Elektrokémiai vízkezelés. Elektrolízis

Amikor egyenáramot vezetnek át az elektroliton, az elektródákon kémiai reakciók lépnek fel. Ezt a folyamatot elektrolízisnek nevezik, ami az anyagok (anyagok) lebomlását jelenti elektromosság segítségével.

másodpercben A 8.1. pontban jelezték, hogy az elektrolit olyan folyadék, amelyen elektromos áram áthaladásakor kémiai reakció megy végbe. Az elektrolit lehet olvadt só, például ólom(H)-bromid, vagy valamilyen sav, bázis vagy só vizes oldata.

Az elektromos áramot az elektrolithoz elektródák - huzalvezetők, fémrudak vagy lemezek - segítségével juttatják, amelyek elektromosan érintkeznek az elektrolittal. A negatív töltésű elektród a katód, a pozitív elektród az anód. Inert elektródáknak nevezzük azokat az elektródákat, amelyek nem lépnek kémiai reakciókba, amikor elektrolitokkal érintkeznek, és amikor elektromos áram folyik át rajtuk. Az inert elektródák közé tartozik a grafit és a platina.

AZ ELEKTROLIZIS IONOS ELMÉLETE

Ezen elmélet szerint az egyenáram áthaladása az elektroliton ionok segítségével történik. Az elektródákon az elektronok ionokba vagy ionokból kerülnek át. Ezért az elektródákon végbemenő folyamatok redukáló vagy oxidáló félreakcióknak tekinthetők. Így az elektrolízis redox folyamat.

Az anódon mindig oxidatív félreakció megy végbe. Ebben a reakcióban az anionok elektronokat veszítenek és kisülnek, és semleges részecskékké alakulnak. Ezért az anód az anionokból származó elektronok nyelőjeként működik.

A katódon mindig redukciós félreakció lép fel. Itt a kationok elektronokat szereznek és kisülnek, semleges részecskévé alakulva. Ezért a katód a kationok elektronforrásaként működik.

Az olvadt ólom(H)-bromid elektrolízise két félreakcióból áll:

1) a bromidionok az anódon kisülnek. (Ennek a félreakciónak az egyenlete van

2Вg-(l.) \u003d Vg2 (g.) + 2e-

Ez a félreakció oxidáció.)

2) ólomionok kisülnek a katódon. (Ennek a félreakciónak az egyenlete:

Pb2+(szilárd) + 2e- = Pb(l.)

Ez a félreakció redukció.)

Meg kell jegyezni, hogy az egyes rendszerekben az anódon és a katódon fellépő reakciókat előre meghatározza a külső elektromos áramkörben lévő áramforrás polaritása. A külső áramforrás (akkumulátor) negatív pólusa elektronokkal látja el az elektrolitikus cella egyik elektródáját. Ez negatív töltést okoz az elektródán. Ez lesz a katód. Mivel ez az elektróda negatív töltésű, elektródreakciót vált ki, amelyben az elektronok elfogynak. Így a helyreállítási folyamat ezen az elektródán történik. A másik elektródán az elektronok az elektrolitikus cellából visszaáramlanak a külső áramkörbe, így ez az elektróda pozitív elektródává válik. Tehát ez az elektróda az anód szerepét tölti be. Pozitív töltése miatt reakció megy végbe rajta, ami elektronok felszabadulásával, azaz oxidációval jár együtt.

A teljes elektrolízis folyamat vázlatos ábrázolása az 1. ábrán látható. 10.6.

A kémiai reakció eredményeként oldhatatlan anyag képződése csak az egyik feltétele a kolloid oldat előállításának. Ugyanilyen fontos feltétel a reakcióba felvett kiindulási anyagok egyenlőtlensége. Ennek az egyenlőtlenségnek a következménye a kolloid oldatokban lévő részecskék méretnövekedésének korlátozása, ami durván diszpergált rendszer kialakulásához vezetne.

Tekintsük a kolloid részecske képződésének mechanizmusát az ezüst-jodid szol képződésének példáján keresztül, amelyet ezüst-nitrát és kálium-jodid híg oldatainak kölcsönhatásával kapunk.

AgNO 3 + KI \u003d AgI + KNO 3

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

Az oldhatatlan semleges ezüst-jodid molekulák alkotják a kolloid részecske magját.

Eleinte ezek a molekulák rendezetlenül egyesülnek, amorf, laza szerkezetet alkotva, amely fokozatosan a mag rendkívül rendezett kristályos szerkezetévé alakul. Az általunk vizsgált példában a mag egy ezüst-jodid kristály, amely nagyszámú (m) AgI-molekulából áll:

m - a kolloid részecske magja

A mag felületén adszorpciós folyamat megy végbe. A Peskov-Fajans-szabály szerint a részecskemag részét képező ionok a kolloid részecskék magjainak felületén adszorbeálódnak, pl. ezüstionok (Ag +) vagy jódionok (I -) adszorbeálódnak. E két iontípus közül a feleslegben lévők adszorbeálódnak.

Tehát, ha kolloid oldatot kapunk feleslegben kálium-jodidban, akkor a jódionok adszorbeálódnak a részecskéken (magokon), amelyek kiegészítik az atommag kristályrácsát, természetesen és szilárdan belépve a szerkezetébe. Ebben az esetben egy adszorpciós réteg képződik, amely negatív töltést ad az atommagnak:

Az atommag felületén adszorbeált, megfelelő töltést adó ionokat potenciálképző ionoknak nevezzük.

