Elektrochemická úprava vody. Elektrolýza

Pri prechode jednosmerného elektrického prúdu cez elektrolyt dochádza na elektródach k chemickým reakciám. Tento proces sa nazýva elektrolýza, čo znamená rozklad (látok) pomocou elektriny.

V sek. 8.1 bolo naznačené, že elektrolyt je taká kvapalina, ktorá, keď ňou prechádza elektrický prúd, podlieha chemickej reakcii. Elektrolytom môže byť roztavená soľ, ako je bromid olovnatý, alebo vodný roztok nejakej kyseliny, zásady alebo soli.

Elektrický prúd sa privádza do elektrolytu pomocou elektród - drôtených vodičov, kovových tyčí alebo dosiek, ktoré vytvárajú elektrický kontakt s elektrolytom. Záporne nabitá elektróda je katóda a kladná elektróda je anóda. Elektródy, ktoré pri kontakte s elektrolytmi a pri prechode elektrického prúdu nevstupujú do chemických reakcií, sa nazývajú inertné elektródy. Inertné elektródy zahŕňajú grafit a platinu.

IÓNOVÁ TEÓRIA ELEKTROlýzy

Podľa tejto teórie sa prechod jednosmerného elektrického prúdu cez elektrolyt uskutočňuje pomocou iónov. Na elektródach sa elektróny prenášajú na ióny alebo z iónov. Preto procesy prebiehajúce na elektródach možno považovať za redukčné alebo oxidačné polovičné reakcie. Elektrolýza je teda redoxný proces.

Na anóde vždy prebieha oxidačná polovičná reakcia. Pri tejto reakcii anióny strácajú elektróny a sú vybíjané, pričom sa menia na neutrálne častice. Preto anóda funguje ako záchyt elektrónov z aniónov.

Na katóde vždy prebieha redukčná polovičná reakcia. Tu katióny získavajú elektróny a vybíjajú sa a menia sa na neutrálne častice. Preto katóda pôsobí ako zdroj elektrónov pre katióny.

Elektrolýza roztaveného bromidu olovnatého pozostáva z dvoch polovičných reakcií:

1) bromidové ióny sa vypúšťajú na anóde. (Rovnica pre túto polovičnú reakciu má

2Вg-(l.) \u003d Vg2 (g.) + 2e-

Táto polovičná reakcia je oxidácia.)

2) ióny olova sú vybíjané na katóde. (Rovnica pre túto polovičnú reakciu je:

Pb2+(tuhá látka) + 2e- = Pb(l.)

Táto polovičná reakcia je redukcia.)

Je potrebné poznamenať, že reakcie prebiehajúce na anóde a katóde v každom konkrétnom systéme sú vopred určené polaritou zdroja prúdu vo vonkajšom elektrickom obvode. Záporný pól externého zdroja prúdu (batérie) dodáva elektróny jednej z elektród elektrolytického článku. To spôsobuje záporný náboj tejto elektródy. Stáva sa katódou. Pretože táto elektróda je záporne nabitá, spôsobuje reakciu elektródy, pri ktorej sa spotrebúvajú elektróny. Proces obnovy sa teda uskutočňuje na tejto elektróde. Na druhej elektróde prúdia elektróny z elektrolytického článku späť do vonkajšieho obvodu, čím sa táto elektróda stáva kladnou elektródou. Takže táto elektróda hrá úlohu anódy. Vďaka jeho kladnému náboju na ňom prebieha reakcia, ktorá je sprevádzaná uvoľňovaním elektrónov, teda oxidáciou.

Schematické znázornenie celého procesu elektrolýzy je znázornené na obr. 10.6.

Vznik nerozpustnej látky v dôsledku chemickej reakcie je len jednou z podmienok na získanie koloidného roztoku. Ďalšou nemenej dôležitou podmienkou je nerovnosť východiskových látok použitých pri reakcii. Dôsledkom tejto nerovnosti je obmedzenie rastu veľkosti častíc v koloidných roztokoch, čo by viedlo k vytvoreniu hrubo disperzného systému.

Uvažujme mechanizmus vzniku koloidnej častice na príklade tvorby sólu jodidu strieborného, ​​ktorý sa získa interakciou zriedených roztokov dusičnanu strieborného a jodidu draselného.

AgNO 3 + KI \u003d AgI + KNO 3

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

Nerozpustné neutrálne molekuly jodidu strieborného tvoria jadro koloidnej častice.

