Elektrochemiczne uzdatnianie wody. Elektroliza

Gdy przez elektrolit przepływa stały prąd elektryczny, na elektrodach zachodzą reakcje chemiczne. Proces ten nazywa się elektrolizą, co oznacza rozkład (substancji) za pomocą elektryczności.

w sek. 8.1 wskazano, że elektrolit jest taką cieczą, że gdy przepływa przez nią prąd elektryczny, zachodzi reakcja chemiczna. Elektrolitem może być stopiona sól, taka jak bromek ołowiu (H), lub wodny roztwór jakiegoś kwasu, zasady lub soli.

Prąd elektryczny jest dostarczany do elektrolitu za pomocą elektrod - przewodników drucianych, metalowych prętów lub płytek, które stykają się elektrycznie z elektrolitem. Elektroda naładowana ujemnie to katoda, a elektroda dodatnia to anoda. Elektrody, które nie wchodzą w reakcje chemiczne w kontakcie z elektrolitami i gdy przepływa przez nie prąd elektryczny, nazywane są elektrodami obojętnymi. Elektrody obojętne obejmują grafit i platynę.

JONOWA TEORIA ELEKTROLIZY

Zgodnie z tą teorią przepływ prądu stałego przez elektrolit odbywa się za pomocą jonów. Na elektrodach elektrony są przenoszone do lub z jonów. Dlatego procesy zachodzące na elektrodach można uznać za półreakcje redukujące lub utleniające. Zatem elektroliza jest procesem redoks.

Półreakcja utleniania zachodzi zawsze na anodzie. W tej reakcji aniony tracą elektrony i są rozładowywane, zamieniając się w neutralne cząstki. Dlatego anoda działa jak pochłaniacz elektronów z anionów.

Połówkowa reakcja redukcji zawsze zachodzi na katodzie. Tutaj kationy pozyskują elektrony i rozładowują się, zamieniając się w neutralne cząstki. Dlatego katoda działa jako źródło elektronów dla kationów.

Elektroliza stopionego bromku ołowiu (H) składa się z dwóch półreakcji:

1) jony bromkowe są rozładowywane na anodzie. (Równanie dla tej połowicznej reakcji ma

2Вg-(l.) \u003d Vg2 (g.) + 2e-

Ta połowiczna reakcja to utlenianie.)

2) jony ołowiu są wyładowywane na katodzie. (Równanie dla tej połowicznej reakcji to:

Pb2+(ciało stałe) + 2e- = Pb(l.)

Ta połowiczna reakcja jest redukcją).

Należy zauważyć, że reakcje zachodzące na anodzie i katodzie w każdym poszczególnym układzie są z góry określone przez polaryzację źródła prądu w zewnętrznym obwodzie elektrycznym. Biegun ujemny zewnętrznego źródła prądu (akumulatora) dostarcza elektrony do jednej z elektrod ogniwa elektrolitycznego. Powoduje to ujemny ładunek tej elektrody. Staje się katodą. Ponieważ ta elektroda jest naładowana ujemnie, to z kolei powoduje reakcję elektrodową, w której elektrony są zużywane. Tak więc proces odzyskiwania jest przeprowadzany na tej elektrodzie. Na drugiej elektrodzie elektrony przepływają z ogniwa elektrolitycznego z powrotem do obwodu zewnętrznego, czyniąc tę ​​elektrodę elektrodą dodatnią. Tak więc ta elektroda pełni rolę anody. Ze względu na swój dodatni ładunek zachodzi na nim reakcja, której towarzyszy uwolnienie elektronów, czyli utlenianie.

Schematyczne przedstawienie całego procesu elektrolizy pokazano na ryc. 10.6.

Powstanie substancji nierozpuszczalnej w wyniku reakcji chemicznej jest tylko jednym z warunków uzyskania roztworu koloidalnego. Innym równie ważnym warunkiem jest nierówność materiałów wyjściowych branych do reakcji. Konsekwencją tej nierówności jest ograniczenie wzrostu wielkości cząstek w roztworach koloidalnych, co prowadziłoby do powstania układu grubo zdyspergowanego.

Rozważmy mechanizm powstawania cząstki koloidalnej na przykładzie tworzenia zolu jodku srebra, który otrzymuje się w wyniku interakcji rozcieńczonych roztworów azotanu srebra i jodku potasu.

AgNO 3 + KI \u003d AgI + KNO 3

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

Nierozpuszczalne obojętne cząsteczki jodku srebra tworzą rdzeń cząsteczki koloidalnej.

Na początku cząsteczki te łączą się w nieuporządkowany sposób, tworząc amorficzną, luźną strukturę, która stopniowo przechodzi w wysoce uporządkowaną krystaliczną strukturę rdzenia. W rozważanym przykładzie rdzeń jest kryształem jodku srebra, składającym się z dużej liczby (m) cząsteczek AgI:

m - rdzeń cząstki koloidalnej

Na powierzchni rdzenia zachodzi proces adsorpcji. Zgodnie z regułą Pieskowa-Fajana, jony wchodzące w skład rdzenia cząstki są adsorbowane na powierzchni jąder cząstek koloidalnych, tj. jony srebra (Ag +) lub jony jodu (I -) są adsorbowane. Z tych dwóch rodzajów jonów te, które są w nadmiarze, są adsorbowane.

Jeśli więc otrzymamy roztwór koloidalny w nadmiarze jodku potasu, to jony jodu będą adsorbowane na cząsteczkach (jądrach), które uzupełniają sieć krystaliczną jądra, naturalnie i trwale wchodząc w jego strukturę. W tym przypadku powstaje warstwa adsorpcyjna, która nadaje jądru ładunek ujemny:

Jony zaadsorbowane na powierzchni jądra, nadające mu odpowiedni ładunek, nazywane są jonami tworzącymi potencjał.

