Tratarea electrochimică a apei. Electroliză

Când un curent electric continuu trece prin electrolit, pe electrozi au loc reacții chimice. Acest proces se numește electroliză, ceea ce înseamnă descompunerea (substanțelor) cu ajutorul electricității.

În sec. 8.1, s-a indicat că un electrolit este un astfel de lichid încât, atunci când trece un curent electric prin el, suferă o reacție chimică. Electrolitul poate fi o sare topită, cum ar fi bromură de plumb(H), sau o soluție apoasă dintr-un anumit 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 când trece un curent electric prin aceștia se numesc electrozi inerți. Electrozii inerți includ grafit și platină.

TEORIA IONICĂ A ELECTROLIZEI

Conform acestei teorii, trecerea unui curent 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 reducătoare sau oxidante. 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 se descarcă, 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 are

2Вg-(l.) \u003d Vg2 (g.) + 2e-

Această semireacție este o oxidare.)

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

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

Această semireacție este o reducere.)

Trebuie remarcat faptul că reacțiile care apar la anod și catod în fiecare sistem particular sunt predeterminate de polaritatea sursei de curent din circuitul electric extern. Polul negativ al unei surse externe de curent (bateria) furnizează electroni unuia dintre electrozii celulei electrolitice. Acest lucru determină o sarcină negativă a acestui 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 recuperare este efectuat pe acest electrod. La celălalt electrod, electronii curg din celula electrolitică înapoi în circuitul extern, făcând din acest electrod electrodul pozitiv. Deci, acest electrod joacă rolul anodului. Datorită sarcinii sale pozitive, are loc o reacție asupra acestuia, care este însoțită de eliberarea de electroni, adică 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 soluții 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.

AgNO 3 + KI \u003d AgI + KNO 3

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

Moleculele neutre insolubile de iodură de argint formează miezul unei particule coloidale.

La început, aceste molecule se combină în dezordine, formând o structură amorfă, liberă, care se transformă treptat într-o structură cristalină foarte ordonată a miezului. 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

La suprafața nucleului are loc un proces de adsorbție. Conform regulii Peskov-Fajans, ionii care fac parte din miezul particulelor sunt adsorbiți pe suprafața nucleilor 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.

Deci, dacă se obține o soluție coloidală într-un 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 nucleului o sarcină negativă:

Ionii adsorbiți pe suprafața nucleului, dându-i o sarcină adecvată, se numesc ioni formatori de potențial.

În același timp, ionii încărcați opus sunt și ei 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 c). O parte din contraionii K + este puternic legată de forțele electrice și de adsorbție și intră în stratul de adsorbție. Un miez 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 (să-i notăm cu numărul "x K +") formează un strat difuz de ioni.

Miezul cu straturi de adsorbție și difuzie se numește micelă. :

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

Când un curent electric constant 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 în sustenabilitatea acestuia.Încărcarea previne lipirea și mărirea particulelor. Într-un sistem de dispersie stabil, particulele sunt menținute în suspensie, adică. nu are loc precipitarea substanţei coloidale. Această proprietate a solurilor se numește kineti stabilitate chesky.

Structura micelilor solului de iodură de argint obținut în exces de AgNO3 este prezentată în Fig. 3. 1a, peste 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 pe electrozi atunci când un curent electric continuu trece printr-o soluție de electrolit sau o topitură. Într-un electrolizor, energia electrică este transformată în energia unei reacții chimice.

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

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

Spre deosebire de electroliză, într-o celulă galvanică, reducerea are loc pe un catod încărcat pozitiv, iar oxidarea are loc pe un anod încărcat negativ.

În electroliză, pot fi utilizați anozi inerți (insolubili) și activi (consumabile). Anodul activ, fiind oxidat, trimite propriii ioni în soluție. Un anod 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) - cationi (Kt n +) și anionii (An m -) se deplasează, respectiv, la catod (-) și anod. (+). Apoi, la electrozi, electronii sunt transferați de la catod la cation, iar anionii donează electroni anodului.

Cantitativ, electroliza este descrisă de două legi Faraday.

I Legea lui Faraday: masa substanței eliberată în timpul electrolizei este proporțională cu cantitatea de electricitate care a trecut 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- coeficient de proporționalitate, a cărui valoare depinde de sistemul de unități ales (dacă Q= 1 C, atunci m = k).

