Tratarea electrochimică a apei. Electroliză

Când un curent electric continuu trece printr-un electrolit, la electrozi au loc reacții chimice. Acest proces se numește electroliză, ceea ce înseamnă descompunerea (a materiei) prin electricitate.

În Sect. 8.1 s-a indicat că un electrolit este un lichid care, atunci când trece un curent electric prin el, suferă o reacție chimică. Electrolitul poate fi o sare topită, cum ar fi bromura de plumb (H) topit, sau o soluție apoasă de acid, bază sau sare.

Curentul electric este furnizat electrolitului folosind electrozi - conductoare de sârmă, tije metalice sau plăci care fac contact electric cu electrolitul. Electrodul încărcat negativ este catodul, iar electrodul pozitiv este anodul. Electrozii care nu intră în reacții chimice la contactul cu electroliții și la trecerea curentului electric prin aceștia se numesc electrozi inerți. Electrozii inerți includ grafit și platină.

TEORIA IONICĂ A ELECTROLIZEI

Conform acestei teorii, trecerea curentului electric continuu prin electrolit se realizează cu ajutorul ionilor. La electrozi, electronii sunt transferați la sau de la ioni. Prin urmare, procesele care au loc pe electrozi pot fi considerate semireacții de reducere sau oxidare. Astfel, electroliza este un proces redox.

La anod are loc întotdeauna o semireacție oxidativă. În această reacție, anionii pierd electroni și sunt descărcați, transformându-se în particule neutre. Prin urmare, anodul acționează ca un absorbant pentru electronii din anioni.

La catod are loc întotdeauna o semireacție de reducere. Aici cationii dobândesc electroni și sunt descărcați, transformându-se în particule neutre. Prin urmare, catodul acționează ca o sursă de electroni pentru cationi.

Electroliza bromurii de plumb(H) topit constă în două semireacții:

1) ionii de bromură sunt descărcați la anod. (Ecuația pentru această semireacție este

2Br-(g.) = Br2(g.) + 2e-

Această semireacție este o oxidare.)

2) ionii de plumb sunt descărcați la catod. (Ecuația pentru această semireacție este:

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

Această semireacție este reducerea.)

Trebuie remarcat faptul că reacțiile care apar la anod și catod în fiecare sistem specific sunt predeterminate de polaritatea sursei de curent din circuitul electric extern. Borna negativă a sursei externe de curent (bateria) furnizează electroni unuia dintre electrozii celulei electrolitice. Acest lucru determină o sarcină negativă pe acest electrod. Devine catod. Deoarece acest electrod este încărcat negativ, la rândul său provoacă o reacție a electrodului în care electronii sunt consumați. Astfel, procesul de reducere are loc pe acest electrod. La celălalt electrod, electronii curg din celula electrolitică înapoi în circuitul extern, făcând din acel electrod un electrod pozitiv. Aceasta înseamnă că acest electrod joacă rolul unui anod. Datorită sarcinii sale pozitive, are loc o reacție asupra acestuia, care este însoțită de pierderea de electroni, adică de oxidare.

O reprezentare schematică a întregului proces de electroliză este prezentată în Fig. 10.6.

Formarea unei substanțe insolubile ca urmare a unei reacții chimice este doar una dintre condițiile pentru obținerea unei soluții coloidale. O altă condiție la fel de importantă este inegalitatea materiilor prime luate în reacție. Consecința acestei inegalități este limitarea creșterii dimensiunii particulelor în soluțiile coloidale, ceea ce ar duce la formarea unui sistem grosier dispersat.

Să luăm în considerare mecanismul de formare a unei particule coloidale folosind exemplul formării unui sol de iodură de argint, care este obținut prin interacțiunea soluțiilor diluate de azotat de argint și iodură de potasiu.

AgNO3 +KI = AgI + KNO3

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

Moleculele neutre de iodură de argint insolubile formează miezul particulei coloidale.

La început, aceste molecule se combină în dezordine pentru a forma o structură amorfă, liberă, care se dezvoltă treptat într-o structură de miez cristalină foarte ordonată. În exemplul pe care îl luăm în considerare, miezul este un cristal de iodură de argint, constând dintr-un număr mare (m) de molecule AgI:

m - miezul particulei coloidale

Pe suprafața miezului are loc un proces de adsorbție. Conform regulii Peskov-Fajans, ionii care formează miezul particulei sunt adsorbiți pe suprafața nucleelor ​​particulelor coloidale, adică. ionii de argint (Ag +) sau ionii de iod (I –) sunt adsorbiți. Dintre aceste două tipuri de ioni, cei care sunt în exces sunt adsorbiți.

Astfel, dacă obțineți o soluție coloidală în exces de iodură de potasiu, atunci ionii de iod vor fi adsorbiți pe particule (nuclee), care completează rețeaua cristalină a nucleului, intrând în mod natural și ferm în structura acestuia. În acest caz, se formează un strat de adsorbție, care conferă miezului o sarcină negativă:

Ionii care sunt adsorbiți pe suprafața nucleului, dându-i o sarcină corespunzătoare, se numesc ioni care formează potențial.