W tym samym czasie w roztworze znajdują się również przeciwnie naładowane jony, nazywane są one przeciwjony. W naszym przypadku są to jony potasu (K +), które są przyciągane elektrostatycznie do naładowanego jądra (wartość ładunku może osiągnąć Ic). Część przeciwjonów K+ jest silnie związana siłami elektrycznymi i adsorpcyjnymi i wchodzi do warstwy adsorpcyjnej. Rdzeń z utworzoną na nim podwójną warstwą adsorpcyjną jonów nazywany jest granulatem.

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

Pozostała część przeciwjonów (oznaczmy je liczbą „x K +”) tworzy rozproszoną warstwę jonów.

Rdzeń z warstwami adsorpcyjnymi i dyfuzyjnymi nazywany jest micelą. :

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

Kiedy stały prąd elektryczny przepływa przez roztwór koloidalny, granulki i przeciwjony będą przesuwać się odpowiednio w kierunku przeciwnie naładowanych elektrod.

Ważna jest obecność takiego samego ładunku na powierzchni cząstek zolu. czynnikiem wpływającym na jego trwałość.Ładunek zapobiega przywieraniu i powiększaniu się cząstek. W stabilnym układzie dyspersyjnym cząstki są utrzymywane w zawiesinie, tj. nie następuje wytrącenie substancji koloidalnej. Ta właściwość zoli nazywa się kineti chwiejna stabilność.

Strukturę miceli zolu jodku srebra otrzymanego w nadmiarze AgNO 3 przedstawiono na rys. 3. 1a, ponad KCI - 1b .

Ryc.1.5. Struktura miceli zolu jodku srebra otrzymanego w nadmiarze:

a) azotan srebra; b) chlorek potasu.

Elektroliza- proces redoks, który zachodzi na elektrodach, gdy przez roztwór lub stop elektrolitu przepływa bezpośredni prąd elektryczny. W elektrolizerze energia elektryczna jest przekształcana w energię reakcji chemicznej.

katoda (-) – elektroda ujemna, na której zachodzi redukcja podczas elektrolizy.

Anoda (+) – elektroda dodatnia, na której zachodzi utlenianie podczas elektrolizy.

W przeciwieństwie do elektrolizy, w ogniwie galwanicznym redukcja zachodzi na dodatnio naładowanej katodzie, a utlenianie na ujemnie naładowanej anodzie.

W elektrolizie można stosować obojętne (nierozpuszczalne) i aktywne (zużywające się) anody. Aktywna anoda, utleniając się, wysyła własne jony do roztworu. Obojętna anoda jest tylko przekaźnikiem elektronów i nie zmienia się chemicznie. Grafit, platyna i iryd są zwykle używane jako elektrody obojętne.

Podczas elektrolizy stopionych i roztworów elektrolitów jony powstałe podczas ich dysocjacji (pod wpływem temperatury lub wody) - kationy (Kt n +) i aniony (An m -) przemieszczają się odpowiednio do katody (-) i anody (+). Następnie na elektrodach elektrony są przenoszone z katody na kation, a aniony oddają elektrony na anodę.

Ilościowo elektrolizę opisują dwa prawa Faradaya.

I Prawo Faradaya: masa substancji uwolnionej podczas elektrolizy jest proporcjonalna do ilości energii elektrycznej, która przeszła przez elektrolizer:

m = k I∙τ = k∙Q ,

gdzie I– siła prądu; τ – czas przepływu prądu; Q = I∙τ- ilość energii elektrycznej; k- współczynnik proporcjonalności, którego wartość zależy od wybranego układu jednostek (jeśli Q= 1 C, w takim razie m = k).

Nazywa się masę substancji uwolnionej podczas przepływu 1 C prądu ekwiwalent elektrochemiczny.

II Prawo Faradaya: przy tej samej ilości energii elektrycznej przepuszczonej przez elektrolit liczba gramorównoważników produktów elektrolizy jest taka sama.

Aby uwolnić jeden ekwiwalent dowolnej substancji na elektrodzie, konieczne jest wydanie takiej samej ilości energii elektrycznej, równej Stała Faradaya F= 96485 C/mol. Rzeczywiście, jeden odpowiednik substancji zawiera NA = 6,02322∙10 23 cząstek, a aby przywrócić taką liczbę pojedynczo naładowanych jonów na katodzie, należy wydać ilość energii elektrycznej:

F = NIE ZA∙ ē = 6,02322∙10 23 cząstek/mol ∙ 1,6021∙10 –19 C = 96485 C/mol,

gdzie jest ładunek elektronu ē = 1.6021∙10 –19 kl.

Uogólniając oba prawa Faradaya, można je zapisać.

Elektroaktywowane roztwory wodne - katolity i anolity mogą być stosowane w rolnictwie, do zwiększania produktywności roślin, w hodowli zwierząt, medycynie, do dezynfekcji wody oraz do celów gospodarczych. Elektrochemiczne uzdatnianie wody obejmuje kilka procesów elektrochemicznych związanych z przenoszeniem elektronów, jonów i innych cząstek w stałym polu elektrycznym (elektroliza, elektroforeza, elektroflotacja, elektrokoagulacja), z których głównym jest elektroliza wody. Ten artykuł wprowadza czytelnika w główne procesy leżące u podstaw elektrolizy wody.

