Trattamento elettrochimico dell'acqua. Elettrolisi

Quando una corrente elettrica continua viene fatta passare attraverso l'elettrolita, si verificano reazioni chimiche sugli elettrodi. Questo processo è chiamato elettrolisi, che significa la decomposizione (di sostanze) con l'aiuto dell'elettricità.

Nel sec. 8.1, è stato indicato che un elettrolita è un liquido che, attraversato da una corrente elettrica, subisce una reazione chimica. L'elettrolita può essere un sale fuso, come il bromuro di piombo (H), o una soluzione acquosa di acido, base o sale.

La corrente elettrica viene fornita all'elettrolita mediante elettrodi: fili conduttori, barre metalliche o piastre che entrano in contatto elettrico con l'elettrolita. L'elettrodo caricato negativamente è il catodo e l'elettrodo positivo è l'anodo. Gli elettrodi che non entrano in reazioni chimiche a contatto con elettroliti e quando viene attraversata da una corrente elettrica sono chiamati elettrodi inerti. Gli elettrodi inerti includono grafite e platino.

TEORIA IONICA DELL'ELETTROLISI

Secondo questa teoria, il passaggio di una corrente elettrica continua attraverso l'elettrolita viene effettuato con l'aiuto di ioni. Agli elettrodi, gli elettroni vengono trasferiti da o verso gli ioni. Pertanto, i processi che si verificano sugli elettrodi possono essere considerati come semireazioni riducenti o ossidanti. Pertanto, l'elettrolisi è un processo redox.

All'anodo si verifica sempre una semireazione ossidativa. In questa reazione, gli anioni perdono elettroni e vengono scaricati, trasformandosi in particelle neutre. Pertanto, l'anodo funge da pozzo per gli elettroni dagli anioni.

Al catodo si verifica sempre una semireazione di riduzione. Qui, i cationi acquisiscono elettroni e si scaricano, trasformandosi in particelle neutre. Pertanto, il catodo funge da fonte di elettroni per i cationi.

L'elettrolisi del bromuro di piombo fuso (H) consiste in due semireazioni:

1) gli ioni bromuro vengono scaricati sull'anodo. (L'equazione per questa semireazione ha

2Вg-(l.) \u003d Vg2 (g.) + 2e-

Questa semireazione è un'ossidazione.)

2) gli ioni di piombo vengono scaricati al catodo. (L'equazione per questa semireazione è:

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

Questa semireazione è una riduzione.)

Va notato che le reazioni che si verificano all'anodo e al catodo in ciascun sistema particolare sono predeterminate dalla polarità della sorgente di corrente nel circuito elettrico esterno. Il polo negativo di una sorgente di corrente esterna (batteria) fornisce elettroni a uno degli elettrodi della cella elettrolitica. Ciò provoca una carica negativa di questo elettrodo. Diventa il catodo. Poiché questo elettrodo è caricato negativamente, a sua volta provoca una reazione dell'elettrodo in cui gli elettroni vengono consumati. Pertanto, il processo di recupero viene eseguito su questo elettrodo. All'altro elettrodo, gli elettroni fluiscono dalla cella elettrolitica nel circuito esterno, rendendo questo elettrodo l'elettrodo positivo. Quindi, questo elettrodo svolge il ruolo dell'anodo. A causa della sua carica positiva, su di esso si verifica una reazione, che è accompagnata dal rilascio di elettroni, ad es. ossidazione.

Una rappresentazione schematica dell'intero processo di elettrolisi è mostrata in fig. 10.6.

La formazione di una sostanza insolubile a seguito di una reazione chimica è solo una delle condizioni per ottenere una soluzione colloidale. Un'altra condizione altrettanto importante è la disuguaglianza dei materiali di partenza presi nella reazione. La conseguenza di questa disuguaglianza è la limitazione della crescita della dimensione delle particelle nelle soluzioni colloidali, che porterebbe alla formazione di un sistema grossolanamente disperso.

Consideriamo il meccanismo di formazione di una particella colloidale usando l'esempio della formazione di un sol di ioduro d'argento, che si ottiene dall'interazione di soluzioni diluite di nitrato d'argento e ioduro di potassio.

AgNO 3 + KI \u003d AgI + KNO 3

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

Molecole neutre insolubili di ioduro d'argento formano il nucleo di una particella colloidale.

All'inizio, queste molecole si combinano in disordine, formando una struttura amorfa e sciolta, che gradualmente si trasforma in una struttura cristallina altamente ordinata del nucleo. Nell'esempio che stiamo considerando, il nucleo è un cristallo di ioduro d'argento, costituito da un gran numero (m) di molecole di AgI:

m - il nucleo della particella colloidale

Sulla superficie del nucleo avviene un processo di adsorbimento. Secondo la regola di Peskov-Fajans, gli ioni che fanno parte del nucleo delle particelle vengono adsorbiti sulla superficie dei nuclei delle particelle colloidali, ad es. vengono adsorbiti ioni argento (Ag +) o ioni iodio (I -). Di questi due tipi di ioni, quelli che sono in eccesso vengono adsorbiti.