În același timp, există și ioni încărcați opus în soluție, se numesc contraionii.În cazul nostru, aceștia sunt ioni de potasiu (K +), care sunt atrași electrostatic de nucleul încărcat (valoarea încărcării poate ajunge la I in). Unii dintre contraionii K+ sunt legați ferm de forțele electrice și de adsorbție și intră în stratul de adsorbție. Miezul cu un strat dublu de adsorbție de ioni format pe el se numește granulă.

(m . nI – . (n-x) K + ) x – (structură granulară)

Partea rămasă a contraionilor (le notăm cu numărul „x K +”) formează un strat difuz de ioni.

Miezul cu adsorbție și straturi difuze se numește micelă :

(m . nI –. (n-x) K + ) x – . x K + (structura micelară)

Când un curent electric direct este trecut printr-o soluție coloidală, granulele și contraionii se vor deplasa către electrozii încărcați opus.

Prezența aceleiași sarcini pe suprafața particulelor de sol este importantă factor de stabilitate a acestuia.Încărcarea împiedică particulele să se lipească și să devină mai mari. Într-un sistem de dispersie stabil, particulele sunt menținute în suspensie, adică. Nu există precipitații de substanță coloidală. Această proprietate a solurilor se numește cinetică stabilitate chimică.

Structura micelilor de sol iodură de argint obținute în exces de AgNO3 este prezentată în Fig. 1a, în exces KCI - 1b .

Fig.1.5. Structura micelilor de sol iodură de argint obținute în exces:

a) azotat de argint; b) clorura de potasiu.

Electroliză- un proces redox care are loc la electrozi atunci când un curent electric continuu trece printr-o soluție sau un electrolit topit. Într-un electrolizor, energia electrică este transformată în energie de reacție chimică.

catod (–) – electrod negativ pe care are loc reducerea în timpul electrolizei.

Anod (+) – electrod pozitiv la care are loc oxidarea în timpul electrolizei.

Spre deosebire de electroliză, într-o celulă galvanică, reducerea are loc la catodul încărcat pozitiv, iar oxidarea are loc la anodul încărcat negativ.

În electroliză, pot fi utilizați anozi inerți (insolubili) și activi (consumabile). Anodul activ, atunci când este oxidat, trimite propriii ioni în soluție. Anodul inert este doar un transmițător de electroni și nu se modifică chimic. Grafitul, platina și iridiul sunt de obicei utilizați ca electrozi inerți.

În timpul electrolizei topiturii și soluțiilor de electroliți, ionii formați în timpul disocierii lor (sub influența temperaturii sau a apei) - cationii (Kt n +) și respectiv anionii (An m -) se deplasează către catod (–) și anod (+). Apoi, la electrozi, electronii sunt transferați de la catod la cation, iar anionii dau electroni anodului.

Cantitativ, electroliza este descrisă de cele două legi ale lui Faraday.

Prima lege a lui Faraday: Masa substanței eliberată în timpul electrolizei este proporțională cu cantitatea de electricitate care trece prin electrolizor:

m = k∙ eu∙τ = k∙Q ,

Unde eu– puterea curentului; τ – timpul de curgere a curentului; Q = I∙τ– cantitatea de energie electrică; k– coeficientul de proporționalitate, a cărui valoare depinde de sistemul de unități ales (dacă Q= 1 Kl, atunci m = k).

Masa de substanță eliberată în timpul trecerii a 1 C de electricitate se numește echivalent electrochimic.

Legea lui Faraday II: cu aceleași cantități de electricitate trecute prin electrolit, numărul de echivalenți gram ai produselor de electroliză este același.

Pentru a elibera un echivalent al oricărei substanțe pe electrod, este necesar să cheltuiți aceeași cantitate de electricitate egală cu constanta Faraday F= 96485 C/mol. Într-adevăr, un echivalent al unei substanțe conține N A = 6.02322∙10 23 de particule și pentru a restabili acest număr de ioni încărcați individual la catod, este necesar să consumați următoarea cantitate de electricitate:

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

unde este sarcina electronului ē = 1,6021∙10 –19 Cl.

Generalizând ambele legi lui Faraday, putem scrie:

Soluțiile de apă electroactivate - catoliții și anoliții pot fi folosiți în agricultură, pentru creșterea productivității plantelor, în creșterea animalelor, în medicină, pentru dezinfecția apei și în uz casnic. Tratarea electrochimică a apei include mai multe procese electrochimice asociate cu transferul de electroni, ioni și alte particule într-un câmp electric constant (electroliză, electroforeză, electroflotație, electrocoagulare), principala dintre acestea fiind electroliza apei. Acest articol prezintă cititorului procesele de bază care stau la baza electrolizei apei.

Introducere

Fenomenul de activare electrochimică a apei (ECAW) este o combinație de efecte electrochimice și electrofizice asupra apei în stratul dublu electric (EDL) al electrozilor (anod și catod) cu transfer de sarcină neechilibrat prin EDL de către electroni și în condiții de dispersie intensă. a produșilor gazoși rezultați ai reacțiilor electrochimice în lichid. În timpul procesului ECHA, au loc patru procese principale:

— descompunerea electrolitică a apei (electroliza) datorită reacțiilor redox la electrozi cauzate de un câmp electric extern constant;

- electroforeză - mișcarea într-un câmp electric a particulelor și ionilor încărcate pozitiv către catod și a particulelor și ionilor încărcate negativ către anod;

— electroflotația — formarea de floculi și agregate de gaze formate din bule de gaz fin dispersate (hidrogen la catod și oxigen la anod) și impurități grosiere de apă;

- electrocoagulare - formarea agregatelor coloidale de particule din faza dispersată depusă ca urmare a procesului de dizolvare anodică a metalului și de formare a cationilor metalici Al 3+, Fe 2+, Fe 3+ sub influența unui câmp electric constant .