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

II Legea lui Faraday: cu aceeași cantitate de electricitate trecută 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 un astfel de număr de ioni încărcați individual pe catod, este necesar să cheltuiți cantitatea de electricitate:

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

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

Generalizând ambele legi lui Faraday, se poate nota.

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 principalele procese care stau la baza electrolizei apei.

Introducere

Fenomenul de activare electrochimică a apei (EAW) este o combinație de efecte electrochimice și electrofizice asupra apei într-un strat dublu electric (DEL) de electrozi (anod și catod) în timpul transferului de sarcină neechilibrat prin DEL de către electroni și în condiții de dispersia intensivă în lichid a produșilor gazoși rezultați ai reacțiilor electrochimice. Există patru procese principale în procesul ECA:

- descompunerea electrolitică a apei (electroliza) datorită reacţiilor redox la electrozi, cauzate de un câmp electric extern constant;

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

- electroflotație - formarea de flocule și agregate de gaze formate din bule de gaz fin dispersate (hidrogen la catod și oxigen la anod) și impurități de apă dispersate grosier;

- electrocoagulare - formarea agregatelor coloidale de particule din faza dispersată precipitată 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 epurării apei cu curent electric continuu, la potențiale egale sau mai mari cu potențialul de descompunere a 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 constant prin volumul de apă este însoțită de procese electrochimice, în urma cărora apar reacții redox, ducând la distrugerea (distrugerea) poluării 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.

Tratarea electrochimică este utilizată pentru limpezirea și decolorarea apelor naturale, înmuierea acestora, purificarea de metale grele (Cu, Co, Cd, Pb, Hg), clor, fluor și derivații acestora, pentru tratarea apelor uzate care conțin produse petroliere, organice și organoclorurate. compuși, coloranți, agenți tensioactivi, fenol. Avantajele epurării electrochimice a apei este că vă permite să ajustați valorile valorii pH-ului și ale potențialului redox Eh, ceea ce determină 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, EXHAV a fost recunoscut oficial ca o nouă clasă de fenomene fizice și chimice. Ordinul Guvernului Federației Ruse din 15 ianuarie 1998 nr. VCh-P1201044 a oferit recomandări ministerelor și departamentelor să utilizeze această tehnologie în medicină, agricultură și industrie.

electroliza apei

Etapa principală a tratării electrochimice a apei este electroliza apei. Când un curent electric constant 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 suprafețele catodului și anod. Ca urmare, se formează noi substanțe, se modifică sistemul de interacțiuni intermoleculare, compoziția apei, inclusiv structura apei. O instalaţie tipică pentru tratarea electrochimică a apei constă dintr-o unitate de tratare a apei 1, un electrolizor 2 şi o unitate de tratare a apei 3 după tratarea electrochimică (Fig. 1).

În unele stații de tratare electrochimică a apei se asigură epurarea mecanică preliminară a apei, care reduce riscul de colmatare a celulei electrolitice cu impurități grosiere cu rezistență hidraulică ridicată. Un bloc pentru purificarea mecanică a apei este necesar dacă, ca urmare a 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).

Celula 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, are loc un transfer de sarcini electrice printr-un strat de apă - electroforeză, adică migrarea particulelor polare, purtători de sarcină - ioni, către electrozi de semn opus.

Când un curent electric constant 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 suprafețele 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 încărcarea, se depolarizează, transformându-se în produse de descompunere. Pe lângă ionii încărcați, la electroforeză participă particule polare de diferite dispersități, inclusiv particule grosiere (particule emulsionate, bule de gaz etc.), dar ionii încărcați cu cea mai mare mobilitate joacă rolul principal în transferul sarcinilor electrochimice. Particulele polare includ particule polare dintre impuritățile de apă și moleculele de apă, ceea ce se explică prin structura lor specială.

Atomul central de oxigen, care face parte din molecula de apă, care are o electronegativitate mai mare decât atomii de hidrogen, atrage electroni spre sine, dând moleculei asimetrie. Ca urmare, densitatea electronică este redistribuită: 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 electrodului sunt impurități apoase neutralizate, hidrogen gazos și oxigen formați 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 este generat la anod. Compoziția apei conține o anumită cantitate de ion hidroniu H 3 O +, care se depolarizează pe suprafața catodului cu formarea de 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 hidroxid OH -:

H2O + e- → H + OH-.