Wstęp

Zjawisko elektrochemicznej aktywacji wody (EAW) jest połączeniem elektrochemicznych i elektrofizycznych oddziaływań na wodę w podwójnej warstwie elektrycznej (DEL) elektrod (anody i katody) podczas nierównowagowego przenoszenia ładunku przez DEL przez elektrony oraz w warunkach intensywne rozproszenie w cieczy powstałych gazowych produktów reakcji elektrochemicznych. Proces ECA obejmuje cztery główne procesy:

- elektrolityczny rozkład wody (elektroliza) w wyniku reakcji redoks na elektrodach, wywołanych zewnętrznym stałym polem elektrycznym;

- elektroforeza - ruch w polu elektrycznym cząstek i jonów naładowanych dodatnio do katody oraz cząstek i jonów naładowanych ujemnie do anody;

- elektroflotacja - tworzenie się kłaczków i agregatów gazowych składających się z drobno rozproszonych pęcherzyków gazu (wodór na katodzie i tlen na anodzie) oraz grubo rozproszonych zanieczyszczeń wodnych;

- elektrokoagulacja - tworzenie koloidalnych agregatów cząstek wytrąconej fazy rozproszonej w wyniku procesu anodowego rozpuszczania metalu i powstawania kationów metali Al 3+ , Fe 2+ , Fe 3+ pod wpływem stałego pola elektrycznego .

W wyniku uzdatniania wody prądem stałym, przy potencjałach równych lub przekraczających potencjał rozkładu wody (1,25 V), woda przechodzi w stan metastabilny, charakteryzujący się nieprawidłowymi wartościami aktywności elektronowej i innych parametrów fizyko-chemicznych (pH , Eh, ORP, przewodnictwo elektryczne). Przepływowi stałego prądu elektrycznego przez objętość wody towarzyszą procesy elektrochemiczne, w wyniku których zachodzą reakcje redoks, prowadzące do zniszczenia (zniszczenia) zanieczyszczenia wody, koagulacji koloidów, flokulacji gruboziarnistych zanieczyszczeń i ich późniejszej flotacji .

Zjawisko elektrochemicznej aktywacji wody jest połączeniem elektrochemicznych i elektrofizycznych oddziaływań na wodę w podwójnej warstwie elektrycznej elektrod podczas nierównowagowego przenoszenia ładunku.

Oczyszczanie elektrochemiczne stosuje się do klarowania i odbarwiania wód naturalnych, ich zmiękczania, oczyszczania z metali ciężkich (Cu, Co, Cd, Pb, Hg), chloru, fluoru i ich pochodnych, do oczyszczania ścieków zawierających produkty ropopochodne, organiczne i chloroorganiczne związki chemiczne, barwniki, środki powierzchniowo czynne, fenol. Zaletą elektrochemicznego oczyszczania wody jest to, że pozwala na regulację wartości pH oraz potencjału redoks Eh, który określa możliwość różnych procesów chemicznych w wodzie; zwiększa aktywność enzymatyczną osadu czynnego w zbiornikach napowietrzających; zmniejsza rezystywność i poprawia warunki koagulacji i sedymentacji osadów organicznych.

W 1985 roku EXHAV został oficjalnie uznany za nową klasę zjawisk fizycznych i chemicznych. Rozporządzenie Rządu Federacji Rosyjskiej z dnia 15 stycznia 1998 r. Nr VCh-P1201044 wydało zalecenia dla ministerstw i resortów stosowania tej technologii w medycynie, rolnictwie i przemyśle.

elektroliza wody

Głównym etapem elektrochemicznego uzdatniania wody jest elektroliza wody. Gdy przez wodę przepływa stały prąd elektryczny, wprowadzaniu elektronów do wody na katodzie, jak również usuwaniu elektronów z wody na anodzie, towarzyszy szereg reakcji redoks na powierzchniach katody i anoda. W rezultacie powstają nowe substancje, zmienia się system oddziaływań międzycząsteczkowych, skład wody, w tym struktura wody. Typowa instalacja do elektrochemicznego uzdatniania wody składa się ze stacji uzdatniania wody 1, elektrolizera 2 oraz stacji uzdatniania wody 3 po uzdatnianiu elektrochemicznym (rys. 1).

W niektórych elektrochemicznych stacjach uzdatniania wody zapewnione jest wstępne mechaniczne oczyszczanie wody, co zmniejsza ryzyko zatykania się elektrolizera gruboziarnistymi zanieczyszczeniami o dużym oporze hydraulicznym. Blok do mechanicznego oczyszczania wody jest konieczny, jeśli w wyniku obróbki elektrochemicznej woda jest nasycona grubymi zanieczyszczeniami, na przykład płatkami wodorotlenków metali (Al (OH) 3, Fe (OH) 3, Mg (OH) 2) po elektrokoagulacji. Głównym elementem instalacji jest elektrolizer, składający się z jednego lub kilku ogniw elektrolizy (rys. 2).

Ogniwo elektrolityczne składa się z dwóch elektrod - dodatnio naładowanej anody i ujemnie naładowanej katody, podłączonych do różnych biegunów źródła prądu stałego. Przestrzeń międzyelektrodowa wypełniona jest wodą, która jest elektrolitem zdolnym do przewodzenia prądu elektrycznego. W wyniku działania urządzenia następuje przeniesienie ładunków elektrycznych przez warstwę wody - elektroforeza, czyli migracja cząstek polarnych, nośników ładunku - jonów, na elektrody o przeciwnym znaku.

Gdy przez wodę przepływa stały prąd elektryczny, wprowadzaniu elektronów do wody na katodzie, jak również usuwaniu elektronów z wody na anodzie, towarzyszy szereg reakcji redoks na powierzchniach katody i anoda.

W tym przypadku ujemnie naładowane aniony przemieszczają się do anody, a dodatnio naładowane kationy do katody. Na elektrodach naładowane jony tracą ładunek, depolaryzują, zamieniając się w produkty rozpadu. Oprócz jonów naładowanych w elektroforezie uczestniczą cząstki polarne o różnej dyspersji, w tym cząstki gruboziarniste (cząstki zemulgowane, pęcherzyki gazu itp.), ale główną rolę w przenoszeniu ładunków elektrochemicznych odgrywają jony naładowane o największej ruchliwości. Cząsteczki polarne obejmują cząstki polarne spośród zanieczyszczeń wody i cząsteczki wody, co tłumaczy się ich specjalną budową.