Quindi, se si ottiene una soluzione colloidale in eccesso di ioduro di potassio, gli ioni di iodio verranno adsorbiti su particelle (nuclei), che completano il reticolo cristallino del nucleo, entrando naturalmente e saldamente nella sua struttura. In questo caso si forma uno strato di adsorbimento che conferisce al nucleo una carica negativa:

Gli ioni adsorbiti sulla superficie del nucleo, conferendogli una carica adeguata, sono chiamati ioni potenziali.

Allo stesso tempo, anche gli ioni di carica opposta sono in soluzione, sono chiamati contrattacchi. Nel nostro caso si tratta di ioni potassio (K+), che sono attratti elettrostaticamente dal nucleo carico (il valore di carica può raggiungere I c). Parte dei controioni K + è fortemente vincolata dalle forze elettriche e di adsorbimento ed entra nello strato di adsorbimento. Un nucleo con un doppio strato di adsorbimento di ioni formato su di esso è chiamato granulo.

(m . nI - . (n-x) K + ) x - (struttura granulare)

La restante parte dei controioni (indichiamoli con il numero "x K +") forma uno strato diffuso di ioni.

Il nucleo con strati di adsorbimento e diffusione è chiamato micella. :

(m . nI -. (n-x) K + ) x - . x K + (struttura micellare)

Quando una corrente elettrica costante viene fatta passare attraverso una soluzione colloidale, i granuli e i controioni si sposteranno rispettivamente verso gli elettrodi di carica opposta.

La presenza della stessa carica sulla superficie delle particelle di sol è importante. fattore della sua sostenibilità. La carica impedisce l'adesione e l'allargamento delle particelle. In un sistema disperso stabile, le particelle vengono mantenute in sospensione, ad es. non si verifica alcuna precipitazione della sostanza colloidale. Questa proprietà dei sol è chiamata cineti stabilità chesky.

La struttura delle micelle del sol di ioduro d'argento ottenuto in eccesso di AgNO 3 è mostrata in Fig. 3. 1a, in eccesso di KCI - 1b .

Fig.1.5. La struttura delle micelle di sol di ioduro d'argento ottenuta in eccesso:

a) nitrato d'argento; b) cloruro di potassio.

Elettrolisi- un processo redox che si verifica sugli elettrodi quando una corrente elettrica continua viene fatta passare attraverso una soluzione di elettrolita o si scioglie. In un elettrolizzatore, l'energia elettrica viene convertita nell'energia di una reazione chimica.

Catodo (-) – elettrodo negativo in corrispondenza del quale si verifica una riduzione durante l'elettrolisi.

Anodo (+) – l'elettrodo positivo in corrispondenza del quale si verifica l'ossidazione durante l'elettrolisi.

A differenza dell'elettrolisi, in una cella galvanica, la riduzione avviene su un catodo caricato positivamente e l'ossidazione avviene su un anodo caricato negativamente.

Nell'elettrolisi possono essere utilizzati anodi inerti (insolubili) e attivi (consumabili). L'anodo attivo, essendo ossidato, invia i propri ioni nella soluzione. Un anodo inerte è solo un trasmettitore di elettroni e non cambia chimicamente. Grafite, platino e iridio sono solitamente usati come elettrodi inerti.

Durante l'elettrolisi dei fusi e delle soluzioni elettrolitiche, gli ioni formati durante la loro dissociazione (sotto l'influenza della temperatura o dell'acqua) - i cationi (Kt n +) e gli anioni (An m -) si spostano, rispettivamente, al catodo (-) e all'anodo (+). Quindi, agli elettrodi, gli elettroni vengono trasferiti dal catodo al catione e gli anioni donano elettroni all'anodo.

Quantitativamente, l'elettrolisi è descritta da due leggi di Faraday.

I Legge di Faraday: la massa della sostanza rilasciata durante l'elettrolisi è proporzionale alla quantità di elettricità che è passata attraverso l'elettrolizzatore:

m = k io∙τ = k∙Q ,

dove io– forza attuale; τ – tempo di flusso attuale; Q = I∙τ- la quantità di energia elettrica; K- coefficiente di proporzionalità, il cui valore dipende dal sistema di unità scelto (se Q= 1C, quindi m = k).

Si chiama la massa di una sostanza rilasciata durante il passaggio di 1 C di elettricità equivalente elettrochimico.

II Legge di Faraday: con la stessa quantità di elettricità fatta passare attraverso l'elettrolita, il numero di grammi equivalenti dei prodotti dell'elettrolisi è lo stesso.

Per rilasciare un equivalente di qualsiasi sostanza sull'elettrodo, è necessario spendere la stessa quantità di elettricità, pari a Costante di Faraday F= 96485 C/mol. Infatti, contiene un equivalente di una sostanza NA = 6.02322∙10 23 particelle, e per ripristinare un tale numero di ioni caricati singolarmente sul catodo, è necessario spendere la quantità di elettricità:

F = NA∙ ē = 6.02322∙10 23 particelle/mol ∙ 1.6021∙10 –19 C = 96485 C/mol,

dov'è la carica dell'elettrone ē = 1.6021∙10 –19 Cl.