Atomii reactivi de hidrogen sunt adsorbiți pe suprafețele catozilor și, după recombinare, formează hidrogen molecular H 2 , care este eliberat din apă sub formă gazoasă:

H + H → H2.

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, ionii de hidroxid de OH servesc întotdeauna ca sursă de formare a oxigenului, deplasându-se 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 se desfășoară în condițiile unora.

supratensiune. Celula de electroliză poate fi considerată ca un generator al produselor de mai sus, dintre care unele, intrând în interacțiune chimică între ele și cu contaminanții apei în spațiul interelectrozi, 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 ca 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.

Distingeți oxidarea catodică și cea anodică. În timpul oxidării catodice, moleculele de substanțe organice, fiind absorbite pe catozi, acceptă electroni liberi, sunt restaurate, transformându-se în compuși care nu sunt contaminanți. 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 prin interacțiunea cu un proton de apă:

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

Distingeți oxidarea catodică și cea anodică. În timpul oxidării catodice, moleculele de substanțe organice, fiind absorbite pe catozi, acceptă electroni liberi și sunt reduse.

Catozii din materiale care necesită o supratensiune ridicată (plumb, cadmiu) permit, la un cost ridicat al energiei electrice, distrugerea moleculelor organice și generarea de radicali liberi reactivi - particule care au electroni liberi nepereche (Cl*, O*, OH*) în orbitele exterioare ale atomilor sau moleculelor, NO*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 continuă cu formarea de produse intermediare. Oxidarea anodică reduce stabilitatea chimică a compușilor organici și facilitează degradarea 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 procesul 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 un radical hidroxil.

Reacțiile de interacțiune a substanțelor organice cu agenții oxidanți se desfășoară pe o anumită perioadă de timp, a cărei durată depinde de valoarea potențialului redox al elementului și de concentrația substanțelor care reacţionează. Pe măsură ce concentrația de poluant scade și concentrația de poluant scade, procesul de oxidare scade.

Viteza procesului de oxidare în timpul tratamentului electrochimic depinde de temperatura apei tratate și de pH. În procesul de oxidare a compușilor organici se formează produse intermediare care diferă de cel inițial atât ca rezistență la transformări ulterioare, cât și ca indicatori de toxicitate.

Sursele de clor activ și compușii săi care conțin oxigen generați în electrolizor sunt clorurile din 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 Cl 2. 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 hipocloritiona (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. Odată cu curățarea și reducerea cantității de poluare, 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 este timpul de procesare, h. Echivalentul electrochimic al elementului 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. unu.

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

În timpul proceselor cu electrozi, există un schimb de particule încărcate și ioni între electrod și electrolit - apă. Pentru a face acest lucru, în condiții de echilibru permanent, 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 apei între electrozi.

Tensiunile generate în celula electrodului trebuie să fie suficiente pentru apariția reacțiilor redox pe electrozi. Valoarea tensiunii depinde de compoziția ionică a apei, prezența impurităților în apă, de exemplu, agenți tensioactivi, densitatea curentului (puterea sa pe unitatea de suprafață a electrodului), materialul electrodului etc. Alte lucruri fiind egale, sarcina alegerea unui material pentru electrozi este de a asigura că pentru trecerea reacțiilor de recuperare oxidativă pe electrozi, tensiunea necesară a fost minimă, deoarece aceasta reduce costul energiei electrice.

Unele reacții redox concurează - ele au loc simultan și se inhibă reciproc. Debitul lor poate fi controlat prin schimbarea tensiunii din celula electrolitică. Deci, potențialul normal al reacției de formare a oxigenului molecular este de +0,401 V sau +1,23 V; cu o creștere a tensiunii la +1,36 V (potențial normal pentru reacția 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 clorul va fi eliberat cu o intensitate insuficientă. La o tensiune de aproximativ 4-5 V, evoluția oxigenului va înceta 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 stației apei în spațiul interelectrod.

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

Icur=G/A tη , (3)

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

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

unde F an este aria anodului, m 2 . Densitatea de curent are cea mai decisivă influență asupra procesului de electroliză: adică, odată cu creșterea densității de curent, procesele electrozilor sunt intensificate și aria suprafeței electrozilor scade, dar, în același timp, tensiunea în celula de electroliză. crește și, ca urmare, întreaga intensitate energetică a procesului. O creștere crescută a densității curentului intensifică eliberarea gazelor de electroliză, ducând la barbotare și dispersia produselor insolubile de tratare electrică a apei.