Centralny atom tlenu, który jest częścią cząsteczki wody, która ma większą elektroujemność niż atomy wodoru, przyciąga elektrony do siebie, nadając cząsteczce asymetrię. W rezultacie następuje redystrybucja gęstości elektronowej: cząsteczka wody zostaje spolaryzowana, przyjmując właściwości dipola elektrycznego o momencie dipolowym 1,85 D (Debye'a), z dodatnimi i ujemnymi ładunkami na biegunach (ryc. 3).

Produktami reakcji elektrodowych są zobojętnione zanieczyszczenia wodne, gazowy wodór i tlen powstające podczas elektrolitycznej destrukcji cząsteczek wody, kationy metali (Al 3+, Fe 2+ , Fe 3+) w przypadku zastosowania anod metalowych wykonanych z aluminium i stali , chlor cząsteczkowy itp. W tym przypadku na katodzie generowany jest gazowy wodór, a na anodzie tlen. Skład wody zawiera pewną ilość jonu hydroniowego H 3 O +, który depolaryzuje na powierzchni katody z utworzeniem wodoru atomowego H:

H 3 O + + mi - → H + H 2 O.

W środowisku alkalicznym H 3 O + jest nieobecny, ale cząsteczki wody ulegają zniszczeniu, czemu towarzyszy tworzenie atomowego wodoru H - i wodorotlenku OH -:

H 2 O + e - → H + OH -.

Reaktywne atomy wodoru są adsorbowane na powierzchniach katod i po rekombinacji tworzą wodór cząsteczkowy H 2 , który jest uwalniany z wody w postaci gazowej:

H + H → H 2.

W tym samym czasie na anodach uwalniany jest tlen atomowy. W środowisku kwaśnym procesowi temu towarzyszy niszczenie cząsteczek wody:

2H2O - 4e - → O2 + 4H +.

W środowisku alkalicznym jony wodorotlenkowe OH zawsze służą jako źródło tworzenia tlenu, poruszając się pod działaniem elektroforezy na elektrodach, od katody do anody:

4 OH - → O 2 + 2 H 2 O + 4 e -.

Normalne potencjały redoks tych reakcji wynoszą odpowiednio +1,23 i +0,403 V, ale proces przebiega w warunkach

przepięcie. Ogniwo elektrolityczne można uznać za generator powyższych produktów, z których część, wchodząc w interakcje chemiczne ze sobą oraz z zanieczyszczeniami wody w przestrzeni międzyelektrodowej, zapewnia dodatkowe chemiczne oczyszczanie wody (elektroflotacja, elektrokoagulacja). Te wtórne procesy nie zachodzą na powierzchni elektrod, ale w objętości wody. Dlatego w przeciwieństwie do procesów elektrodowych są one określane jako wolumetryczne. Są inicjowane przez wzrost temperatury wody podczas elektrolizy i wzrost pH podczas katodowego niszczenia cząsteczek wody.

Rozróżnij utlenianie katodowe i anodowe. Podczas utleniania katodowego molekuły substancji organicznych, zaabsorbowane na katodach, przyjmują wolne elektrony, zostają przywrócone, przekształcając się w związki niebędące zanieczyszczeniami. W niektórych przypadkach proces odzyskiwania odbywa się w jednym etapie:

R + H + + e - → RH, gdzie R oznacza związek organiczny; RH jest uwodnioną postacią związku i nie jest zanieczyszczeniem.

W innych przypadkach redukcja katodowa przebiega dwuetapowo: w pierwszym etapie (I) cząsteczka organiczna jest przekształcana w anion, w drugim (II) anion jest hydratowany poprzez oddziaływanie z protonem wody:

R + mi - → R - , (ja) R - + H + → PR. (II)

Rozróżnij utlenianie katodowe i anodowe. Podczas utleniania katodowego cząsteczki substancji organicznych, sorbowane na katodach, przyjmują wolne elektrony i ulegają redukcji.

Katody wykonane z materiałów wymagających wysokiego przepięcia (ołów, kadm) pozwalają, kosztem energii elektrycznej, niszczyć cząsteczki organiczne i generować reaktywne wolne rodniki - cząstki, które mają wolne niesparowane elektrony (Cl*, O*, OH*) w zewnętrzne orbity atomów lub cząsteczek, NO*2 itp.). Ta ostatnia okoliczność nadaje wolnym rodnikom właściwość reaktywności, to znaczy zdolność do wchodzenia w reakcje chemiczne z wodnymi zanieczyszczeniami i ich niszczenia.

PR → R + H + + mi - .

Anodowe utlenianie związków organicznych często prowadzi do powstania wolnych rodników, których dalsze przemiany determinowane są przez ich reaktywność. Procesy utleniania anodowego są wieloetapowe i przebiegają z powstawaniem produktów pośrednich. Utlenianie anodowe zmniejsza stabilność chemiczną związków organicznych i ułatwia ich późniejszą degradację podczas procesów masowych.

W wolumetrycznych procesach utleniania szczególną rolę odgrywają produkty elektrolizy wody - tlen (O 2), nadtlenek wodoru (H 2 O 2) i związki chloru zawierające tlen (HClO). W procesie elektrolizy powstaje niezwykle reaktywny związek - H 2 O 2, którego tworzenie cząsteczek zachodzi z powodu rodników hydroksylowych (OH *), które są produktami wyładowania jonów hydroksylowych (OH-) na anodzie :

2OH - → 2OH* → H 2 O 2 + 2e -, gdzie OH* oznacza rodnik hydroksylowy.