Generalizzando entrambe le leggi di Faraday, è possibile trascrivere.

Soluzioni acquose elettroattivate - catoliti e anoliti possono essere utilizzati in agricoltura, per aumentare la produttività delle piante, nell'allevamento, nella medicina, per la disinfezione dell'acqua e per scopi domestici. Il trattamento elettrochimico dell'acqua comprende diversi processi elettrochimici associati al trasferimento di elettroni, ioni e altre particelle in un campo elettrico costante (elettrolisi, elettroforesi, elettroflottazione, elettrocoagulazione), il principale dei quali è l'elettrolisi dell'acqua. Questo articolo introduce il lettore ai principali processi alla base dell'elettrolisi dell'acqua.

introduzione

Il fenomeno dell'attivazione elettrochimica dell'acqua (EAW) è una combinazione di effetti elettrochimici ed elettrofisici sull'acqua in un doppio strato elettrico (DEL) di elettrodi (anodo e catodo) durante il trasferimento di carica di non equilibrio attraverso il DEL da parte di elettroni e in condizioni di intensa dispersione nel liquido dei prodotti gassosi risultanti dalle reazioni elettrochimiche. Ci sono quattro processi principali nel processo ECA:

- decomposizione elettrolitica dell'acqua (elettrolisi) dovuta a reazioni redox sugli elettrodi, provocate da un campo elettrico esterno costante;

- elettroforesi - il movimento in un campo elettrico di particelle e ioni caricati positivamente al catodo e particelle e ioni caricati negativamente all'anodo;

- elettroflottazione - la formazione di flocculi di gas e aggregati costituiti da bolle di gas finemente disperse (idrogeno al catodo e ossigeno all'anodo) e impurità d'acqua grossolanamente disperse;

- elettrocoagulazione - la formazione di aggregati colloidali di particelle della fase dispersa precipitata dovuta al processo di dissoluzione anodica del metallo e alla formazione di cationi metallici Al 3+ , Fe 2+ , Fe 3+ sotto l'influenza di un campo elettrico costante .

A seguito del trattamento dell'acqua con corrente elettrica continua, a potenziali uguali o superiori al potenziale di decomposizione dell'acqua (1,25 V), l'acqua passa in uno stato metastabile caratterizzato da valori anormali di attività elettronica e altri parametri fisico-chimici (pH, Eh, ORP, conducibilità elettrica). Il passaggio di una corrente elettrica costante attraverso il volume dell'acqua è accompagnato da processi elettrochimici, a seguito dei quali si verificano reazioni redox, che portano alla distruzione (distruzione) dell'inquinamento idrico, alla coagulazione dei colloidi, alla flocculazione delle impurità grossolane e alla loro successiva flottazione .

Il fenomeno dell'attivazione elettrochimica dell'acqua è una combinazione di effetti elettrochimici ed elettrofisici sull'acqua in un doppio strato elettrico di elettrodi durante il trasferimento di carica non di equilibrio.

Il trattamento elettrochimico viene utilizzato per la chiarificazione e decolorazione delle acque naturali, il loro addolcimento, la depurazione da metalli pesanti (Cu, Co, Cd, Pb, Hg), cloro, fluoro e loro derivati, per il trattamento delle acque reflue contenenti prodotti petroliferi, organici e organoclorurati composti, coloranti, tensioattivi, fenolo. Il vantaggio della depurazione elettrochimica dell'acqua è che consente di regolare i valori dell'indice di idrogeno pH e potenziale redox E h , da cui dipende la possibilità di vari processi chimici nell'acqua; aumenta l'attività enzimatica dei fanghi attivi nelle vasche di aerazione; riduce la resistività e migliora le condizioni di coagulazione e sedimentazione dei sedimenti organici.

Nel 1985 EXHAV è stata ufficialmente riconosciuta come una nuova classe di fenomeni fisici e chimici. L'ordinanza del governo della Federazione Russa del 15 gennaio 1998 n. VCh-P1201044 ha raccomandato a ministeri e dipartimenti di utilizzare questa tecnologia in medicina, agricoltura e industria.

elettrolisi dell'acqua

La fase principale del trattamento elettrochimico dell'acqua è l'elettrolisi dell'acqua. Quando una corrente elettrica costante viene fatta passare attraverso l'acqua, l'ingresso di elettroni nell'acqua al catodo, così come la rimozione di elettroni dall'acqua all'anodo, è accompagnato da una serie di reazioni redox sulle superfici del catodo e anodo. Di conseguenza, si formano nuove sostanze, cambia il sistema delle interazioni intermolecolari, la composizione dell'acqua, inclusa la struttura dell'acqua. Un'installazione tipica per il trattamento elettrochimico dell'acqua è costituita da un'unità di trattamento dell'acqua 1, un elettrolizzatore 2 e un'unità di trattamento dell'acqua 3 dopo il trattamento elettrochimico (Fig. 1).