Ugyanakkor az ellentétes töltésű ionok is oldatban vannak, ezeket ún ellenionok. Esetünkben ezek káliumionok (K +), amelyek elektrosztatikusan vonzódnak a töltött maghoz (a töltés értéke elérheti az I c-t). A K + ellenionok egy része elektromos és adszorpciós erők által erősen megkötve az adszorpciós rétegbe kerül. A magot, amelyen kettős adszorpciós ionréteg képződik, granulátumnak nevezzük.

(m . nI - . (n-x) K + ) x - (granulátumszerkezet)

Az ellenionok fennmaradó része (jelöljük őket "x K +" számmal) diffúz ionréteget képez.

Az adszorpciós és diffúziós rétegekkel rendelkező magot micellának nevezzük. :

(m . nl -. (n-x) K + ) x - . x K + (micella szerkezet)

Ha állandó elektromos áramot vezetünk át egy kolloid oldaton, a szemcsék és az ellenionok az ellentétes töltésű elektródák felé mozognak.

Fontos, hogy a szolrészecskék felületén azonos töltés jelenjen meg. fenntarthatóságának tényezője. A töltés megakadályozza a részecskék megtapadását és megnagyobbodását. Egy stabil diszperz rendszerben a részecskéket szuszpenzióban tartják, azaz. nem történik a kolloid anyag kiválása. A szolok ezen tulajdonságát kinetinek nevezzük chesky stabilitás.

Az AgNO 3 feleslegben kapott ezüstjodid szol micelláinak szerkezetét a 3. ábra mutatja. 1a, meghaladja a KCI-t - 1b .

1.5. A feleslegben kapott ezüstjodid-szol micellák szerkezete:

a) ezüst-nitrát; b) kálium-klorid.

Elektrolízis- redox folyamat, amely az elektródákon megy végbe, amikor egyenáramot vezetnek át egy elektrolit oldaton vagy olvadékon. Az elektrolizátorban az elektromos energia kémiai reakció energiájává alakul.

Katód (-) – negatív elektród, amelyen az elektrolízis során redukció megy végbe.

Anód (+) – az a pozitív elektród, amelyen az elektrolízis során oxidáció megy végbe.

Az elektrolízissel ellentétben a galvánelemben a redukció a pozitív töltésű katódon, az oxidáció pedig a negatív töltésű anódon megy végbe.

Az elektrolízisben inert (oldhatatlan) és aktív (fogyasztható) anódok használhatók. Az aktív anód oxidálva saját ionjait küldi az oldatba. Az inert anód csak elektronátvivő, és kémiailag nem változik. Inert elektródákként általában grafitot, platinát és irídiumot használnak.

Az olvadékok és elektrolitoldatok elektrolízise során a disszociációjuk során keletkező ionok (hőmérséklet vagy víz hatására) - kationok (Kt n +) és anionok (An m -) a katódra (-) és az anódra mozognak. (+). Ezután az elektródákon az elektronok a katódról a kationra kerülnek, és az anionok elektronokat adnak át az anódnak.

Mennyiségileg az elektrolízist két Faraday-törvény írja le.

Faraday törvénye: az elektrolízis során felszabaduló anyag tömege arányos az elektrolizátoron áthaladó elektromosság mennyiségével:

m = k én∙τ = k∙K ,

ahol én– áramerősség; τ – aktuális áramlási idő; Q = I∙τ- a villamos energia mennyisége; k- arányossági együttható, amelynek értéke a választott mértékegységrendszertől függ (ha Q= Akkor 1 C m = k).

Az 1 C elektromosság áthaladása során felszabaduló anyag tömegét ún elektrokémiai ekvivalens.

II Faraday törvénye: az elektroliton áthaladó azonos mennyiségű elektromosság mellett az elektrolízistermékek grammegyenértékeinek száma is megegyezik.

Ahhoz, hogy egy ekvivalens anyagot szabadítson fel az elektródára, ugyanannyi elektromosságot kell elkölteni, egyenlő Faraday állandó F= 96485 C/mol. Valójában egy ekvivalens anyag tartalmaz N A = 6,02322∙10 23 részecske, és ahhoz, hogy ilyen számú egyszeresen töltött iont visszaállítsunk a katódon, a villamos energia mennyiségét kell elkölteni:

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

hol van az elektrontöltés ē = 1,6021∙10 –19 Cl.

Mindkét Faraday törvényt általánosítva le lehet írni.

Az elektroaktivált vizes oldatok - katolitok és anolitok felhasználhatók a mezőgazdaságban, a növénytermesztés növelésére, az állattenyésztésben, a gyógyászatban, vízfertőtlenítésre és háztartási célokra. Az elektrokémiai vízkezelés számos elektrokémiai folyamatot foglal magában, amelyek elektronok, ionok és egyéb részecskék állandó elektromos térben történő átviteléhez kapcsolódnak (elektrolízis, elektroforézis, elektroflotáció, elektrokoaguláció), amelyek közül a fő a víz elektrolízis. Ez a cikk bevezeti az olvasót a víz elektrolízisének hátterében álló főbb folyamatokba.