Ca urmare a tratării apei cu curent electric continuu, la potențiale egale sau mai mari cu potențialul de descompunere al apei (1,25 V), apa trece într-o stare metastabilă, caracterizată prin valori anormale ale activității electronilor și alți parametri fizico-chimici (pH). , Eh, ORP, conductivitate electrică). Trecerea unui curent electric continuu printr-un volum de apă este însoțită de procese electrochimice, în urma cărora apar reacții redox, ducând la distrugerea (distrugerea) contaminanților apei, coagularea coloizilor, flocularea impurităților grosiere și flotarea ulterioară a acestora. .

Fenomenul de activare electrochimică a apei este o combinație de efecte electrochimice și electrofizice asupra apei într-un strat electric dublu de electrozi în timpul transferului de sarcină neechilibrat.

Tratamentul electrochimic este utilizat pentru limpezirea și decolorarea apelor naturale, dedurizarea acestora, purificarea de metale grele (Cu, Co, Cd, Pb, Hg), clor, fluor și derivații acestora, pentru epurarea apelor uzate care conțin produse petroliere, organice și organoclorurate. compuși, coloranți, surfactant, fenol. Avantajele epurării electrochimice a apei sunt că vă permite să ajustați valorile valorii pH-ului și ale potențialului redox E h, de care depinde posibilitatea diferitelor procese chimice în apă; crește activitatea enzimatică a nămolului activ din rezervoarele de aerare; reduce rezistivitatea și îmbunătățește condițiile de coagulare și sedimentare a sedimentelor organice.

În 1985, ECHA a fost recunoscută oficial ca o nouă clasă de fenomene fizico-chimice. Prin ordinul Guvernului Federației Ruse din 15 ianuarie 1998 nr. VCh-P1201044, au fost date recomandări ministerelor și departamentelor pentru utilizarea acestei tehnologii în medicină, agricultură și industrie.

Electroliza apei

Etapa principală a tratării electrochimice a apei este electroliza apei. Când un curent electric continuu este trecut prin apă, intrarea electronilor în apă la catod, precum și îndepărtarea electronilor din apă la anod, este însoțită de o serie de reacții redox pe suprafața catodului și anod. Ca urmare, se formează noi substanțe, sistemul de interacțiuni intermoleculare, compoziția apei, inclusiv structura apei, se modifică. O instalație tipică pentru tratarea electrochimică a apei constă dintr-o unitate de preparare a apei 1, un electrolizor 2, o unitate de tratare a apei după purificarea electrochimică 3 (Fig. 1).

Unele instalații pentru tratarea electrochimică a apei prevăd purificarea mecanică preliminară a apei, ceea ce reduce riscul de înfundare a celulei electrolitice cu impurități grosiere cu rezistență hidraulică ridicată. Un bloc pentru purificarea mecanică a apei este necesar dacă, în urma tratamentului electrochimic, apa este saturată cu impurități grosiere, de exemplu, fulgi de hidroxizi metalici (Al(OH) 3, Fe(OH) 3, Mg(OH) 2 ) după electrocoagulare. Elementul principal al instalației este un electrolizor, format din una sau mai multe celule de electroliză (Fig. 2).

O celulă de electroliză este formată din doi electrozi - un anod încărcat pozitiv și un catod încărcat negativ, conectați la diferiți poli ai unei surse de curent continuu. Spațiul interelectrod este umplut cu apă, care este un electrolit capabil să conducă curentul electric. Ca urmare a funcționării dispozitivului, sarcinile electrice sunt transferate printr-un strat de apă - electroforeză, adică migrarea particulelor polare, purtători de sarcină - ioni, către electrozi care au semnul opus.

Când un curent electric continuu este trecut prin apă, intrarea electronilor în apă la catod, precum și îndepărtarea electronilor din apă la anod, este însoțită de o serie de reacții redox pe suprafața catodului și anod.

În acest caz, anionii încărcați negativ se deplasează la anod, iar cationii încărcați pozitiv se deplasează la catod. La electrozi, ionii încărcați își pierd încărcătura, se depolarizează, transformându-se în produse de descompunere. Pe lângă ionii încărcați, la electroforeză participă particule polare din diferite dispersii, inclusiv particule grosiere (particule emulsionate, bule de gaz etc.), dar rolul principal în transferul sarcinilor electrochimice este jucat de ionii încărcați cu cea mai mare mobilitate. Particulele polare includ particule polare din impurități apoase și molecule de apă, ceea ce se explică prin structura lor specială.