In alcuni impianti di trattamento elettrochimico dell'acqua è prevista una depurazione meccanica preliminare dell'acqua, che riduce il rischio di intasamento della cella elettrolitica con impurità grossolane ad alta resistenza idraulica. È necessario un blocco per la purificazione meccanica dell'acqua se, a seguito del trattamento elettrochimico, l'acqua è satura di impurità grossolane, ad esempio scaglie di idrossidi metallici (Al (OH) 3, Fe (OH) 3, Mg (OH) 2) dopo l'elettrocoagulazione. L'elemento principale dell'installazione è un elettrolizzatore, costituito da una o più celle di elettrolisi (Fig. 2).

La cella di elettrolisi è formata da due elettrodi: un anodo caricato positivamente e un catodo caricato negativamente, collegati a diversi poli di una sorgente di corrente continua. Lo spazio interelettrodico è riempito d'acqua, che è un elettrolita in grado di condurre corrente elettrica. Come risultato del funzionamento del dispositivo, c'è un trasferimento di cariche elettriche attraverso uno strato di acqua - elettroforesi, cioè la migrazione di particelle polari, portatori di carica - ioni, agli elettrodi del segno opposto.

Quando una corrente elettrica costante viene fatta passare attraverso l'acqua, l'ingresso di elettroni nell'acqua al catodo, così come la rimozione di elettroni dall'acqua all'anodo, è accompagnato da una serie di reazioni redox sulle superfici del catodo e anodo.

In questo caso, gli anioni con carica negativa si spostano verso l'anodo e i cationi con carica positiva si spostano verso il catodo. Agli elettrodi, gli ioni carichi perdono la loro carica, si depolarizzano, trasformandosi in prodotti di decadimento. Oltre agli ioni carichi, le particelle polari di varie dispersioni, comprese le particelle grossolane (particelle emulsionate, bolle di gas, ecc.), Partecipano all'elettroforesi, ma gli ioni carichi con la massima mobilità svolgono il ruolo principale nel trasferimento di cariche elettrochimiche. Le particelle polari includono particelle polari tra le impurità dell'acqua e le molecole d'acqua, il che è spiegato dalla loro struttura speciale.

L'atomo di ossigeno centrale, che fa parte della molecola d'acqua, che ha un'elettronegatività maggiore degli atomi di idrogeno, attira gli elettroni verso se stesso, conferendo alla molecola un'asimmetria. Di conseguenza, la densità elettronica viene ridistribuita: la molecola d'acqua viene polarizzata, assumendo le proprietà di un dipolo elettrico con momento di dipolo di 1,85 D (Debye), con carica positiva e negativa ai poli (Fig. 3).

I prodotti delle reazioni degli elettrodi sono impurità acquose neutralizzate, idrogeno gassoso e ossigeno formati durante la distruzione elettrolitica delle molecole d'acqua, cationi metallici (Al 3+, Fe 2+, Fe 3+) nel caso di utilizzo di anodi metallici in alluminio e acciaio , cloro molecolare, ecc. In questo caso, al catodo viene generato idrogeno gassoso e all'anodo viene generato ossigeno. La composizione dell'acqua contiene una certa quantità di ione idronio H 3 O +, che si depolarizza sulla superficie del catodo con la formazione di idrogeno atomico H:

H 3 O + + e - → H + H 2 O.

In un ambiente alcalino, H 3 O + è assente, ma le molecole d'acqua vengono distrutte, accompagnate dalla formazione di idrogeno atomico H - e idrossido OH -:

H 2 O + e - → H + OH -.

Gli atomi di idrogeno reattivi vengono adsorbiti sulle superfici dei catodi e, dopo la ricombinazione, formano idrogeno molecolare H 2 , che viene rilasciato dall'acqua in forma gassosa:

H + H → H 2.

Allo stesso tempo, l'ossigeno atomico viene rilasciato agli anodi. In un ambiente acido, questo processo è accompagnato dalla distruzione delle molecole d'acqua:

2H 2 O - 4e - → O 2 + 4H +.

In un ambiente alcalino, gli ioni idrossido OH servono sempre come fonte di formazione di ossigeno, muovendosi sotto l'azione dell'elettroforesi sugli elettrodi, dal catodo all'anodo:

4 OH - → O 2 + 2 H 2 O + 4 e -.

I normali potenziali redox di queste reazioni sono rispettivamente +1,23 e +0,403 V, ma il processo procede in condizioni di alcuni

sovratensione. La cella di elettrolisi può essere considerata un generatore dei suddetti prodotti, alcuni dei quali, entrando in interazione chimica tra loro e con i contaminanti dell'acqua nello spazio interelettrodico, forniscono un'ulteriore purificazione chimica dell'acqua (elettroflottazione, elettrocoagulazione). Questi processi secondari non si verificano sulla superficie degli elettrodi, ma nel volume dell'acqua. Pertanto, a differenza dei processi con elettrodi, sono designati come volumetrici. Sono avviati da un aumento della temperatura dell'acqua durante l'elettrolisi e da un aumento del pH durante la distruzione catodica delle molecole d'acqua.