Bevezetés

A víz elektrokémiai aktiválásának (EAW) jelensége a vízre gyakorolt ​​elektrokémiai és elektrofizikai hatások kombinációja az elektródák kettős elektromos rétegében (DEL) (anód és katód) az elektronok által a DEL-en keresztüli nem egyensúlyi töltésátvitel során, és elektrokémiai reakciók keletkező gáznemű termékeinek intenzív diszperziója a folyadékban. Az ECA-folyamatban négy fő folyamat van:

- a víz elektrolitikus bomlása (elektrolízis) az elektródákon végbemenő redoxreakciók következtében, amelyet külső állandó elektromos tér okoz;

- elektroforézis - pozitív töltésű részecskék és ionok elektromos térben történő mozgása a katódhoz, és negatív töltésű részecskék és ionok az anódhoz;

- elektroflotáció - finoman diszpergált gázbuborékokból (hidrogén a katódon és oxigén az anódon) és durván diszpergált vízszennyeződésekből álló gázpehely és aggregátumok képződése;

- elektrokoaguláció - a kivált diszpergált fázis részecskéiből kolloid aggregátumok képződése a fém anódos oldódási folyamata és az Al 3+, Fe 2+, Fe 3+ fémkationok képződése miatt állandó elektromos tér hatására .

Az egyenáramú vízkezelés eredményeként a vízlebontási potenciállal (1,25 V) egyenlő vagy azt meghaladó potenciálok esetén a víz metastabil állapotba kerül, amelyet az elektronaktivitás és egyéb fizikai-kémiai paraméterek (pH) abnormális értékei jellemeznek. , Eh, ORP, elektromos vezetőképesség). Az állandó elektromos áram áthaladását a víz térfogatán elektrokémiai folyamatok kísérik, amelyek eredményeként redox reakciók lépnek fel, amelyek a vízszennyezés megsemmisüléséhez (megsemmisüléséhez), a kolloidok koagulálásához, a durva szennyeződések pelyhesedéséhez és későbbi flotációjához vezetnek. .

A víz elektrokémiai aktiválásának jelensége a vízre gyakorolt ​​elektrokémiai és elektrofizikai hatások kombinációja kettős elektromos elektródrétegben, nem egyensúlyi töltésátvitel során.

Az elektrokémiai kezelést természetes vizek derítésére, elszíneződésére, lágyítására, nehézfémektől (Cu, Co, Cd, Pb, Hg), klórtól, fluortól és származékaitól való tisztítására, kőolajtermékeket, szerves és szerves klórt tartalmazó szennyvizek tisztítására használják. vegyületek, színezékek, felületaktív anyagok, fenol. Az elektrokémiai víztisztítás előnye, hogy lehetővé teszi a pH-érték és az Eh redoxpotenciál értékének beállítását, amely meghatározza a vízben a különféle kémiai folyamatok lehetőségét; növeli az eleveniszap enzimaktivitását a levegőztető tartályokban; csökkenti az ellenállást és javítja a szerves üledékek koagulációs és ülepedési feltételeit.

1985-ben az EXHAV-ot hivatalosan a fizikai és kémiai jelenségek új osztályaként ismerték el. Az Orosz Föderáció kormányának 1998. január 15-i VCh-P1201044 számú rendelete ajánlásokat fogalmazott meg a minisztériumok és osztályok számára ennek a technológiának az orvostudományban, a mezőgazdaságban és az iparban való alkalmazására.

víz elektrolízis

Az elektrokémiai vízkezelés fő szakasza a víz elektrolízis. Ha állandó elektromos áramot vezetünk át a vízen, az elektronok vízbe jutását a katódon, valamint az elektronok eltávolítását a vízből az anódon, a katód felületein redox reakciók sorozata kíséri, ill. anód. Ennek eredményeként új anyagok képződnek, megváltozik az intermolekuláris kölcsönhatások rendszere, a víz összetétele, ezen belül a víz szerkezete. Az elektrokémiai vízkezelés tipikus berendezése egy 1 vízkezelő egységből, egy 2 elektrolizátorból és egy 3 vízkezelő egységből áll az elektrokémiai kezelés után (1. ábra).

Egyes elektrokémiai víztisztító telepeken előzetes mechanikus víztisztítást biztosítanak, amely csökkenti az elektrolitikus cella nagy hidraulikus ellenállású durva szennyeződésekkel való eltömődésének kockázatát. A mechanikus víztisztítás blokkjára van szükség, ha az elektrokémiai kezelés eredményeként a víz durva szennyeződésekkel telítődik, például fém-hidroxidok (Al (OH) 3, Fe (OH) 3, Mg (OH) 2) pelyhekkel. elektrokoaguláció után. A berendezés fő eleme egy elektrolizátor, amely egy vagy több elektrolizáló cellából áll (2. ábra).

Az elektrolizáló cellát két elektróda alkotja - egy pozitív töltésű anód és egy negatív töltésű katód, amelyek az egyenáramú forrás különböző pólusaihoz vannak csatlakoztatva. Az elektródák közötti teret vízzel töltik meg, amely egy elektrolit, amely képes elektromos áramot vezetni. Az eszköz működése következtében elektromos töltések átvitele történik egy vízrétegen keresztül - elektroforézis, vagyis a poláris részecskék, töltéshordozók - ionok migrációja az ellenkező előjelű elektródákra.

Ha állandó elektromos áramot vezetünk át a vízen, az elektronok vízbe jutását a katódon, valamint az elektronok eltávolítását a vízből az anódon, a katód felületein redox reakciók sorozata kíséri, ill. anód.

Ebben az esetben a negatív töltésű anionok az anódra, a pozitív töltésű kationok pedig a katódra. Az elektródáknál a töltött ionok elveszítik töltésüket, depolarizálódnak, és bomlástermékekké alakulnak. Az elektroforézisben a töltött ionok mellett különböző diszperzitású poláris részecskék vesznek részt, köztük a durva részecskék (emulgeált részecskék, gázbuborékok stb.), de az elektrokémiai töltések átvitelében a legnagyobb mobilitású töltött ionok játsszák a főszerepet. A poláris részecskék közé tartoznak a vízszennyeződések és a vízmolekulák közül a poláris részecskék, amit sajátos szerkezetük magyaráz.