Atomul central de oxigen, care face parte din molecula de apă, are o electronegativitate mai mare decât atomii de hidrogen, atrage electronii către sine, dând moleculei asimetrie. Ca urmare, are loc o redistribuire a densității electronilor: molecula de apă este polarizată, luând proprietățile unui dipol electric având un moment dipol de 1,85 D (Debye), cu sarcini pozitive și negative la poli (Fig. 3).

Produșii reacțiilor electrozilor sunt impurități apoase neutralizate, hidrogen și gaze oxigenate formate în timpul distrugerii electrolitice a moleculelor de apă, cationi metalici (Al 3+, Fe 2+, Fe 3+) în cazul utilizării anozilor metalici din aluminiu și oțel. , clor molecular etc. În acest caz, hidrogenul gazos este generat la catod, iar oxigenul la anod. Apa conține o anumită cantitate de ion hidroniu H 3 O +, care se depolarizează la suprafața catodului pentru a forma hidrogen atomic H:

H3O + + e - → H + H2O.

Într-un mediu alcalin, H 3 O + este absent, dar moleculele de apă sunt distruse, însoțite de formarea de hidrogen atomic H— și hidroxidionă OH -:

H2O + e - → H + OH - .

Atomii reactivi de hidrogen sunt adsorbiți pe suprafețele catodului și, după recombinare, formează hidrogen molecular H2, care este eliberat din apă sub formă gazoasă:

N + N → N 2.

În același timp, oxigenul atomic este eliberat la anozi. Într-un mediu acid, acest proces este însoțit de distrugerea moleculelor de apă:

2H20-4e-→O2+4H+.

Într-un mediu alcalin, sursa formării oxigenului este întotdeauna ionii de hidroxid OH -, care se deplasează sub acțiunea electroforezei asupra electrozilor, de la catod la anod:

4 OH - → O 2 + 2 H 2 O + 4 e - .

Potențialele redox normale ale acestor reacții sunt de +1,23 și, respectiv, +0,403 V, dar procesul are loc în condițiile unor

supratensiune. O celulă de electroliză poate fi considerată ca un generator al produselor menționate mai sus, dintre care unele, intrând în interacțiune chimică între ele și cu contaminanții apei în spațiul interelectrod, asigură purificarea chimică suplimentară a apei (electroflotație, electrocoagulare). Aceste procese secundare nu au loc pe suprafața electrozilor, ci în volumul de apă. Prin urmare, spre deosebire de procesele cu electrozi, acestea sunt desemnate volumetrice. Ele sunt inițiate de o creștere a temperaturii apei în timpul electrolizei și o creștere a pH-ului în timpul distrugerii catodice a moleculelor de apă.

Se face o distincție între oxidarea catodică și cea anodică. În timpul oxidării catodice, moleculele de substanțe organice, sorbite pe catozi, acceptă electroni liberi, se reduc, transformându-se în compuși care nu sunt poluanți. În unele cazuri, procesul de recuperare are loc într-o singură etapă:

R + H + + e - → RH, unde R este un compus organic; RH este forma hidratată a compusului și nu este un contaminant.

În alte cazuri, reducerea catodică are loc în două etape: în prima etapă (I), molecula organică este transformată într-un anion, în a doua (II), anionul este hidratat, interacționând cu un proton de apă:

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

Se face o distincție între oxidarea catodică și cea anodică. În timpul oxidării catodice, moleculele de substanțe organice, absorbite pe catozi, acceptă electroni liberi și sunt reduse.

Catozii din materiale care necesită supratensiune mare (plumb, cadmiu) fac posibilă, cu o mare cheltuială de energie electrică, distrugerea moleculelor organice și generarea de radicali liberi reactivi - particule care au electroni liberi nepereche în orbitele exterioare ale atomilor sau moleculelor (Cl *, O*, OH* , DAR*2 etc.). Această din urmă împrejurare conferă radicalilor liberi proprietatea de reactivitate, adică capacitatea de a intra în reacții chimice cu impurități apoase și de a le distruge.

RH → R + H + + e - .

Oxidarea anodică a compușilor organici duce adesea la formarea de radicali liberi, ale căror transformări ulterioare sunt determinate de reactivitatea lor. Procesele de oxidare anodică sunt în mai multe etape și apar odată cu formarea de produse intermediare. Oxidarea anodică reduce stabilitatea chimică a compușilor organici și facilitează distrugerea ulterioară a acestora în timpul proceselor în vrac.

În procesele oxidative volumetrice, un rol deosebit îl joacă produșii electrolizei apei - oxigenul (O 2), peroxidul de hidrogen (H 2 O 2) și compușii de clor care conțin oxigen (HClO). În timpul procesului de electroliză, se formează un compus extrem de reactiv - H 2 O 2, a cărui formare de molecule are loc datorită radicalilor hidroxil (OH*), care sunt produșii descărcării ionilor de hidroxil (OH-) la anod:

2OH - → 2OH* → H 2 O 2 + 2e - , unde OH* este radicalul hidroxil.

Reacțiile dintre substanțele organice și agenții oxidanți au loc într-o anumită perioadă de timp, a cărei durată depinde de valoarea potențialului redox al elementului și de concentrația substanțelor care reacţionează. Pe măsură ce concentrațiile de purificare și contaminanți scad, procesul de oxidare scade.