Reakcje oddziaływania substancji organicznych z utleniaczami przebiegają przez określony czas, którego czas trwania zależy od wartości potencjału redoks pierwiastka i stężenia reagujących substancji. Wraz ze spadkiem stężenia zanieczyszczenia i spadkiem stężenia zanieczyszczenia proces utleniania maleje.

Szybkość procesu utleniania podczas obróbki elektrochemicznej zależy od temperatury uzdatnianej wody oraz pH. W procesie utleniania związków organicznych powstają produkty pośrednie różniące się od wyjściowego zarówno odpornością na dalsze przemiany, jak i wskaźnikami toksyczności.

Źródłem aktywnego chloru i jego związków zawierających tlen powstających w elektrolizerze są chlorki w uzdatnianej wodzie oraz chlorek sodu (NaCl), który jest wprowadzany do uzdatnianej wody przed elektrolizą. W wyniku anodowego utleniania anionów Cl– powstaje gazowy chlor Cl 2 . W zależności od pH wody albo hydrolizuje tworząc kwas podchlorawy HOCl albo tworzy jony podchlorynowe ClO - . Równowaga reakcji zależy od wartości pH.

Przy pH = 4-5 cały chlor występuje w postaci kwasu podchlorawego (HClO), a przy pH = 7 połowa chloru występuje w postaci jonu podchlorynowego (OCl -), a połowa w postaci kwasu podchlorawego (HClO) (rys. 4). Mechanizm oddziaływania jonu podchlorynowego (ClO -) z substancją utlenioną opisuje równanie:

ClO - + A = C + Cl, gdzie A jest substancją ulegającą utlenieniu; C jest produktem utleniania.

Elektrochemicznemu utlenianiu związków organicznych podchlorynem (ClO -) towarzyszy wzrost potencjału redoks Eh, co świadczy o przewadze procesów utleniających. Wzrost Eh zależy od stosunku stężenia aktywnego chloru w przestrzeni międzyelektrodowej do zawartości zanieczyszczeń organicznych w wodzie. W miarę oczyszczania i zmniejszania ilości zanieczyszczeń wskaźnik ten wzrasta, co prowadzi do wzrostu Eh, ale potem wskaźnik ten stabilizuje się.

Ilość substancji, która reagowała na elektrodach podczas przepuszczania stałego prądu elektrycznego zgodnie z prawem Faradaya, jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu i czasu przetwarzania:

G = AI cur τ, (1)

gdzie A jest elektrochemicznym równoważnikiem pierwiastka, g/(A⋅h); I cur - aktualna siła, A; τ to czas przetwarzania, h. Równoważnik elektrochemiczny pierwiastka określa wzór:

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

gdzie M jest masą atomową pierwiastka, g; z jest jego wartościowością. Wartości elektrochemicznych równoważników niektórych pierwiastków podano w tabeli. jeden.

Rzeczywista ilość substancji wytwarzanej podczas elektrolizy jest mniejsza niż teoretyczna, obliczona ze wzoru (1), ponieważ część energii elektrycznej jest zużywana na ogrzewanie wody i elektrod. Dlatego w obliczeniach uwzględnia się aktualny współczynnik wykorzystania η< 1, величина которого определяется экспериментально.

Podczas procesów elektrodowych następuje wymiana naładowanych cząstek i jonów pomiędzy elektrodą a elektrolitem - wodą. W tym celu w ustalonych warunkach równowagi konieczne jest wytworzenie potencjału elektrycznego, którego minimalna wartość zależy od rodzaju reakcji redoks oraz od temperatury wody o temperaturze 25°C (tab. 2).

Główne parametry elektrolizy wody to siła i gęstość prądu, napięcie w ogniwie elektrodowym oraz prędkość i czas przebywania wody między elektrodami.

Napięcia generowane w ogniwie elektrodowym muszą być wystarczające do zajścia reakcji redoks na elektrodach. Wartość napięcia zależy od składu jonowego wody, obecności zanieczyszczeń w wodzie, na przykład środków powierzchniowo czynnych, gęstości prądu (jego siły na jednostkę powierzchni elektrody), materiału elektrody itp. Inne rzeczy są równe, zadanie Wybór materiału elektrody polega na zapewnieniu, że dla przejścia reakcji regeneracji oksydacyjnej na elektrodach wymagane napięcie było minimalne, ponieważ zmniejsza to koszt energii elektrycznej.

Niektóre reakcje redoks konkurują ze sobą – zachodzą jednocześnie i wzajemnie się hamują. Ich przepływem można sterować zmieniając napięcie w ogniwie elektrolitycznym. Tak więc normalny potencjał reakcji tworzenia tlenu cząsteczkowego wynosi +0,401 V lub +1,23 V; przy wzroście napięcia do +1,36 V (potencjał normalny dla reakcji tworzenia chloru cząsteczkowego) na anodzie uwolniony zostanie tylko tlen, a przy dalszym wzroście potencjału jednocześnie uwolniony zostanie zarówno tlen, jak i chlor, a chlor zostanie uwolniony z niewystarczającą intensywnością. Przy napięciu około 4-5 V wydzielanie tlenu praktycznie ustanie, a ogniwo elektrolityczne będzie generować tylko chlor.

Obliczanie głównych parametrów procesu elektrolizy wody

Głównymi parametrami elektrolizy wody są natężenie i gęstość prądu, napięcie w ogniwie elektrodowym oraz prędkość i czas przebywania wody w przestrzeni międzyelektrodowej.