Distinguere tra ossidazione catodica e anodica. Durante l'ossidazione catodica, le molecole di sostanze organiche, essendo assorbite sui catodi, accettano elettroni liberi, vengono ripristinate, trasformandosi in composti che non sono contaminanti. In alcuni casi, il processo di recupero avviene in una fase:

R + H + + e - → RH, dove R è un composto organico; RH è la forma idrata del composto e non è un contaminante.

In altri casi, la riduzione catodica avviene in due stadi: al primo stadio (I), la molecola organica viene convertita in un anione, al secondo (II), l'anione viene idratato interagendo con un protone dell'acqua:

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

Distinguere tra ossidazione catodica e anodica. Durante l'ossidazione catodica, le molecole di sostanze organiche, essendo assorbite sui catodi, accettano elettroni liberi e si riducono.

I catodi realizzati con materiali che richiedono un'elevata sovratensione (piombo, cadmio) consentono, ad un costo elevato di elettricità, di distruggere le molecole organiche e generare radicali liberi reattivi - particelle che hanno elettroni liberi spaiati (Cl*, O*, OH*) nelle orbite esterne di atomi o molecole, NO*2, ecc.). Quest'ultima circostanza conferisce ai radicali liberi la proprietà di reattività, cioè la capacità di entrare in reazioni chimiche con impurità acquose e distruggerle.

RH → R + H + + e - .

L'ossidazione anodica dei composti organici porta spesso alla formazione di radicali liberi, le cui ulteriori trasformazioni sono determinate dalla loro reattività. I processi di ossidazione anodica sono multistadio e procedono con la formazione di prodotti intermedi. L'ossidazione anodica riduce la stabilità chimica dei composti organici e ne facilita la successiva degradazione durante i processi di massa.

Nei processi ossidativi volumetrici, un ruolo speciale è svolto dai prodotti dell'elettrolisi dell'acqua: ossigeno (O 2), perossido di idrogeno (H 2 O 2) e composti di cloro contenenti ossigeno (HClO). Nel processo di elettrolisi si forma un composto estremamente reattivo - H 2 O 2, la cui formazione di molecole avviene a causa dei radicali idrossilici (OH *), che sono i prodotti della scarica di ioni idrossile (OH-) sull'anodo :

2OH - → 2OH* → H 2 O 2 + 2e -, dove OH* è un radicale ossidrile.

Le reazioni di interazione di sostanze organiche con agenti ossidanti procedono per un certo periodo di tempo, la cui durata dipende dal valore del potenziale redox dell'elemento e dalla concentrazione delle sostanze reagenti. Quando la concentrazione dell'inquinante diminuisce e la concentrazione dell'inquinante diminuisce, il processo di ossidazione diminuisce.

La velocità del processo di ossidazione durante il trattamento elettrochimico dipende dalla temperatura dell'acqua trattata e dal pH. Nel processo di ossidazione dei composti organici si formano prodotti intermedi che differiscono da quello iniziale sia per la resistenza a ulteriori trasformazioni che per gli indicatori di tossicità.

Le fonti di cloro attivo e dei suoi composti contenenti ossigeno generati nell'elettrolizzatore sono i cloruri nell'acqua trattata e il cloruro di sodio (NaCl), che viene introdotto nell'acqua trattata prima dell'elettrolisi. Come risultato dell'ossidazione anodica degli anioni Cl– si genera cloro gassoso Cl 2. A seconda del pH dell'acqua, si idrolizza per formare acido ipocloroso HOCl o forma ioni ipoclorito ClO-. L'equilibrio della reazione dipende dal valore del pH.

A pH = 4-5, tutto il cloro è sotto forma di acido ipocloroso (HClO) e a pH = 7, metà del cloro è sotto forma di ione ipoclorito (OCl -) e metà è sotto forma di acido ipocloroso (HClO) (Fig. 4). Il meccanismo di interazione dello ione ipoclorito (ClO -) con la sostanza ossidata è descritto dalla seguente equazione:

ClO - + A = C + Cl, dove A è la sostanza ossidabile; C è un prodotto di ossidazione.

L'ossidazione elettrochimica dei composti organici con ipocloritione (ClO -) è accompagnata da un aumento del potenziale redox Eh, che indica la predominanza dei processi ossidativi. La crescita di Eh dipende dal rapporto tra la concentrazione di cloro attivo nello spazio interelettrodico e il contenuto di impurità organiche nell'acqua. Man mano che pulisce e riduce la quantità di inquinamento, questo rapporto aumenta, il che porta ad un aumento di Eh, ma poi questo indicatore si stabilizza.

La quantità della sostanza che ha reagito sugli elettrodi quando passa una corrente elettrica continua secondo la legge di Faraday è direttamente proporzionale all'intensità della corrente e al tempo di elaborazione:

G = AI cur τ, (1)

dove A è l'equivalente elettrochimico dell'elemento, g/(A⋅h); I cur - forza attuale, A; τ è il tempo di elaborazione, h. L'equivalente elettrochimico dell'elemento è determinato dalla formula:

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

dove M è la massa atomica dell'elemento, g; z è la sua valenza. I valori degli equivalenti elettrochimici di alcuni elementi sono riportati in Tabella. uno.