A központi oxigénatom, amely a vízmolekula része, és amely nagyobb elektronegativitással rendelkezik, mint a hidrogénatomok, elektronokat von maga felé, aszimmetriát adva a molekulának. Ennek eredményeként az elektronsűrűség újraeloszlik: a vízmolekula polarizálódik, és felveszi az 1,85 D dipólusmomentumú (Debye) elektromos dipólus tulajdonságait, a pólusokon pozitív és negatív töltéssel (3. ábra).

Az elektródreakciók termékei a vízmolekulák elektrolitikus lebontása során keletkező semlegesített vizes szennyeződések, gáznemű hidrogén és oxigén, alumíniumból és acélból készült fémanódok alkalmazása esetén fémkationok (Al 3+, Fe 2+ , Fe 3+). , molekuláris klór stb. Ebben az esetben a katódon gázhalmazállapotú hidrogén, az anódon pedig oxigén keletkezik. A víz összetétele bizonyos mennyiségű H 3 O + hidroniumiont tartalmaz, amely depolarizálódik a katód felületén atomos hidrogén képződésével:

H 3 O + + e - → H + H 2 O.

Lúgos környezetben a H 3 O + hiányzik, de a vízmolekulák elpusztulnak, amihez atomi hidrogén H - és hidroxid OH - képződik:

H 2 O + e - → H + OH -.

A reaktív hidrogénatomok a katódok felületén adszorbeálódnak, és rekombináció után molekuláris hidrogént képeznek, amely a vízből gáz halmazállapotban szabadul fel:

H + H → H 2.

Ugyanakkor az anódokon atomi oxigén szabadul fel. Savas környezetben ez a folyamat a vízmolekulák pusztulásával jár:

2H20-4e- → O2+4H+.

Lúgos környezetben az OH-hidroxid ionok mindig az oxigén képződésének forrásaként szolgálnak, és elektroforézis hatására az elektródákon mozognak a katódról az anódra:

4 OH - → O 2 + 2 H 2 O + 4 e -.

Ezeknek a reakcióknak a normál redox potenciálja +1,23 és +0,403 V, de a folyamat néhány körülmény között megy végbe.

túlfeszültség. Az elektrolizáló cella a fenti termékek generátorának tekinthető, amelyek egy része egymással és az elektródák közötti térben lévő vízszennyező anyagokkal kémiai kölcsönhatásba lépve további kémiai víztisztítást (elektroflotáció, elektrokoaguláció) biztosít. Ezek a másodlagos folyamatok nem az elektródák felületén, hanem a víz térfogatában mennek végbe. Ezért az elektródos eljárásokkal ellentétben ezeket volumetrikusnak nevezzük. Ezeket az elektrolízis során a víz hőmérsékletének emelkedése, a vízmolekulák katódos pusztulása során a pH emelkedése okozza.

Különbséget kell tenni a katódos és anódos oxidáció között. A katódos oxidáció során a katódon szorbeált szerves anyagok molekulái szabad elektronokat vesznek fel, helyreállnak, és olyan vegyületekké alakulnak át, amelyek nem szennyezők. Bizonyos esetekben a helyreállítási folyamat egy szakaszban zajlik:

R + H + + e- → RH, ahol R jelentése szerves vegyület; Az RH a vegyület hidratált formája, és nem szennyező.

Más esetekben a katódos redukció két szakaszban történik: az első (I) szakaszban a szerves molekula anionná alakul, a második (II) szakaszban az aniont hidratálják egy víz protonnal való kölcsönhatása révén:

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

Különbséget kell tenni a katódos és anódos oxidáció között. A katódos oxidáció során a katódon szorbeált szerves anyagok molekulái szabad elektronokat vesznek fel és redukálódnak.

A nagy túlfeszültséget igénylő anyagokból (ólom, kadmium) készült katódok magas villamosenergia-költség mellett lehetővé teszik a szerves molekulák elpusztítását és reaktív szabad gyökök létrehozását – olyan részecskéket, amelyekben szabad párosítatlan elektronok (Cl*, O*, OH*) találhatók. az atomok vagy molekulák külső pályái, NO*2 stb.). Ez utóbbi körülmény megadja a szabad gyököknek a reaktivitás tulajdonságát, vagyis azt a képességet, hogy vizes szennyeződésekkel kémiai reakcióba léphessenek és elpusztítsák azokat.

RH → R + H + + e - .

A szerves vegyületek anódos oxidációja gyakran szabad gyökök képződéséhez vezet, amelyek további átalakulását reakciókészségük határozza meg. Az anódos oxidáció folyamatai többlépcsősek, és közbenső termékek képződésével folytatódnak. Az anódos oxidáció csökkenti a szerves vegyületek kémiai stabilitását, és megkönnyíti a későbbi lebomlását a tömeges folyamatok során.

A térfogati oxidációs folyamatokban különleges szerepet játszanak a víz elektrolízis termékei - oxigén (O 2), hidrogén-peroxid (H 2 O 2) és oxigéntartalmú klórvegyületek (HClO). Az elektrolízis során rendkívül reakcióképes vegyület képződik - H 2 O 2, amelynek molekulái a hidroxil-gyökök (OH *) következtében jönnek létre, amelyek a hidroxil-ionok (OH-) anódon történő kisülésének termékei. :

2OH - → 2OH* → H 2 O 2 + 2e -, ahol OH* jelentése hidroxilcsoport.