Natężenie prądu Icur jest wartością wyznaczaną w zależności od wymaganej wydajności dla wytworzonego produktu [A], określa się wzorem:

Ikur=G/A tη , (3)

Wzór ten otrzymuje się przekształcając wzór (1) z uwzględnieniem aktualnego współczynnika wykorzystania η. Gęstość prądu to jego siła, związana z jednostkową powierzchnią elektrody [A / m2], na przykład anody, jest określana na podstawie następującego wyrażenia:

ja en = ja cur / F en, (4)

gdzie F an jest powierzchnią anody, m 2 . Decydujący wpływ na przebieg procesu elektrolizy ma gęstość prądu: to znaczy wraz ze wzrostem gęstości prądu procesy elektrodowe ulegają intensyfikacji i powierzchnia elektrod maleje, ale jednocześnie napięcie w ogniwie elektrolizy wzrasta, a co za tym idzie, cała energochłonność procesu. Zwiększony wzrost gęstości prądu intensyfikuje uwalnianie gazów elektrolizy, prowadząc do powstawania pęcherzyków i dyspersji nierozpuszczalnych produktów elektrycznego uzdatniania wody.

Wraz ze wzrostem gęstości prądu wzrasta również pasywacja elektrod, która polega na blokowaniu napływających elektronów przez osady powierzchniowe anody i katody, co zwiększa opór elektryczny w ogniwach elektrod i hamuje reakcje redoks zachodzące na elektrodach.

Pasywacja anod następuje w wyniku tworzenia się na ich powierzchni cienkich warstw tlenków, w wyniku sorpcji tlenu i innych składników na anodach, które z kolei absorbują cząsteczki zanieczyszczeń wodnych. Na katodach tworzą się głównie osady węglanowe, zwłaszcza w przypadku uzdatniania wody o podwyższonej twardości. Z tych powodów gęstość prądu podczas elektrolizy wody powinna być ustawiona na minimum w warunkach stabilnego zachodzenia niezbędnych reakcji redoks w trakcie procesu technologicznego.

Czas przebywania wody w przestrzeni międzyelektrodowej elektrolizera jest ograniczony czasem potrzebnym do wytworzenia wymaganej ilości produktów elektrolizy.

Napięcie w ogniwie elektrodowym [V] określa wzór:

V ja = ja en ΔK g / χ R , (5)

gdzie i an jest gęstością prądu, A/m2; D to odległość między elektrodami (szerokość kanału międzyelektrodowego), m; χ R to przewodność elektryczna wody, 1/(Ohm⋅m); K g - współczynnik wypełnienia przestrzeni międzyelektrodowej gazem, zwykle przyjmowany K g \u003d 1,05-1,2.

Wzór (5) nie uwzględnia rezystancji elektrycznych elektrody ze względu na ich małe wartości, jednak podczas pasywacji rezystancje te okazują się znaczące. Przyjmuje się, że szerokość kanału międzyelektrodowego jest minimalna (3-20 mm) zgodnie z warunkami niezatykania się zanieczyszczeniami.

Przewodność elektryczna właściwa wody χ R zależy od wielu czynników, wśród których najważniejsze to temperatura, pH, skład jonowy i stężenie jonów (rys. 5). Wraz ze wzrostem temperatury przewodność elektryczna χ R wzrasta, a napięcie maleje (ryc. 6). Minimalna wartość przewodności elektrycznej odpowiada pH = 7. Dodatkowo podczas procesu elektrolizy wzrasta temperatura i pH wody. Jeżeli pH > 7, to możemy spodziewać się spadku przewodnictwa elektrycznego wody χ R , a przy wartościach pH< 7 удельная электропроводность воды χ R , наоборот, возрастает (рис. 5).

Właściwa przewodność elektryczna wód naturalnych o średniej mineralizacji wynosi 0,001-0,005 1 / (Ohm⋅m), ścieków komunalnych 10-0,01 1 / (Ohm⋅m). Podczas elektrolizy przewodność elektryczna powinna mieścić się w zakresie 0,1-1,0 1 / (Ohm⋅m). Jeśli woda źródłowa ma niewystarczającą przewodność elektryczną, należy zwiększyć zasolenie (ryc. 7). Zwykle stosuje się do tego chlorek sodu (NaCl), którego dawki są ustalane doświadczalnie i najczęściej wynoszą 500-1500 mg/l (8-25 meq/l). Chlorek sodu jest nie tylko wygodny pod względem zastosowania i bezpieczeństwa (przechowywanie, przygotowywanie roztworów itp.), ale w obecności NaCl spowalnia pasywację elektrody. Dysocjując w wodzie, NaCl nasyca wodę anionami chloru Cl - i kationami sodu Na + . Jony chloru Cl - są małe i przenikając przez pasywujące osady do powierzchni anody niszczą te osady. W obecności innych anionów, zwłaszcza jonów siarczanowych (SO 2-4 ), depasywujący efekt jonów chlorkowych (Cl -) jest osłabiony. Stabilna praca ogniwa jest możliwa, jeżeli jony - Cl - stanowią co najmniej 30% ogólnej liczby anionów. W wyniku elektroforezy kationy sodowe Na + przemieszczają się do katod, na których powstają jony wodorotlenkowe OH - i oddziałując z tymi ostatnimi tworzą wodorotlenek sodu (NaOH), który rozpuszcza osady węglanowe na katodach.

Pobór mocy [W] ogniwa elektrolitycznego określony jest zależnością:

Zużycie N = η e I cur V e, (6)

gdzie η e jest wydajnością ogniwa, zwykle przyjmuje się, że η e = 0,7-0,8; I cur - aktualna siła, A; V e - napięcie na elektrolizerze, V.

Czas przebywania wody w przestrzeni międzyelektrodowej ogniwa jest ograniczony czasem potrzebnym do wytworzenia wymaganej ilości produktów elektrolizy oraz czasem trwania odpowiednich reakcji objętościowych i jest wyznaczany doświadczalnie.