Viteza procesului de oxidare în timpul tratamentului electrochimic depinde de temperatura apei care este tratată și de pH. În timpul oxidării compușilor organici se formează produse intermediare care diferă de cel inițial atât prin rezistența la transformări ulterioare, cât și prin toxicitate.

Sursa de clor activ și compușii săi care conțin oxigen generați în electrolizor sunt clorurile găsite în apa tratată și clorura de sodiu (NaCl), care este introdusă în apa tratată înainte de electroliză. Ca rezultat al oxidării anodice a anionilor Cl—, se generează clor gazos Cl2. În funcție de pH-ul apei, fie se hidrolizează pentru a forma acid hipocloros HOCl, fie formează ioni de hipoclorit ClO - . Echilibrul reacției depinde de valoarea pH-ului.

La pH = 4-5, tot clorul este sub formă de acid hipocloros (HClO), iar la pH = 7, jumătate din clor este sub formă de ion hipoclorit (OCl -) și jumătate este sub formă de acid hipocloros (HClO) (Fig. 4). Mecanismul de interacțiune a ionului de hipoclorit (ClO -) cu substanța oxidată este descris de următoarea ecuație:

ClO - + A = C + Cl, unde A este substanța oxidabilă; C este un produs de oxidare.

Oxidarea electrochimică a compuşilor organici cu hipoclorition (ClO -) este însoţită de o creştere a potenţialului redox Eh, ceea ce indică predominarea proceselor oxidative. Creșterea Eh depinde de raportul dintre concentrația de clor activ din spațiul interelectrozi și conținutul de impurități organice din apă. Pe măsură ce cantitatea de poluare este curățată și cantitatea de poluare scade, acest raport crește, ceea ce duce la o creștere a Eh, dar apoi acest indicator se stabilizează.

Cantitatea de substanță care a reacționat pe electrozi la trecerea unui curent electric continuu conform legii lui Faraday este direct proporțională cu puterea curentului și timpul de procesare:

G = AI cur τ, (1)

unde A este echivalentul electrochimic al elementului, g/(A⋅h); I cur — puterea curentului, A; τ — timpul de procesare, ore. Echivalentul electrochimic al unui element este determinat de formula:

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

unde M este masa atomică a elementului, g; z este valența sa. Valorile echivalentelor electrochimice ale unor elemente sunt date în tabel. 1.

Cantitatea reală de substanță generată în timpul electrolizei este mai mică decât cea teoretică, calculată folosind formula (1), deoarece o parte din energie electrică este cheltuită pentru încălzirea apei și a electrozilor. Prin urmare, calculele iau în considerare factorul de utilizare curent η< 1, величина которого определяется экспериментально.

În timpul proceselor cu electrozi, particulele încărcate și ionii sunt schimbate între electrod și electrolit - apă. Pentru a face acest lucru, în condiții de echilibru stabilite, este necesar să se creeze un potențial electric, a cărui valoare minimă depinde de tipul de reacție redox și de temperatura apei la 25 °C (Tabelul 2).

Principalii parametri ai electrolizei apei includ puterea și densitatea curentului, tensiunea în interiorul celulei electrodului, precum și viteza și durata rezidenței apei între electrozi.

Tensiunile generate în celula electrodului trebuie să fie suficiente pentru a produce reacții redox pe electrozi. Valoarea tensiunii depinde de compoziția ionică a apei, prezența impurităților în apă, de exemplu agenți tensioactivi, densitatea curentului (forța sa pe unitatea de suprafață a electrodului), materialul electrodului etc. Toate celelalte lucruri fiind egale, sarcina alegerea unui material pentru electrozi înseamnă reducerea reacțiilor la electrozi, tensiunea necesară a fost minimă, deoarece aceasta reduce costul energiei electrice.

Unele reacții redox sunt competitive - ele apar simultan și se inhibă reciproc. Debitul lor poate fi reglat prin modificarea tensiunii din celula electrolitică. Astfel, potențialul normal de reacție pentru formarea oxigenului molecular este de +0,401 V sau +1,23 V; când tensiunea crește la +1,36 V (potențialul normal al reacției de formare a clorului molecular), doar oxigenul va fi eliberat la anod, iar cu o creștere suplimentară a potențialului, atât oxigenul, cât și clorul vor fi eliberați simultan, iar eliberarea de clor se va produce cu o intensitate insuficientă. La o tensiune de aproximativ 4-5 V, evoluția oxigenului se va opri practic, iar celula electrolitică va genera doar clor.

Calculul parametrilor principali ai procesului de electroliză a apei

Principalii parametri ai electrolizei apei includ puterea și densitatea curentului, tensiunea în interiorul celulei electrodului, precum și viteza și durata de rezidență a apei în spațiul interelectrod.

Puterea curentului I cur este o valoare determinată în funcție de performanța cerută a produsului generat [A], determinată de formula:

I cur = G/A tη, (3)

Această formulă se obține prin transformarea formulei (1) ținând cont de factorul de utilizare curent η. Densitatea curentului este puterea sa pe unitatea de suprafață a electrodului [A/m 2 ], de exemplu, anodul, este determinată din următoarea expresie:

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

unde Fan este aria anodului, m2. Densitatea curentului are cea mai decisivă influență asupra procesului de electroliză: adică, odată cu creșterea densității curentului, procesele electrozilor se intensifică și aria suprafeței electrozilor scade, dar în același timp tensiunea în celula de electroliză și, ca în consecință, întreaga intensitate energetică a procesului crește. O creștere crescută a densității curentului intensifică eliberarea gazelor de electroliză, ducând la barbotare și dispersia produselor insolubile de tratare electrică a apei.