Odată cu creșterea densității de curent crește și pasivarea electrozilor, care constă în blocarea electronilor care intră prin depuneri la 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 suprafața lor, ca urmare a absorbției oxigenului și a altor componente pe anozi, care, la rândul lor, absorb particulele de impurități apoase. Pe catozi se formează în principal depozite de carbonat, 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 apariției stabile a reacțiilor redox necesare în cursul procesului tehnologic.

Timpul de rezidență al apei în spațiul interelectrozi al electrolizorului este limitat de timpul necesar pentru a genera cantitatea necesară de produse de electroliză.

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

V i = i en ΔK g / χ R , (5)

unde i an este densitatea de curent, A/m2; D este distanța dintre electrozi (lățimea canalului interelectrod), m; χ R este conductivitatea electrică a apei, 1/(Ohm⋅m); K g - coeficientul de umplere cu gaz a spațiului interelectrod, de obicei luat K g \u003d 1,05-1,2.

Formula (5) nu ține cont de rezistențele electrice ale 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) în funcție de condițiile de neînfundare 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, iar 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 , iar 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 uzate urbane este de 10-0,01 1 / (Ohm⋅m) . În timpul electrolizei, conductivitatea electrică ar trebui să fie în intervalul 0,1-1,0 1 / (Ohm⋅m). Dacă sursa de apă are o conductivitate electrică insuficientă, salinitatea trebuie crescută (Fig. 7). De obicei, pentru aceasta se folosește clorură de sodiu (NaCl), ale cărei doze sunt determinate experimental și sunt cel mai adesea 500-1500 mg/l (8-25 meq/l). Clorura de sodiu nu este convenabilă doar în ceea ce privește aplicarea și siguranța (depozitare, prepararea soluției etc.), dar în prezența NaCl, pasivarea electrodului încetinește. Disociând în apă, NaCl saturează apa cu anioni de clor Cl - și cationi de sodiu Na + . Ionii de clor Cl - sunt 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 de depasivare al ionilor de clorură (Cl -) este redus. Funcționarea stabilă a celulei este posibilă dacă ionii - Cl - reprezintă cel puțin 30% din numărul total de anioni. Ca urmare a electroforezei, cationii de sodiu Na + 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 energie [W] al celulei electrolitice este determinat de următoarea relație:

N consum = η e I cur V e, (6)

unde η e este randamentul celulei, de obicei se ia η e = 0,7-0,8; I cur - puterea curentului, A; V e - tensiunea la electrolizor, V.

Timpul de rezidență al apei în spațiul interelectrodic al celulei este limitat de timpul necesar pentru a genera cantitatea necesară de produse de electroliză, precum și de durata reacțiilor volumetrice 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, amestecul turbulent depinde de viteza de mișcare a apei, care afectează cursul reacțiilor volumetrice. La fel ca timpul de rezidență al apei, viteza apei este aleasă pe baza datelor experimentale.

Va urma.

1. Bakhir V.M., Liakumovich A.G., Kirpichnikov P.A., Spektor L.E., Mamadzhanov U.D. Natura fizică a fenomenelor de activare a substanţelor // Izv. Academia de Științe a RSS uzbecă. 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 .: TsBNTI al Minzhilkomkhoz 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, No3/1986, Vol. 286.

5. Bakhir V.M., Zadorozhniy Yu.G. Reactoare electrochimice RPE. - M .: „Hyperoks”, 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., Zadorozhniy Yu.G., Leonov B.I., Panicheva S.A., Prilutsky V.I. Activare electrochimică: purificarea apei și obținerea de soluții utile. — M.: VNIIIMT, 2001.

9. Kulsky L.A. Manual de proprietăți, metode de analiză și epurare 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 Universității de Stat de Inginerie Feroviară din Orientul Îndepărtat, 2000.

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

13. Babtsova N.F., Komarov I.F. Experienta in folosirea aparatului 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 membranelor mucoase ale cavității bucale / II Int. simp. „Electr. activare” // Proceduri, 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 dispozitivelor 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 acului magnetic în apropierea conductorului când trece curent prin acesta.
d) Apariția unui curent electric în 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) Respinge. c) Forța de interacțiune este zero. d) Nu există un răspuns corect.