A szerves anyagok és az oxidálószerek közötti kölcsönhatás reakciói egy bizonyos ideig tartanak, melynek időtartama az elem redoxpotenciáljának értékétől és a reagáló anyagok koncentrációjától függ. A szennyezőanyag koncentrációjának csökkenésével és a szennyezőanyag koncentrációjának csökkenésével az oxidációs folyamat csökken.

Az elektrokémiai kezelés során az oxidációs folyamat sebessége a kezelt víz hőmérsékletétől és a pH-tól függ. A szerves vegyületek oxidációja során köztes termékek képződnek, amelyek mind a további átalakulásokkal szembeni ellenállásban, mind a toxicitási mutatókban különböznek az eredetitől.

Az elektrolizátorban keletkező aktív klór és oxigéntartalmú vegyületeinek forrásai a kezelt vízben lévő kloridok és a nátrium-klorid (NaCl), amelyet az elektrolízis előtt a kezelt vízbe juttatnak. A Cl– anionok anódos oxidációja következtében gáz halmazállapotú klór Cl 2 keletkezik. A víz pH-értékétől függően vagy hidrolizál, és hipoklórsavat képez HOCl, vagy hipoklorit ionokat képez ClO - . A reakció egyensúlya a pH-értéktől függ.

pH = 4-5-nél az összes klór hipoklórsav (HClO) formájában van, pH = 7-nél pedig a klór fele hipoklorit ion (OCl -), fele hipoklórsav formájában van. (HClO) (4. ábra). A hipoklorit ion (ClO -) és az oxidált anyag közötti kölcsönhatás mechanizmusát a következő egyenlet írja le:

ClO - + A = C + Cl, ahol A az oxidálható anyag; C egy oxidációs termék.

A szerves vegyületek hipokloritionnal (ClO -) történő elektrokémiai oxidációja az Eh redoxpotenciál növekedésével jár, ami az oxidatív folyamatok túlsúlyát jelzi. Az Eh növekedése az elektródák közötti térben lévő aktív klór koncentrációjának és a víz szerves szennyezőanyag-tartalmának arányától függ. A tisztítás és a szennyezés mennyiségének csökkentése során ez az arány növekszik, ami az Eh növekedéséhez vezet, de ekkor ez a mutató stabilizálódik.

Az elektródákon reakcióba lépő anyag mennyisége egyenáram átvezetése során a Faraday-törvény szerint egyenesen arányos az áramerősséggel és a feldolgozási idővel:

G = AI cur τ, (1)

ahol A az elem elektrokémiai ekvivalense, g/(A⋅h); I cur - áramerősség, A; τ a feldolgozási idő, h. Az elem elektrokémiai egyenértékét a következő képlet határozza meg:

A = M / 26,8z , (2)

ahol M az elem atomtömege, g; z a vegyértéke. Egyes elemek elektrokémiai egyenértékeinek értékeit a táblázat tartalmazza. egy.

Az elektrolízis során keletkező anyag tényleges mennyisége kisebb, mint az (1) képlettel számolt elméleti mennyiség, mivel a villamos energia egy részét víz és elektródák fűtésére fordítják. Ezért a számítások figyelembe veszik az η áramkihasználási tényezőt< 1, величина которого определяется экспериментально.

Az elektródos folyamatok során az elektróda és az elektrolit – víz – között töltött részecskék és ionok cseréje történik. Ehhez egyensúlyi egyensúlyi körülmények között elektromos potenciált kell létrehozni, amelynek minimális értéke a redoxreakció típusától és a 25 °C-os víz hőmérsékletétől függ (2. táblázat).

A vízelektrolízis fő paraméterei közé tartozik az áramerősség és -sűrűség, az elektródcellán belüli feszültség, valamint az elektródák közötti vízállás sebessége és időtartama.

Az elektródcellában keletkező feszültségeknek elegendőnek kell lenniük az elektródákon redox reakciók létrejöttéhez. A feszültség értéke függ a víz ionösszetételétől, a vízben lévő szennyeződésektől, például felületaktív anyagoktól, az áramsűrűségtől (az elektróda egységnyi területére eső erőssége), az elektróda anyagától stb. Az elektróda anyagának megválasztása során ügyelni kell arra, hogy az oxidatív visszanyerési reakciók elektródákon való áthaladásához minimális legyen a szükséges feszültség, mivel ez csökkenti az elektromos energia költségét.

Egyes redoxreakciók versengenek egymással – egyidejűleg mennek végbe és kölcsönösen gátolják egymást. Áramlásuk az elektrolitikus cellában lévő feszültség változtatásával szabályozható. Tehát a molekuláris oxigén képződési reakciójának normál potenciálja +0,401 V vagy +1,23 V; a feszültség +1,36 V-ra (normál potenciál a molekuláris klórképződés reakciójára) növelésével az anódon csak oxigén szabadul fel, a potenciál további növelésével egyszerre szabadul fel oxigén és klór, valamint klór elégtelen intenzitással szabadul fel. Kb. 4-5 V feszültségnél az oxigénfejlődés gyakorlatilag leáll, az elektrolitikus cella csak klórt termel.

A víz elektrolízis folyamatának főbb paramétereinek kiszámítása

A vízelektrolízis fő paraméterei közé tartozik az áramerősség és -sűrűség, az elektródcellán belüli feszültség, valamint a víz elektródák közötti térben való tartózkodásának sebessége és időtartama.