Prędkość ruchu wody w przestrzeni międzyelektrodowej jest ustalana z uwzględnieniem warunków usuwania produktów elektrolizy i innych zanieczyszczeń z elektrolizera; ponadto mieszanie turbulentne zależy od prędkości ruchu wody, co wpływa na przebieg reakcji objętościowych. Podobnie jak czas przebywania wody, prędkość wody jest wybierana na podstawie danych eksperymentalnych.

Ciąg dalszy nastąpi.

1. Bakhir VM, Liakumovich A.G., Kirpichnikov PA, Spektor LE, Mamadzhanov UD Fizyczna natura zjawisk aktywacji substancji // Izv. Akademia Nauk Uzbeckiej SRR. Ser. technika. Nauk., nr 1/1983.

2. Kulsky LA Oczyszczanie wody metodą elektrokoagulacji / L.A. Kulsky, PP Strokach, V.A. Slipchenko i inni - Kijów: Budivelnik, 1978.

3. Lipowiecki Ja.M. Elektrochemiczne metody oczyszczania wód pitnych i ścieków / Ya.M. Lipowiecki, Ya.D. Rappoport - M .: TsBNTI z Minzhilkomkhoz RSFSR, 1985.

4. Kirpichnikov PA, Bakhir VM, Gamer PU, Dobrenkov GA, Liakumovich A.G., Fridman BS, Agadzhanyan S.I. O naturze elektrochemicznej aktywacji mediów // Dokl. Akademia Nauk ZSRR, nr 3/1986, t. 286.

5. Bakhir VM, Zadorozhnij Yu.G. Reaktory elektrochemiczne RPE. - M.: „Hyperoks”, 1991.

6. Jakowlew S.V. Technologia elektrochemicznego uzdatniania wody / S.V. Jakowlew, I.G. Krasnoborodko, V.M. Rogow. — L.: L.O. Strojizdat, 1987.

7. Bakhir VM Nowoczesne techniczne systemy elektrochemiczne do dezynfekcji, oczyszczania i aktywacji wody. — M.: VNIIIMT, 1999.

8. Bakhir VM, Zadorozhniy Yu.G., Leonov BI, Panicheva SA, Prilutsky VI. Aktywacja elektrochemiczna: oczyszczanie wody i otrzymywanie użytecznych roztworów. — M.: VNIIIMT, 2001.

9. Kulsky LA Podręcznik właściwości, metod analizy i oczyszczania wody. Część 1 / Los Angeles Kulsky, I.T. Goronowski, A.M. Koganowski i inni - Kijów: Naukova Dumka, 1980.

10. Medrish G.L. Dezynfekcja wód naturalnych i ścieków metodą elektrolizy / G.L. Medrish, AA Taisheva, DL Basen. — M.: Strojizdat, 1982.

11. Wołownik G.I. Teoretyczne podstawy oczyszczania wody / G.I. Volovnik, L.D. Terekchow. Część 1. - Chabarowsk: Wydawnictwo Dalekowschodniego Państwowego Uniwersytetu Inżynierii Kolejowej, 2000.

12. Bakhir VM aktywacja elektrochemiczna. Część 2. - M.: VNIIII miód. technologia, 1992.

13. Babtsova N.F., Komarow I.F. Doświadczenie w użytkowaniu urządzenia STEL na oddziale chirurgicznym / II Int. symp. „Elektr. aktywacja”, część 1. - M., 1999.

14. Leonov B.I., Prilutsky VI, Bakhir V.M. Fizykochemiczne aspekty działania biologicznego wody aktywowanej elektrochemicznie. — M.: VNIIIMT, 1999.

15. Bakhir VM Teoretyczne aspekty aktywacji elektrochemicznej / II Int. symp. „Elektr. aktywacja". Część 1. - M., 1999.

16. Toropkov V.V., Altshul E.B., Toropkova E.V. Charakterystyka toksykologiczna leku katolit / III Int. symp. „Elektr. aktywacja". - M., 2001.

17. Leonov BI, Bakhir VM, Vtorenko VI Aktywacja elektrochemiczna w medycynie praktycznej / II Int. symp. „Aktywacja elektrochemiczna”, część 1. - M., 1999.

18. Toropkow V.V. Altshul EB, Peresypkin O.I. Skuteczność farmakologiczna działania anolitów AN i ANK na błony śluzowe jamy ustnej / II Int. symp. „Elektr. aktywacja” // Postępowania, sprawozdania. i wiadomość Część 1. - M., 1999.

19. Prilutsky VI, Bakhir VM Woda aktywowana elektrochemicznie: właściwości anomalne, mechanizm działania biologicznego. — M.: VNIIIMT, 1997.

20. Paniczewa SA Nowe technologie dezynfekcji i sterylizacji złożonych wyrobów medycznych. — M.: VNIIIMT, 1998.

1. Co zaobserwowano w eksperymencie Oersteda?
a) Oddziaływanie dwóch równoległych przewodników z prądem.
b) Oddziaływanie dwóch igieł magnetycznych.
c) Obrót igły magnetycznej w pobliżu przewodnika, gdy przepływa przez niego prąd.
d) Występowanie prądu elektrycznego w cewce po umieszczeniu w niej magnesu.

2. W jaki sposób dwa równoległe przewodniki oddziałują na siebie, jeśli prądy płyną przez nie w tym samym kierunku?
a) przyciągają. b) Odpierać. c) Siła oddziaływania wynosi zero. d) Nie ma prawidłowej odpowiedzi.