La quantità effettiva della sostanza generata durante l'elettrolisi è inferiore a quella teorica, calcolata dalla formula (1), poiché parte dell'elettricità viene spesa per riscaldare l'acqua e gli elettrodi. Pertanto, i calcoli tengono conto del fattore di utilizzo attuale η< 1, величина которого определяется экспериментально.

Durante i processi degli elettrodi, c'è uno scambio di particelle cariche e ioni tra l'elettrodo e l'elettrolita - acqua. Per fare ciò, in condizioni di equilibrio stazionario, è necessario creare un potenziale elettrico il cui valore minimo dipende dal tipo di reazione redox e dalla temperatura dell'acqua a 25 °C (Tabella 2).

I parametri principali dell'elettrolisi dell'acqua includono la forza e la densità della corrente, la tensione all'interno della cella dell'elettrodo, nonché la velocità e la durata della permanenza dell'acqua tra gli elettrodi.

Le tensioni generate nella cella dell'elettrodo devono essere sufficienti per il verificarsi di reazioni redox sugli elettrodi. Il valore della tensione dipende dalla composizione ionica dell'acqua, dalla presenza di impurità nell'acqua, ad esempio tensioattivi, densità di corrente (la sua forza per unità di area dell'elettrodo), materiale dell'elettrodo, ecc. A parità di condizioni, il compito della scelta di un materiale per elettrodi è quello di garantire che per il passaggio delle reazioni ossidative di recupero sugli elettrodi, la tensione richiesta fosse minima, poiché ciò riduce il costo dell'energia elettrica.

Alcune reazioni redox sono in competizione: procedono simultaneamente e si inibiscono reciprocamente. Il loro flusso può essere controllato modificando la tensione nella cella elettrolitica. Quindi, il potenziale normale della reazione di formazione di ossigeno molecolare è +0,401 V o +1,23 V; con un aumento della tensione a +1,36 V (potenziale normale per la reazione della formazione di cloro molecolare), all'anodo verrà rilasciato solo ossigeno e con un ulteriore aumento del potenziale, sia l'ossigeno che il cloro verranno rilasciati contemporaneamente e il cloro verrà rilasciato con intensità insufficiente. Ad una tensione di circa 4-5 V, l'evoluzione dell'ossigeno cesserà praticamente e la cella elettrolitica genererà solo cloro.

Calcolo dei principali parametri del processo di elettrolisi dell'acqua

I parametri principali dell'elettrolisi dell'acqua includono la forza e la densità della corrente, la tensione all'interno della cella dell'elettrodo, nonché la velocità e la durata della permanenza dell'acqua nello spazio interelettrodico.

La forza attuale I cur è un valore determinato in funzione della prestazione richiesta per il prodotto generato [A], è determinato dalla formula:

Icur=G/A tη , (3)

Questa formula si ottiene trasformando la formula (1) tenendo conto del fattore di utilizzo attuale η. La densità di corrente è la sua forza, relativa all'area unitaria dell'elettrodo [A / m 2], ad esempio l'anodo, è determinata dalla seguente espressione:

io en = io cur / F it, (4)

dove F an è l'area dell'anodo, m 2 . La densità di corrente ha l'influenza più decisiva sul processo di elettrolisi: cioè, con un aumento della densità di corrente, i processi degli elettrodi si intensificano e la superficie degli elettrodi diminuisce, ma allo stesso tempo la tensione nella cella di elettrolisi aumenta e, di conseguenza, l'intera intensità energetica del processo. Un maggiore aumento della densità di corrente intensifica il rilascio di gas di elettrolisi, portando al gorgogliamento e alla dispersione dei prodotti insolubili del trattamento elettrico dell'acqua.

Con l'aumento della densità di corrente, aumenta anche la passivazione degli elettrodi, che consiste nel bloccare gli elettroni in arrivo mediante depositi superficiali dell'anodo e del catodo, che aumenta la resistenza elettrica nelle celle degli elettrodi e inibisce le reazioni redox che si verificano sugli elettrodi.

Gli anodi vengono passivati ​​a seguito della formazione di sottili film di ossido sulle loro superfici, a seguito dell'assorbimento di ossigeno e altri componenti sugli anodi, che, a loro volta, assorbono particelle di impurità acquose. Sui catodi si formano principalmente depositi di carbonato, soprattutto nel caso di trattamento di acque con durezza aumentata. Per questi motivi, la densità di corrente durante l'elettrolisi dell'acqua dovrebbe essere impostata al minimo nelle condizioni per il verificarsi stabile delle necessarie reazioni redox durante il processo tecnologico.

Il tempo di permanenza dell'acqua nello spazio interelettrodico dell'elettrolizzatore è limitato dal tempo necessario per generare la quantità richiesta di prodotti di elettrolisi.

