.

5. Zašto je uređaj izmjeničnog motora jednostavniji od istosmjernog? Zašto se istosmjerni motori koriste u vozilima?

6. Odredite polove elektromagneta.

7. Docrtajte magnetsko polje struja i odredite smjer silnica magnetskog polja.

8. Odredite smjer sile koja djeluje na vodič sa strujom koji se nalazi u magnetskom polju.

9. Imate tri predmeta - "uređaja": drveni blok, dva čelična čavla koja se međusobno ne privlače i trajni magnet.
Tri "crne kutije" sadrže redom: magnet, dva čavla i drveni blok. Koje instrumente i kojim redoslijedom je bolje koristiti da biste saznali što se nalazi u svakoj od kutija?

10. Istosmjerni motor troši struju od 2 A iz izvora napona 24 V. Kolika je mehanička snaga motora ako je otpor njegovog namota 3 ohma? Koji je njegov K.P.D.?

Odredite smjer struje u vodiču čiji su presjek i magnetsko polje prikazani na slici 1.

3. Koji smjer ima struja u vodiču čiji je smjer magnetskih silnica označen strelicama (slika 3)?

5. U smjeru silnica magnetskog polja prikazanog na slici 5. odredite smjer kružne struje u prstenu.

Elektromagnetski valovi nastaju: A. Kad se električni naboji gibaju stalnom brzinom. B. S ubrzanim kretanjem električnih

B. Oko stacionarnih naboja.

G. Oko nepomičnog vodiča kroz koji prolazi istosmjerna električna struja.

D. Oko nepomične nabijene metalne ploče

1. Električna struja se naziva... A). kretanje elektrona. B). uredno kretanje nabijenih čestica. B). uredno kretanje elektrona. 2.

Za stvaranje električne struje u vodiču potrebno je... A). stvoriti u njemu električno polje. B). stvoriti u njemu električne naboje. B). za razdvajanje električnih naboja u njemu. 3. Koje čestice stvaraju električnu struju u metalima? A). Slobodni elektroni. B). pozitivni ioni. B). negativni ioni. ^ 4. Koje djelovanje struje se koristi u galvanometrima? A. Toplinska. B. Kemijski. B. Magnetski. 5. Jačina struje u krugu električnog štednjaka je 1,4 A. Koliki električni naboj prođe kroz presjek njegove spirale za 20 minuta? A). 3200 cl. B). 1680 razred B). 500 cl. ^ 6. U kojoj shemi (slika 1) je ampermetar ispravno spojen u strujni krug? A). 1. B). 2. B). 3. 7. Pri prolasku kroz vodič električni naboj od 6 C izvrši se rad od 660 J. Koliki je napon na krajevima tog vodiča? A). 110 V. B). 220 V. V). 330V. ^ 8. U kojoj shemi (slika 2) je voltmetar ispravno spojen u strujni krug? A). 1. B). 2. 9. Dva svitka bakrene žice istog presjeka imaju duljinu 50, odnosno 150 m. Koji od njih ima veći otpor i koliko puta? A). Prvi je 3 puta. B). Drugi je 3 puta. ^ 10. Kolika je jakost struje koja prolazi kroz nikalnu žicu duljine 25 cm i presjeka 0,1 mm2 ako je napon na njezinim krajevima 6 V? A). 2 A. B). 10 A. B). 6 A

1. U kojim jedinicama se mjeri jakost električne struje? A. Ohm; B. J; W.W; G. A.

2. Koja se djelovanja uvijek manifestiraju kada električna struja prolazi kroz bilo koji medij?

A. Toplinski; B. magnetski; U. Kemijski; G. Svjetlo.

4. Odredite pod kojim naponom je žarulja ako se pri pomicanju naboja od 10 C izvrši rad 2200 J.

5. Odredite otpor odsječka AB u krugu prikazanom na slici.

6. Izračunajte otpor nikromske žice duljine 150 m i površine poprečnog presjeka 0,2 mm2.

7. Bakrenim vodičem presjeka 3,5 mm2 i duljine 14,2 m teče struja jakosti 2,25 A. Odredi napon na krajevima tog vodiča.

8. Koliko elektrona prođe kroz presjek vodiča za 35 s pri jakosti struje u njemu od 16 A?

9. Odredite masu željezne žice presjeka 2 mm2 od koje se pravi otpornik otpora 6 ohma.