Pe măsură ce densitatea de curent crește, crește și pasivarea electrozilor, care constă în blocarea electronilor care intră prin depunerile de suprafață ale anodului și catodului, ceea ce crește rezistența electrică în celulele electrodului și inhibă reacțiile redox care apar pe electrozi.

Anozii sunt pasivați ca urmare a formării de pelicule subțiri de oxid pe suprafețele lor, ca urmare a absorbției oxigenului și a altor componente pe anozi, care, la rândul lor, absorb particulele de impurități apoase. Depunerile de carbonat se formează în principal pe catozi, mai ales în cazul tratării apei cu duritate crescută. Din aceste motive, densitatea de curent în timpul electrolizei apei ar trebui să fie setată la minim în condițiile pentru apariția stabilă a reacțiilor redox necesare în timpul procesului tehnologic.

Perioada de timp în care apa rămâne în spațiul interelectrozi al electrolizorului este limitată de timpul necesar pentru a genera cantitatea necesară de produse de electroliză.

Tensiunea din celula electrodului [V] este determinată de formula:

V i = i an ΔK g / χ R , (5)

unde i an este densitatea de curent, A/m2; D—distanța dintre electrozi (lățimea canalului interelectrod), m; χ R—conductivitatea electrică specifică a apei, 1/(Ohm⋅m); K g este coeficientul de umplere cu gaz al spațiului interelectrozi, de obicei luat K g = 1,05-1,2.

Formula (5) nu ține cont de rezistența electrică a electrodului datorită valorilor lor scăzute, dar în timpul pasivării aceste rezistențe se dovedesc a fi semnificative. Lățimea canalului interelectrod se presupune a fi minimă (3-20 mm) pentru a se asigura că nu este înfundat cu impurități.

Conductivitatea electrică specifică a apei χ R depinde de o serie de factori, dintre care cei mai semnificativi sunt temperatura, pH-ul, compoziția ionică și concentrația ionică (Fig. 5). Odată cu creșterea temperaturii, conductivitatea electrică χ R crește și tensiunea scade (Fig. 6). Valoarea minimă a conductivității electrice corespunde cu pH = 7. În plus, în timpul procesului de electroliză, temperatura și pH-ul apei cresc. Dacă pH-ul > 7, atunci ne putem aștepta la o scădere a conductibilității electrice specifice a apei χ R și la valorile pH-ului< 7 удельная электропроводность воды χ R , наоборот, возрастает (рис. 5).

Conductivitatea electrică specifică a apelor naturale de mineralizare medie este de 0,001-0,005 1/(Ohm⋅m), apele reziduale urbane este de 10-0,01 1/(Ohm⋅m). În timpul electrolizei, conductibilitatea electrică specifică ar trebui să fie în intervalul 0,1-1,0 1/ (Ohm⋅m). Dacă sursa de apă are o conductivitate electrică insuficientă, conținutul de sare trebuie crescut (Fig. 7). În mod obișnuit, pentru aceasta se utilizează clorură de sodiu (NaCl), ale cărei doze sunt determinate experimental și cel mai adesea se ridică la 500-1500 mg/l (8-25 mEq/l). Clorura de sodiu nu este convenabilă doar în ceea ce privește utilizarea și siguranța (depozitare, prepararea soluției etc.), dar în prezența NaCl pasivarea electrozilor încetinește. Prin disocierea în apă, NaCl saturează apa cu anioni de clor Cl - și cationi de sodiu Na +. Ionii de clor Cl - au dimensiuni mici și, pătrunzând prin depozite de pasivizare la suprafața anodului, distrug aceste depozite. În prezența altor anioni, în special a ionilor sulfat (SO 2-4), efectul depasivator al ionilor de clor (Cl -) scade. Funcționarea stabilă a electrolizatorului este posibilă dacă ionii - Cl - reprezintă cel puțin 30% din numărul total de anioni. Cationii de sodiu Na + ca urmare a electroforezei se deplasează la catozi, pe care se generează ioni de hidroxid OH - și, interacționând cu aceștia din urmă, formează hidroxid de sodiu (NaOH), care dizolvă depozitele de carbonat de pe catozi.

Consumul de putere [W] al electrolizatorului este determinat de următoarea relație:

N consum = η e I cur V e, (6)

unde η e este randamentul electrolizorului, de obicei luat η e = 0,7-0,8; I cur — puterea curentului, A; V e este tensiunea de pe electrolizor, V.

Timpul de rezidență al apei în spațiul interelectrozi al electrolizorului este limitat de timpul necesar pentru a genera cantitatea necesară de produse de electroliză, precum și de durata reacțiilor de volum corespunzătoare și este determinat experimental.