La tensione nella cella dell'elettrodo [V] è determinata dalla formula:

V i = io en ΔK g / χ R , (5)

dove i an è la densità di corrente, A/m 2 ; D è la distanza tra gli elettrodi (larghezza del canale interelettrodo), m; χ R è la conducibilità elettrica dell'acqua, 1/(Ohm⋅m); K g - coefficiente di riempimento del gas dello spazio interelettrodico, solitamente preso K g \u003d 1,05-1,2.

La formula (5) non tiene conto delle resistenze elettriche dell'elettrodo a causa dei loro bassi valori, ma durante la passivazione queste resistenze risultano essere significative. Si presume che la larghezza del canale interelettrodo sia minima (3-20 mm) in base alle condizioni di non intasamento da parte di impurità.

La conducibilità elettrica specifica dell'acqua χ R dipende da una serie di fattori, tra i quali i più significativi sono la temperatura, il pH, la composizione ionica e la concentrazione di ioni (Fig. 5). Con un aumento della temperatura, la conduttività elettrica χ R aumenta e la tensione diminuisce (Fig. 6). Il valore minimo di conducibilità elettrica corrisponde a pH = 7. Inoltre, durante il processo di elettrolisi, la temperatura e il pH dell'acqua aumentano. Se pH > 7, allora possiamo aspettarci una diminuzione della conducibilità elettrica specifica dell'acqua χ R , e a valori di pH< 7 удельная электропроводность воды χ R , наоборот, возрастает (рис. 5).

La conducibilità elettrica specifica delle acque naturali di media mineralizzazione è 0,001-0,005 1 / (Ohm⋅m), le acque reflue urbane sono 10-0,01 1 / (Ohm⋅m) . Durante l'elettrolisi, la conduttività elettrica dovrebbe essere compresa tra 0,1 e 1,0 1 / (Ohm⋅m) . Se l'acqua di sorgente ha una conducibilità elettrica insufficiente, la salinità dovrebbe essere aumentata (Fig. 7). Di solito per questo viene utilizzato il cloruro di sodio (NaCl), le cui dosi sono determinate sperimentalmente e molto spesso sono 500-1500 mg / l (8-25 meq / l). Il cloruro di sodio non è solo conveniente in termini di applicazione e sicurezza (conservazione, preparazione della soluzione, ecc.), Ma in presenza di NaCl la passivazione degli elettrodi rallenta. Dissociandosi in acqua, NaCl satura l'acqua con anioni di cloro Cl - e cationi di sodio Na + . Gli ioni cloro Cl - sono piccoli e, penetrando attraverso depositi passivanti sulla superficie dell'anodo, distruggono questi depositi. In presenza di altri anioni, in particolare ioni solfato (SO 2- 4 ), l'effetto depassivante degli ioni cloruro (Cl -) è ridotto. Il funzionamento stabile della cellula è possibile se gli ioni - Cl - costituiscono almeno il 30% del numero totale di anioni. Come risultato dell'elettroforesi, i cationi di sodio Na + si spostano verso i catodi, sui quali vengono generati ioni idrossido OH - e, interagendo con quest'ultimo, formano idrossido di sodio (NaOH), che dissolve i depositi di carbonato sui catodi.

Il consumo di energia [W] della cella elettrolitica è determinato dalla seguente relazione:

N consumo = η e I cur V e, (6)

dove η e è l'efficienza della cella, di solito si assume η e = 0,7-0,8; I cur - forza attuale, A; V e - tensione sull'elettrolizzatore, V.

Il tempo di permanenza dell'acqua nello spazio interelettrodico della cella è limitato dal tempo necessario per generare la quantità richiesta di prodotti di elettrolisi, nonché dalla durata delle corrispondenti reazioni volumetriche, ed è determinato sperimentalmente.

La velocità del movimento dell'acqua nello spazio interelettrodico viene impostata tenendo conto delle condizioni per la rimozione dei prodotti di elettrolisi e di altre impurità dall'elettrolizzatore; inoltre, la miscelazione turbolenta dipende dalla velocità del movimento dell'acqua, che influisce sul corso delle reazioni volumetriche. Come il tempo di permanenza dell'acqua, la velocità dell'acqua viene scelta sulla base di dati sperimentali.

Continua.

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1. Cosa è stato osservato nell'esperimento di Oersted?
a) Interazione di due conduttori paralleli con la corrente.
b) Interazione di due aghi magnetici.
c) Rotazione dell'ago magnetico vicino al conduttore al passaggio di corrente.
d) Il verificarsi di una corrente elettrica nella bobina quando viene inserito un magnete.

2. Come interagiscono tra loro due conduttori paralleli se le correnti li attraversano nella stessa direzione?
a) sono attratti. b) Respingere. c) La forza di interazione è zero. d) Non esiste una risposta corretta.

3. Quando una corrente elettrica continua viene fatta passare attraverso un conduttore, attorno ad esso si genera un campo magnetico. Viene rilevato dalla posizione della limatura di acciaio su un foglio di carta o dalla rotazione di un ago magnetico posizionato vicino al conduttore Come si può spostare questo campo magnetico nello spazio?
a) Trasferimento di limatura di acciaio. b) Muovendo il magnete. c) Il trasferimento di un conduttore con corrente. d) Il campo magnetico non può essere spostato.