3. Kiedy przez przewodnik przepływa stały prąd elektryczny, wokół niego powstaje pole magnetyczne. Wykrywa się je po położeniu opiłków stali na kartce papieru lub po obrocie igły magnetycznej znajdującej się w pobliżu przewodnika.Jak to pole magnetyczne może być przemieszczane w przestrzeni?
a) Przenoszenie opiłków stalowych. b) Poruszając magnesem. c) Przepływ przewodnika z prądem. d) Pole magnetyczne nie może zostać przesunięte.

4. Jak będą rozmieszczone igły magnetyczne umieszczone w punktach A i B wewnątrz cewki, gdy klucz K zostanie otwarty?
a) Biegun północny w tym samym stopniu po prawej stronie rysunku.
b) Ten sam biegun północny po lewej stronie rysunku.
c) Strzałki z biegunami północnymi skierowanymi do siebie.
d) Strzałki z biegunami południowymi skierowanymi do siebie.

5. Dlaczego urządzenie silników AC jest prostsze niż DC? Dlaczego silniki prądu stałego są używane w pojazdach?

6. Określ bieguny elektromagnesu.

7. Przedstaw pole magnetyczne prądów i określ kierunek linii pola magnetycznego.

8. Wyznacz kierunek siły działającej na przewodnik z prądem umieszczony w polu magnetycznym.

9. Masz trzy przedmioty - "urządzenia": drewniany klocek, dwa stalowe gwoździe, które nie przyciągają się do siebie, oraz magnes stały.
Trzy „czarne skrzynki” zawierają odpowiednio: magnes, dwa gwoździe i drewniany klocek. Jakich przyrządów iw jakiej kolejności najlepiej użyć, aby dowiedzieć się, co znajduje się w każdym z pudełek?

10. Silnik prądu stałego pobiera prąd o natężeniu 2 A ze źródła o napięciu 24 V. Jaka jest moc mechaniczna silnika, jeśli rezystancja jego uzwojenia wynosi 3 omy? Jaka jest jego K.P.D.?

Określ kierunek prądu w przewodniku, którego przekrój i pole magnetyczne pokazano na rysunku 1.

3. Jaki kierunek ma prąd w przewodniku, którego kierunek linii pola magnetycznego wskazują strzałki (ryc. 3)?

5. W kierunku linii sił magnetycznych pokazanych na rysunku 5 określ kierunek prądu kołowego w pierścieniu.

Fale elektromagnetyczne powstają: A. Gdy ładunki elektryczne poruszają się ze stałą prędkością. B. Z przyspieszonym ruchem elektrycznym

B. Wokół ładunków stacjonarnych.

G. Wokół nieruchomego przewodnika, przez który przepływa stały prąd elektryczny.

D. Wokół stałej, naładowanej metalowej płytki

1. Prąd elektryczny to... A). ruch elektronów. B). uporządkowany ruch cząstek naładowanych. B). uporządkowany ruch elektronów. 2.

Aby wytworzyć prąd elektryczny w przewodniku, konieczne jest... A). wytworzyć w nim pole elektryczne. B). wytworzyć w nim ładunki elektryczne. B). rozdzielić w nim ładunki elektryczne. 3. Jakie cząstki wytwarzają prąd elektryczny w metalach? A). Wolne elektrony. B). jony dodatnie. B). jony ujemne. ^ 4. Jakie działanie prądu jest stosowane w galwanometrach? A. Termiczny. B. Chemiczny. B. Magnetyczne. 5. Natężenie prądu w obwodzie kuchenki elektrycznej wynosi 1,4 A. Jaki ładunek elektryczny przechodzi przez przekrój jej spirali w ciągu 20 minut? A). 3200 kl. B). klasa 1680 B). 500 kl. ^ 6. Na którym schemacie (ryc. 1) amperomierz jest prawidłowo podłączony do obwodu? ALE). 1.B). 2.B). 3. 7. Gdy przez przewodnik przepływa ładunek elektryczny równy 6 C, wykonana jest praca 660 J. Jakie jest napięcie na końcach tego przewodnika? ALE). 110 V.B). 220 V V). 330V. ^ 8. Na którym schemacie (ryc. 2) woltomierz jest prawidłowo podłączony do obwodu? ALE). 1.B). 2. 9. Dwie cewki drutu miedzianego o tym samym przekroju mają odpowiednio długość 50 i 150 m. Która z nich ma większy opór i ile razy? ALE). Pierwszy to 3 razy. B). Drugi to 3 razy. ^ 10. Jakie jest natężenie prądu płynącego przez drut niklowy o długości 25 cm i przekroju 0,1 mm2, jeśli napięcie na jego końcach wynosi 6 V? ALE). 2 A.B). 10 A.B). 6 A

1. W jakich jednostkach mierzy się natężenie prądu elektrycznego? A. Om; BJ; W W; GA

2. Jakie działania są zawsze manifestowane, gdy prąd elektryczny przepływa przez dowolne medium?

ALE. Termiczny; B. Magnetyczny; W. Chemiczny; G.Światło.

4. Wyznacz napięcie, pod jakim znajduje się żarówka, jeśli przy przenoszeniu ładunku o temperaturze 10 C wykonuje się pracę 2200 J.

5. Wyznacz rezystancję odcinka AB w obwodzie pokazanym na rysunku.

6. Oblicz opór drutu nichromowego o długości 150 m i polu przekroju 0,2 mm2.

7. W miedzianym przewodniku o przekroju 3,5 mm2 i długości 14,2 m płynie prąd o natężeniu 2,25 A. Wyznacz napięcie na końcach tego przewodnika.

8. Ile elektronów przechodzi przez przekrój poprzeczny przewodnika w ciągu 35 s przy natężeniu prądu 16 A?

9. Wyznacz masę żelaznego drutu o polu przekroju 2 mm2, z którego wykonany jest rezystor o rezystancji 6 omów.