Az áramerősség I cur egy érték, amelyet a generált termék [A] szükséges teljesítményétől függően határoznak meg, a képlet határozza meg:

Icur=G/A tη , (3)

Ezt a képletet úgy kapjuk meg, hogy az (1) képletet az η áramkihasználási tényező figyelembevételével átalakítjuk. Az áramsűrűség az elektróda egységnyi területéhez viszonyított erőssége [A / m 2], például az anódé, a következő kifejezésből határozzuk meg:

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

ahol F an az anód területe, m 2 . Az áramsűrűségnek van a legdöntőbb befolyása az elektrolízis folyamatára: vagyis az áramsűrűség növekedésével az elektródfolyamatok felerősödnek és az elektródák felülete csökken, ugyanakkor az elektrolizáló cellában lévő feszültség növekszik, és ennek eredményeként a folyamat teljes energiaintenzitása. Az áramsűrűség növekedése fokozza az elektrolízis gázok felszabadulását, ami az elektromos vízkezelés oldhatatlan termékeinek buborékolásához és szétszóródásához vezet.

Az áramsűrűség növekedésével az elektródák passziválása is megnő, ami abból áll, hogy az anód és a katód felületi lerakódásaival blokkolják a beérkező elektronokat, ami növeli az elektródcellák elektromos ellenállását és gátolja az elektródákon fellépő redox reakciókat.

Az anódok passziválódnak a felületükön vékony oxidfilmek képződése következtében, az oxigén és az anódokon lévő egyéb komponensek szorpciója következtében, amelyek viszont megkötik a vizes szennyeződések részecskéit. A katódon főleg karbonátlerakódások képződnek, különösen fokozott keménységű vízkezelés esetén. Ezen okok miatt a víz elektrolízise során az áramsűrűséget a minimálisra kell állítani a technológiai folyamat során szükséges redoxreakciók stabil lefutásának feltételei mellett.

A víz tartózkodási idejét az elektrolizáló elektródák közötti terében korlátozza a szükséges mennyiségű elektrolízistermék előállításához szükséges idő.

Az elektródacellában lévő feszültséget [V] a következő képlet határozza meg:

V i = i en ΔK g / χ R , (5)

ahol i an az áramsűrűség, A/m 2 ; D az elektródák közötti távolság (az elektródák közötti csatorna szélessége), m; χ R a víz elektromos vezetőképessége, 1/(Ohm⋅m); K g - az elektródák közötti tér gáztöltési együtthatója, általában K g \u003d 1,05-1,2.

Az (5) képlet nem veszi figyelembe az elektróda elektromos ellenállásait azok alacsony értéke miatt, de a passziválás során ezek az ellenállások jelentősnek bizonyulnak. Az elektródák közötti csatorna szélességét minimálisnak (3-20 mm) feltételezzük a szennyeződések általi eltömődés elkerülésének feltételei szerint.

A víz χ R fajlagos elektromos vezetőképessége számos tényezőtől függ, amelyek közül a legjelentősebbek a hőmérséklet, a pH, az ionösszetétel és az ionkoncentráció (5. ábra). A hőmérséklet emelkedésével a χ R elektromos vezetőképesség nő, a feszültség csökken (6. ábra). Az elektromos vezetőképesség minimális értéke pH = 7-nek felel meg. Ezenkívül az elektrolízis folyamata során a víz hőmérséklete és pH-ja nő. Ha pH > 7, akkor a víz fajlagos elektromos vezetőképességének csökkenésére számíthatunk χ R , és pH értékeknél< 7 удельная электропроводность воды χ R , наоборот, возрастает (рис. 5).

A közepes mineralizációjú természetes vizek fajlagos elektromos vezetőképessége 0,001-0,005 1 / (Ohm⋅m), a települési szennyvíz 10-0,01 1 / (Ohm⋅m) . Az elektrolízis során az elektromos vezetőképességnek 0,1-1,0 1 / (Ohm⋅m) tartományban kell lennie. Ha a forrásvíz elektromos vezetőképessége nem megfelelő, a sótartalmat növelni kell (7. ábra). Ehhez általában nátrium-kloridot (NaCl) használnak, amelynek dózisait kísérleti úton határozzák meg, és leggyakrabban 500-1500 mg / l (8-25 mekv / l). A nátrium-klorid nem csak az alkalmazás és a biztonság szempontjából kényelmes (tárolás, oldatkészítés stb.), de NaCl jelenlétében az elektródák passziválása lelassul. A vízben disszociálva a NaCl a vizet klór-anionokkal Cl - és nátrium-kationokkal, Na + -kal telíti. A Cl klórionok kicsik, és passziváló lerakódásokon keresztül az anód felületére hatolnak, és elpusztítják ezeket a lerakódásokat. Más anionok, különösen szulfátionok (SO 2- 4 ) jelenlétében a kloridionok (Cl -) passziváló hatása csökken. A cella stabil működése akkor lehetséges, ha az ionok - Cl - az összes anionszám legalább 30%-át teszik ki. Az elektroforézis eredményeként a Na + nátrium-kationok a katódokra költöznek, amelyeken OH - hidroxidionok keletkeznek, és ez utóbbiakkal kölcsönhatásba lépve nátrium-hidroxidot (NaOH) képeznek, amely feloldja a katódon lévő karbonátlerakódásokat.

Az elektrolitikus cella teljesítményfelvételét [W] a következő összefüggés határozza meg:

N fogyasztás = η e I cur V e, (6)

ahol η e a cella hatékonysága, általában η e = 0,7-0,8; I cur - áramerősség, A; V e - feszültség az elektrolizátoron, V.

A víz tartózkodási idejét a cella elektródák közötti terében korlátozza a szükséges mennyiségű elektrolízistermék előállításához szükséges idő, valamint a megfelelő térfogati reakciók időtartama, és kísérletileg határozzák meg.