4. Come saranno posizionati gli aghi magnetici posti nei punti A e B all'interno della bobina quando si apre la chiave K?
a) Ugualmente polo nord a destra nella figura.
b) Lo stesso polo nord a sinistra nella figura.
c) Frecce con i poli nord uno di fronte all'altro.
d) Frecce con i poli sud uno di fronte all'altro.

5. Perché il dispositivo dei motori CA è più semplice di quello CC? Perché i motori a corrente continua sono utilizzati nei veicoli?

6. Determinare i poli dell'elettromagnete.

7. Rappresentare il campo magnetico delle correnti e determinare la direzione delle linee del campo magnetico.

8. Determinare la direzione della forza che agisce su un conduttore percorso da corrente posto in un campo magnetico.

9. Hai tre oggetti: "dispositivi": un blocco di legno, due chiodi d'acciaio che non sono attratti l'uno dall'altro e un magnete permanente.
Tre "scatole nere" contengono rispettivamente: un magnete, due chiodi e un blocco di legno. Quali strumenti e in quale sequenza è meglio usare per scoprire cosa c'è in ciascuna delle scatole?

10. Un motore a corrente continua consuma una corrente di 2 A da una sorgente con una tensione di 24 V. Qual è la potenza meccanica del motore se la resistenza del suo avvolgimento è di 3 ohm? Qual è il suo KPD?

Determinare la direzione della corrente nel conduttore, la cui sezione trasversale e il campo magnetico sono mostrati nella Figura 1.

3. Che direzione ha la corrente nel conduttore, la cui direzione delle linee del campo magnetico è indicata dalle frecce (Fig. 3)?

5. Nella direzione delle linee di forza magnetiche mostrate nella Figura 5, determinare la direzione della corrente circolare nell'anello.

Sorgono onde elettromagnetiche: A. Quando le cariche elettriche si muovono a velocità costante. B. Con movimento accelerato di elettrico

B. Intorno alle cariche fisse.

G. Intorno a un conduttore fisso attraverso il quale passa una corrente elettrica continua.

D. Intorno a una piastra metallica carica fissa

1. La corrente elettrica si chiama... A). il movimento degli elettroni. B). movimento ordinato delle particelle cariche. B). movimento ordinato degli elettroni. 2.

Per creare una corrente elettrica in un conduttore, è necessario... A). creare un campo elettrico al suo interno. B). creare cariche elettriche al suo interno. B). separare le cariche elettriche in esso. 3. Quali particelle creano una corrente elettrica nei metalli? UN). Elettroni liberi. B). ioni positivi. B). ioni negativi. ^ 4. Quale azione della corrente viene utilizzata nei galvanometri? R. Termico. B. Chimico. B. Magnetico. 5. La forza attuale nel circuito di una stufa elettrica è 1,4 A. Quale carica elettrica passa attraverso la sezione trasversale della sua spirale in 20 minuti? UN). 3200 cl. B). classe 1680 B). 500 cl. ^ 6. In quale schema (Fig. 1) l'amperometro è collegato correttamente al circuito? MA). 1.B). 2.B). 3. 7. Quando una carica elettrica pari a 6 C passa attraverso il conduttore, viene eseguito un lavoro di 660 J. Qual è la tensione ai capi di questo conduttore? MA). 110 V.B). 220 V.V). 330V. ^ 8. In quale schema (Fig. 2) il voltmetro è collegato correttamente al circuito? MA). 1.B). 2. 9. Due spire di filo di rame della stessa sezione hanno rispettivamente una lunghezza di 50 e 150 m, quale di esse ha più resistenza e quante volte? MA). Il primo è 3 volte. B). Il secondo è 3 volte. ^ 10. Qual è l'intensità della corrente che passa attraverso un filo di nichel lungo 25 cm e con una sezione trasversale di 0,1 mm2 se la tensione alle sue estremità è 6 V? MA). 2 A.B). 10 A.B). 6 A

1. In quali unità viene misurata l'intensità della corrente elettrica? R. Ohm; BJ; WW; G.A.

2. Quali azioni si manifestano sempre quando una corrente elettrica passa attraverso qualsiasi mezzo?

MA. Termico; B. Magnetico; A. chimica; G. Luce.

4. Determina la tensione sotto la quale si trova la lampadina, se quando si sposta una carica di 10 C, si lavora a 2200 J.

5. Determinare la resistenza della sezione AB nel circuito mostrato in figura.

6. Calcola la resistenza di un filo di nichelcromo con una lunghezza di 150 m e un'area della sezione trasversale di 0,2 mm2.

7. Un conduttore di rame con una sezione trasversale di 3,5 mm2 e una lunghezza di 14,2 m trasporta una corrente di 2,25 A. Determinare la tensione alle estremità di questo conduttore.

8. Quanti elettroni passano attraverso la sezione trasversale del conduttore in 35 s con una forza di corrente di 16 A in esso?

9. Determinare la massa di un filo di ferro con un'area della sezione trasversale di ​​2 mm2, presa per realizzare un resistore con una resistenza di 6 ohm.