Viteza de mișcare a apei în spațiul interelectrod este stabilită ținând cont de condițiile de îndepărtare a produselor de electroliză și a altor impurități din electrolizor; În plus, amestecarea turbulentă depinde de viteza de mișcare a apei, care afectează cursul reacțiilor volumetrice. La fel ca timpul de rezidență al apei, viteza apei este selectată pe baza datelor experimentale.

Va urma.

1. Bakhir V.M., Liakumovich A.G., Kirpichnikov P.A., Spector L.E., Mamadzhanov U.D. Natura fizică a fenomenelor de activare a substanţelor // Izv. Academia de Științe a UzSSR. Ser. tehnologie. nauk., nr.1/1983.

2. Kulsky L.A. Purificarea apei prin electrocoagulare / L.A. Kulsky, P.P. Strokach, V.A. Slipchenko și alții - Kiev: Budivelnik, 1978.

3. Lipovetsky Ya.M. Metode electrochimice de epurare a apelor potabile și uzate / Ya.M. Lipovetsky, Ya.D. Rappoport - M.: CBNTI al Ministerului Locuinței și Serviciilor Comunale al RSFSR, 1985.

4. Kirpichnikov P.A., Bakhir V.M., Gamer P.U., Dobrenkov G.A., Liakumovich A.G., Fridman B.S., Agadzhanyan S.I. Despre natura activării electrochimice a mediilor // Dokl. Academia de Științe a URSS, Nr. 3/1986, T. 286.

5. Bakhir V.M., Zadorozhny Yu.G. Reactoare electrochimice RPE. - M.: „Hyperox”, 1991.

6. Yakovlev S.V. Tehnologia epurării electrochimice a apei / S.V. Yakovlev, I.G. Krasnoborodko, V.M. Rogov. — L.: L.O. Stroyizdat, 1987.

7. Bakhir V.M. Sisteme electrochimice tehnice moderne pentru dezinfecția, purificarea și activarea apei. - M.: VNIIIMT, 1999.

8. Bakhir V.M., Zadorozhny Yu.G., Leonov B.I., Panicheva S.A., Prilutsky V.I. Activare electrochimică: purificarea apei și producerea de soluții utile. - M.: VNIIIMT, 2001.

9. Kulsky L.A. Manual de proprietăți, metode de analiză și purificare a apei. Partea 1 / L.A. Kulsky, I.T. Goronovski, A.M. Koganovsky și alții - Kiev: Naukova Dumka, 1980.

10. Medrish G.L. Dezinfectarea apelor naturale și uzate prin electroliză / G.L. Medrish, A.A. Taisheva, D.L. Bazin. - M.: Stroyizdat, 1982.

11. Volovnik G.I. Bazele teoretice ale epurării apei / G.I. Volovnik, L.D. Terekhov. Partea 1. - Khabarovsk: Editura DVGUPS, 2000.

12. Bakhir V.M. Activare electrochimică. Partea 2. - M.: VNIIII miere. tehnologie, 1992.

13. Babtsova N.F., Komarov I.F. Experienta de utilizare a instalatiei STEL in sectia de chirurgie / II Int. simp. „Electr. activare”, Partea 1. - M., 1999.

14. Leonov B.I., Prilutsky V.I., Bakhir V.M. Aspecte fizico-chimice ale acțiunii biologice a apei activate electrochimic. - M.: VNIIIMT, 1999.

15. Bakhir V.M. Aspecte teoretice ale activării electrochimice / II Int. simp. „Electr. activare”. Partea 1. - M., 1999.

16. Toropkov V.V., Altshul E.B., Toropkova E.V. Caracteristicile toxicologice ale catolitului medicamentului / III Int. simp. „Electr. activare”. - M., 2001.

17. Leonov B.I., Bakhir V.M., Vtorenko V.I. Activarea electrochimică în medicina practică / II Int. simp. „Activarea electrochimică”, Partea 1. - M., 1999.

18. Toropkov V.V. Altshul E.B., Peresypkin O.I. Eficacitatea farmacologică a acțiunii anoliților AN și ANK asupra mucoaselor cavității bucale / II Int. simp. „Electr. activare" // Rezumate, rapoarte. și mesaj Partea 1. - M., 1999.

19. Prilutsky V.I., Bakhir V.M. Apa activată electrochimic: proprietăți anormale, mecanism de acțiune biologică. - M.: VNIIIMT, 1997.

20. Panicheva S.A. Noi tehnologii de dezinfecție și sterilizare a produselor medicale complexe. - M.: VNIIIMT, 1998.

1. Ce s-a observat în experimentul lui Oersted?
a) Interacțiunea a doi conductori paraleli cu curentul.
b) Interacțiunea a două ace magnetice.
c) Rotirea unui ac magnetic lângă un conductor atunci când trece curent prin acesta.
d) Apariția unui curent electric într-o bobină atunci când în ea este plasat un magnet.

2. Cum interacționează doi conductori paraleli unul cu celălalt dacă curg curenții prin ei în aceeași direcție?
a) Sunt atrași. b) Se împing. c) Forța de interacțiune este zero. d) Nu este dat răspunsul corect.