Az elektródák közötti térben a víz mozgásának sebességét az elektrolízistermékek és egyéb szennyeződések elektrolizátorból való eltávolításának feltételei figyelembevételével kell beállítani; emellett a turbulens keveredés a víz mozgásának sebességétől is függ, ami befolyásolja a térfogati reakciók lefolyását. A víz tartózkodási idejéhez hasonlóan a víz sebességét is kísérleti adatok alapján választjuk meg.

Folytatjuk.

1. Bakhir V.M., Liakumovich A.G., Kirpichnikov P.A., Spektor L.E., Mamadzhanov U.D. Az anyagok aktiválódási jelenségeinek fizikai természete // Izv. Az Üzbég SSR Tudományos Akadémia. Ser. tech. Nauk., 1/1983.

2. Kulsky L.A. Víztisztítás elektrokoagulációval / L.A. Kulsky, P.P. Strokach, V.A. Slipchenko és mások - Kijev: Budivelnik, 1978.

3. Lipovetsky Ya.M. Az ivó- és szennyvizek tisztításának elektrokémiai módszerei / Ya.M. Lipovetsky, Ya.D. Rappoport - M .: Az RSFSR Minzhilkomhoz TsBNTI-je, 1985.

4. Kirpichnikov P.A., Bakhir V.M., Gamer P.U., Dobrenkov G.A., Liakumovich A.G., Fridman B.S., Agadzhanyan S.I. A közegek elektrokémiai aktiválásának természetéről // Dokl. Szovjetunió Tudományos Akadémia, No3/1986, 286. kötet.

5. Bakhir V.M., Zadorozhniy Yu.G. Elektrokémiai reaktorok RPE. - M .: "Hyperoks", 1991.

6. Jakovlev S.V. Elektrokémiai vízkezelés technológiája / S.V. Jakovlev, I.G. Krasznoborodko, V.M. Rogov. — L.: L.O. Stroyizdat, 1987.

7. Bakhir V.M. Modern műszaki elektrokémiai rendszerek a víz fertőtlenítésére, tisztítására és aktiválására. — M.: VNIIIMT, 1999.

8. Bakhir V.M., Zadorozhniy Yu.G., Leonov B.I., Panicheva S.A., Prilutsky V.I. Elektrokémiai aktiválás: víztisztítás és hasznos oldatok előállítása. — M.: VNIIIMT, 2001.

9. Kulsky L.A. A víz tulajdonságainak, elemzési és tisztítási módszereinek kézikönyve. 1. rész / L.A. Kulsky, I.T. Goronovszkij, A.M. Koganovsky és mások - Kijev: Naukova Dumka, 1980.

10. Medrish G.L. Természetes és szennyvizek fertőtlenítése elektrolízissel / G.L. Medrish, A.A. Taiseva, D.L. Mosdó. - M.: Stroyizdat, 1982.

11. Volovnik G.I. A víztisztítás elméleti alapjai / G.I. Volovnik, L.D. Terekhov. 1. rész - Habarovszk: A Távol-Kelet Állami Vasútmérnöki Egyetem kiadója, 2000.

12. Bakhir V.M. elektrokémiai aktiválás. 2. rész - M .: VNIIII méz. technológia, 1992.

13. Babtsova N.F., Komarov I.F. Sebészeti osztályon az STEL készülék használatában szerzett tapasztalat / II Int. symp. "Elektr. aktiválás”, 1. rész - M., 1999.

14. Leonov B.I., Priluckij V.I., Bakhir V.M. Az elektrokémiailag aktivált víz biológiai hatásának fizikai-kémiai vonatkozásai. — M.: VNIIIMT, 1999.

15. Bakhir V.M. Az elektrokémiai aktiválás elméleti vonatkozásai / II Int. symp. "Elektr. aktiválás". 1. rész - M., 1999.

16. Toropkov V.V., Altshul E.B., Toropkova E.V. A kábítószer-katolit toxikológiai jellemzői / III Int. symp. "Elektr. aktiválás". - M., 2001.

17. Leonov B.I., Bakhir V.M., Vtorenko V.I. Elektrokémiai aktiválás a gyakorlati gyógyászatban / II Int. symp. "Elektrokémiai aktiválás", 1. rész - M., 1999.

18. Toropkov V.V. Altshul E.B., Peresypkin O.I. Az AN és ANK anolitok hatásának farmakológiai hatékonysága a szájüreg nyálkahártyáján / II Int. symp. "Elektr. aktiválás” // Proceedings, reports. és üzenetet 1. rész - M., 1999.

19. Priluckij V.I., Bakhir V.M. Elektrokémiailag aktivált víz: rendellenes tulajdonságok, biológiai hatásmechanizmus. — M.: VNIIIMT, 1997.

20. Panicheva S.A. Új technológiák komplex orvosi eszközök fertőtlenítésére és sterilizálására. — M.: VNIIIMT, 1998.

1. Mit figyeltünk meg Oersted kísérletében?
a) Két párhuzamos vezető kölcsönhatása az árammal.
b) Két mágneses tű kölcsönhatása.
c) A mágnestű forgása a vezető közelében, amikor áram folyik rajta.
d) Elektromos áram keletkezése a tekercsben, amikor mágnest helyezünk bele.

2. Hogyan lép kölcsönhatásba két párhuzamos vezető egymással, ha azonos irányú áram folyik rajtuk?
a) vonzódnak. b) Taszít. c) A kölcsönhatás ereje nulla. d) Nincs helyes válasz.