3. Când trece un curent electric continuu printr-un conductor, în jurul acestuia ia naștere un câmp magnetic. Este detectat prin amplasarea piliturii de oțel pe o foaie de hârtie sau prin rotirea unui ac magnetic situat lângă conductor.Cum poate fi mutat acest câmp magnetic în spațiu?
a) Transfer de pilitură de oțel. b) Prin deplasarea magnetului. c) Transferul unui conductor cu curent. d) Câmpul magnetic nu poate fi deplasat.

4. Cum vor fi amplasate acele magnetice plasate în punctele A și B din interiorul bobinei când cheia K este deschisă?
a) La fel de pol nord spre dreapta în figură.
b) Același pol nord la stânga în figură.
c) Săgeți cu polii nordi unul față de celălalt.
d) Săgeți cu polii sudici unul față de celălalt.

5. De ce dispozitivul motoarelor AC este mai simplu decât DC? De ce sunt folosite motoarele cu curent continuu în vehicule?

6. Determinați polii electromagnetului.

7. Înfățișați 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 articole – „dispozitive”: un bloc de lemn, două cuie de oțel care nu sunt atrase unul de celălalt și un magnet permanent.
Trei „cutii negre” conțin respectiv: un magnet, două cuie și un bloc de lemn. Ce instrumente și în ce ordine este mai bine să folosiți pentru a afla ce este în fiecare dintre cutii?

10. Un motor de curent continuu consumă un curent de 2 A de la o sursă cu o tensiune de 24 V. Care este puterea mecanică a motorului dacă rezistența înfășurării acestuia este de 3 ohmi? Care este K.P.D.

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

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

5. În direcția liniilor de forță magnetice prezentate în figura 5, determinați direcția curentului circular din inel.

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

B. În jurul sarcinilor staţionare.

G. În jurul unui conductor fix prin care trece un curent electric continuu.

D. În jurul unei plăci de metal încărcate fixe

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, este necesar... A). creează un câmp electric în el. B). creează în ea sarcini electrice. B). pentru a separa sarcinile electrice din el. 3. Ce particule creează curent electric în metale? A). Electroni liberi. B). ionii pozitivi. B). ioni negativi. ^ 4. Ce acțiune a curentului este folosită în galvanometre? A. Termice. B. Chimic. B. Magnetic. 5. Puterea curentului în circuitul aragazului electric este de 1,4 A. Ce sarcină electrică trece prin secțiunea transversală a spiralei sale în 20 de minute? A). 3200 cl. B). clasa 1680 B). 500 cl. ^ 6. În ce diagramă (Fig. 1) este conectat corect ampermetrul la circuit? DAR). 1. B). 2. B). 3. 7. Când prin conductor trece o sarcină electrică egală cu 6 C se execută un lucru de 660 J. Care este tensiunea la capetele acestui conductor? DAR). 110 V. B). 220 V. V). 330V. ^ 8. În ce diagramă (Fig. 2) este conectat corect voltmetrul la circuit? DAR). 1. B). 2. 9. Două bobine de sârmă de cupru de aceeași secțiune au lungimea de 50, respectiv 150 m. Care dintre ele are mai multă rezistență și de câte ori? DAR). Prima este de 3 ori. B). Al doilea este de 3 ori. ^ 10. Care este puterea curentului care trece printr-un fir de nichel de 25 cm lungime și 0,1 mm2 în secțiune transversală dacă tensiunea la capete este de 6 V? DAR). 2 A. B). 10 A. B). 6 A

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

2. Ce acțiuni se manifestă întotdeauna când un curent electric trece prin orice mediu?

DAR. Termic; B. Magnetic; LA. Chimic; G. Ușoară.

4. Determinați tensiunea sub care se află becul, dacă la mutarea unei sarcini de 10 C, se lucrează 2200 J.

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

6. Calculați rezistența unui fir de nicrom cu o lungime de 150 m și o suprafață a secțiunii transversale 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 conductorului în 35 s la o putere de curent de 16 A în el?

9. Determinați masa unui fir de fier cu o suprafață a secțiunii transversale de 2 mm2, luată pentru a face un rezistor cu o rezistență de 6 ohmi.