3. Când un curent electric continuu trece printr-un conductor, în jurul lui apare un câmp magnetic. Este detectat prin amplasarea piliturii de oțel pe o foaie de hârtie sau prin rotirea unui ac magnetic situat în apropierea unui conductor.Cum poate fi mutat acest câmp magnetic în spațiu?
a) Transferarea piliilor de otel. b) Transferul unui magnet. c) Transferul unui conductor cu curent. d) Câmpul magnetic nu poate fi deplasat.

4. Cum vor fi poziționate acele magnetice plasate în punctele A și B din interiorul bobinei când cheia K este deschisă?
a) Același pol nord la dreapta conform figurii.
b) Același pol nord la stânga conform figurii.
c) Săgețile au polii nordici unul față de celălalt.
d) Săgețile au polii sudici unul față de celălalt.

5. De ce este proiectarea motoarelor de curent alternativ mai simplă decât a motoarelor de curent continuu? De ce sunt folosite motoarele de curent continuu în transport?

6. Determinați polii electromagnetului.

7. Desenați câmpul magnetic al curenților și determinați direcția liniilor câmpului magnetic.

8. Determinați direcția forței care acționează asupra unui conductor purtător de curent plasat într-un câmp magnetic.

9. Ai trei obiecte - „dispozitive”: un bloc de lemn, două cuie de oțel care nu sunt atrase unul de celălalt și un magnet permanent.
Cele trei „cutii negre” conțin, respectiv: un magnet, două cuie și un bloc de lemn. Ce instrumente și în ce ordine este cel mai bine să folosiți pentru a afla ce este în fiecare sertar?

10. Un motor electric de curent continuu consumă un curent de 2 A de la o sursă de 24 V. Care este puterea mecanică a motorului dacă rezistența lui înfășurării este de 3 Ohmi? Care este eficienta lui?

Determinați direcția curentului în conductor, a cărui secțiune transversală și câmpul magnetic sunt prezentate în figura 1.

3. Ce direcție este curentul în conductor, a cărui direcție a liniilor câmpului magnetic este indicată prin săgeți (Fig. 3)?

5. Pe baza direcției liniilor de forță magnetice prezentate în figura 5, determinați direcția curentului circular în inel.

Apar unde electromagnetice: A. Când sarcinile electrice se deplasează cu viteză constantă. B. Cu mișcare accelerată a electricității

B. În jurul sarcinilor staţionare.

D. În jurul unui conductor staționar prin care trece un curent electric constant.

D. În jurul unei plăci de metal încărcate staționare

1. Curentul electric se numeste... A). mișcarea electronilor. B). mișcarea ordonată a particulelor încărcate. B). mișcarea ordonată a electronilor. 2.

Pentru a crea un curent electric într-un conductor, trebuie să... A). creează un câmp electric în el. B). creează în ea sarcini electrice. B). sarcini electrice separate în ea. 3. Ce particule creează curent electric în metale? A). Electroni liberi. B). Ioni pozitivi. B). Ioni negativi. ^ 4. Ce efect al curentului este folosit în galvanometre? A. Termice. B. Chimic. B. Magnetic. 5. Puterea curentului în circuitul unei sobe electrice este de 1,4 A. Ce sarcină electrică trece prin secțiunea transversală a spiralei sale în 20 de minute? A). 3200 Kl. B). 1680 Cl. B). 500 Kl. ^ 6. În ce diagramă (Fig. 1) este conectat corect ampermetrul la circuit? A). 1. B). 2. B). 3. 7. Atunci când printr-un conductor trece o sarcină electrică egală cu 6 C se execută un lucru de 660 J. Care este tensiunea la capetele acestui conductor? A). 110 V. B). 220 V.V). 330V. ^ 8. În ce diagramă (Fig. 2) este conectat corect voltmetrul la circuit? A). 1. B). 2. 9. Două bobine de sârmă de cupru de aceeași secțiune transversală au lungimi de 50, respectiv 150 m. Care dintre ele are o rezistență mai mare și cu cât? A). Prima este de 3 ori. B). Al doilea este de 3 ori. ^ 10. Care este puterea curentului care trece printr-un fir de nichel cu o lungime de 25 cm și o secțiune transversală de 0,1 mm2, dacă tensiunea la capete este de 6 V? A). 2 A. B). 10 A. B). 6 A

1. În ce unități se măsoară curentul electric? A. Ohm; B J; W. W.; G.A.

2. Ce acțiuni apar întotdeauna când curentul electric trece prin orice mediu?

A. Termic; B. Magnetic; ÎN. Chimic; G. Ușoară.

4. Determinați la ce tensiune se află becul dacă se lucrează la 2200 J atunci când se deplasează o încărcare de 10 C.

5. Determinați rezistența secțiunii AB în circuitul prezentat în figură.

6. Calculați rezistența unui fir de nicrom a cărui lungime este de 150 m și aria secțiunii transversale este de 0,2 mm2.

7. Un conductor de cupru cu secțiunea transversală de 3,5 mm2 și lungimea de 14,2 m poartă un curent de 2,25 A. Determinați tensiunea la capetele acestui conductor.

8. Câți electroni trec prin secțiunea transversală a unui conductor în 35 s când curentul din acesta este de 16 A?

9. Determinați masa sârmei de fier cu o secțiune transversală de 2 mm2, luată pentru a face un rezistor cu o rezistență de 6 ohmi.