3. Ha egy vezetőn egyenáramot vezetünk át, mágneses tér keletkezik körülötte. A papírlapon lévő acélreszelék elhelyezkedése vagy a vezető közelében elhelyezett mágneses tű elfordítása alapján észlelhető Hogyan mozgatható ez a mágneses mező a térben?
a) Acélreszelék átvitele. b) A mágnes mozgatásával. c) Egy vezető árammal történő átvitele. d) A mágneses mező nem mozgatható.

4. Hogyan helyezkednek el a tekercs belsejében az A és B pontokban elhelyezett mágneses tűk a K kulcs kinyitásakor?
a) Az ábrán jobbra az északi pólus.
b) Ugyanaz az északi sark az ábrán balra.
c) Nyilak északi sarkokkal egymással szemben.
d) Nyilak déli sarkokkal egymással szemben.

5. Miért egyszerűbb a váltakozó áramú motorok berendezése, mint az egyenáramú? Miért használnak egyenáramú motorokat a járművekben?

6. Határozza meg az elektromágnes pólusait!

7. Ábrázolja az áramok mágneses terét, és határozza meg a mágneses erővonalak irányát!

8. Határozza meg a mágneses térbe helyezett áramvezető vezetőre ható erő irányát!

9. Három tárgya van - "eszközök": egy fahasáb, két acélszeg, amelyek nem vonzódnak egymáshoz, és egy állandó mágnes.
Három "fekete doboz" tartalmaz egy mágnest, két szöget és egy fatömböt. Milyen eszközökkel és milyen sorrendben célszerűbb megtudni, mi van az egyes dobozokban?

10. Egy DC motor 2 A áramot vesz fel 24 V feszültségű forrásból. Mekkora a motor mechanikai teljesítménye, ha tekercsének ellenállása 3 ohm? Mi a K.P.D.?

Határozza meg az áram irányát a vezetőben, amelynek keresztmetszete és a mágneses tér az 1. ábrán látható!

3. Milyen irányú az áram abban a vezetőben, amelynek mágneses erővonalainak irányát nyilak jelzik (3. ábra)?

5. Az 5. ábrán látható mágneses erővonalak irányában határozzuk meg a köráram irányát a gyűrűben!

Elektromágneses hullámok keletkeznek: A. Amikor az elektromos töltések állandó sebességgel mozognak. B. Elektromos gyorsított mozgással

B. Helyhez kötött töltetek körül.

G. Rögzített vezető körül, amelyen egyenáram halad át.

D. Rögzített töltött fémlemez körül

1. Az elektromos áramot... A). az elektronok mozgása. B). a töltött részecskék rendezett mozgása. B). az elektronok rendezett mozgása. 2.

Ahhoz, hogy egy vezetőben elektromos áramot hozzunk létre, szükséges... A). elektromos mezőt hozzon létre benne. B). elektromos töltéseket hozzon létre benne. B). hogy elektromos töltéseket különítsen el benne. 3. Milyen részecskék hoznak létre elektromos áramot a fémekben? A). Szabad elektronok. B). pozitív ionok. B). negatív ionok. ^ 4. Milyen hatású áramot használnak a galvanométerekben? A. Termikus. B. Vegyi. B. Mágneses. 5. Az elektromos tűzhely áramkörében az áramerősség 1,4 A. Milyen elektromos töltés halad át 20 perc alatt a spirál keresztmetszetén? A). 3200 cl. B). 1680 osztály B). 500 cl. ^ 6. Melyik diagramon (1. ábra) van helyesen az árammérő csatlakoztatva az áramkörhöz? DE). 1. B). 2. B). 3. 7. Amikor 6 C-nak megfelelő elektromos töltés halad át a vezetőn, 660 J nagyságú munka megy végbe. Mekkora a feszültség ennek a vezetőnek a végein? DE). 110 V. B). 220 V. V). 330V. ^ 8. Melyik diagramon (2. ábra) van helyesen csatlakoztatva a voltmérő az áramkörhöz? DE). 1. B). 2. 9. Két azonos szakaszú rézdrót tekercs hossza 50, illetve 150 m, melyiknek van nagyobb ellenállása és hányszor? DE). Az első 3 alkalom. B). A második 3-szoros. ^ 10. Mekkora a 25 cm hosszú és 0,1 mm2 keresztmetszetű nikkelhuzalon áthaladó áram erőssége, ha a végein a feszültség 6 V? DE). 2 A. B). 10 A. B). 6 A

1. Milyen mértékegységekben mérik az elektromos áram erősségét? A. Ohm; B. J; W.W; G. A.

2. Milyen cselekvések nyilvánulnak meg mindig, amikor elektromos áram halad át bármilyen közegen?

DE. Termikus; B. Mágneses; NÁL NÉL. Kémiai; G. Könnyű.

4. Határozza meg, mekkora feszültség alatt van az izzó, ha 10 C-os töltés mozgatásakor 2200 J-en dolgozik.

5. Határozza meg az ábrán látható áramkörben az AB szakasz ellenállását!

6. Számítsa ki egy 150 m hosszú és 0,2 mm2 keresztmetszeti területű nikróm huzal ellenállását.

7. Egy 3,5 mm2 keresztmetszetű és 14,2 m hosszú rézvezető 2,25 A áramot vezet. Határozza meg a feszültséget ennek a vezetéknek a végein.

8. Hány elektron halad át a vezető keresztmetszetén 35 s alatt 16 A áramerősség mellett?

9. Határozzuk meg egy 2 mm2 keresztmetszeti területű vashuzal tömegét, amelyből 6 ohmos ellenállást készítünk.