Najprv sa tieto molekuly v neporiadku spájajú, vytvárajú amorfnú, voľnú štruktúru, ktorá sa postupne mení na vysoko usporiadanú kryštalickú štruktúru jadra. V príklade, ktorý uvažujeme, je jadrom kryštál jodidu strieborného, ​​ktorý pozostáva z veľkého počtu (m) molekúl AgI:

m - jadro koloidnej častice

Na povrchu jadra prebieha adsorpčný proces. Podľa Peskov-Fajansovho pravidla sa na povrchu jadier koloidných častíc adsorbujú ióny, ktoré sú súčasťou jadra častice, t.j. adsorbujú sa ióny striebra (Ag +) alebo jódové ióny (I -). Z týchto dvoch typov iónov sa adsorbujú tie, ktoré sú v nadbytku.

Ak sa teda získa koloidný roztok v nadbytku jodidu draselného, ​​potom sa ióny jódu adsorbujú na častice (jadrá), ktoré dotvárajú kryštálovú mriežku jadra, prirodzene a pevne vstupujú do jeho štruktúry. V tomto prípade sa vytvorí adsorpčná vrstva, ktorá dáva jadru záporný náboj:

Ióny adsorbované na povrchu jadra, ktoré mu dodávajú primeraný náboj, sa nazývajú ióny tvoriace potenciál.

Súčasne sú v roztoku aj opačne nabité ióny, nazývajú sa protiióny. V našom prípade ide o draselné ióny (K +), ktoré sú elektrostaticky priťahované k nabitému jadru (hodnota náboja môže dosiahnuť I c). Časť protiiónov K + je silne viazaná elektrickými a adsorpčnými silami a vstupuje do adsorpčnej vrstvy. Jadro s vytvorenou dvojitou adsorpčnou vrstvou iónov sa nazýva granula.

(m . nI - . (n-x) K + ) x - (štruktúra granúl)

Zvyšná časť protiiónov (označme ich číslom „x K +“) tvorí difúznu vrstvu iónov.

Jadro s adsorpčnou a difúznou vrstvou sa nazýva micela. :

(m, nI-. (n-x) K+) x-. x K + (micelárna štruktúra)

Keď konštantný elektrický prúd prechádza cez koloidný roztok, granule a protiióny sa budú pohybovať smerom k opačne nabitým elektródam.

Prítomnosť rovnakého náboja na povrchu častíc sólu je dôležitá. faktor v jeho udržateľnosti. Náboj zabraňuje prilepeniu a zväčšovaniu častíc. V stabilnom disperznom systéme sú častice udržiavané v suspenzii, t.j. nedochádza k zrážaniu koloidnej látky. Táto vlastnosť sólov sa nazýva kineti váhavá stabilita.

Štruktúra miciel sólu jodidu strieborného získaného v nadbytku AgNO 3 je znázornená na obr. 1a, nad KCI - 1b .

Obr.1.5. Štruktúra miciel sólu jodidu strieborného získaného v prebytku:

a) dusičnan strieborný; b) chlorid draselný.

Elektrolýza - redoxný proces, ktorý sa vyskytuje na elektródach, keď jednosmerný elektrický prúd prechádza roztokom elektrolytu alebo taveninou. V elektrolyzéri sa elektrická energia premieňa na energiu chemickej reakcie.

Katóda (-) – záporná elektróda, pri ktorej dochádza k redukcii počas elektrolýzy.

anóda (+) – kladná elektróda, na ktorej dochádza k oxidácii počas elektrolýzy.

Na rozdiel od elektrolýzy v galvanickom článku dochádza k redukcii na kladne nabitej katóde a k oxidácii na záporne nabitej anóde.

Pri elektrolýze možno použiť inertné (nerozpustné) a aktívne (spotrebné) anódy. Aktívna anóda, ktorá je oxidovaná, posiela svoje vlastné ióny do roztoku. Inertná anóda je len vysielač elektrónov a chemicky sa nemení. Ako inertné elektródy sa zvyčajne používajú grafit, platina a irídium.

Pri elektrolýze tavenín a roztokov elektrolytov sa ióny vzniknuté pri ich disociácii (pod vplyvom teploty alebo vody) - katióny (Kt n +) a anióny (An m -) presúvajú na katódu (-) a anódu. (+). Potom sa na elektródach prenesú elektróny z katódy na katión a anióny odovzdajú elektróny anóde.

Kvantitatívne je elektrolýza opísaná dvoma Faradayovými zákonmi.

Faradayov zákon: hmotnosť látky uvoľnenej počas elektrolýzy je úmerná množstvu elektriny, ktorá prešla elektrolyzérom:

m = k ja∙τ = k∙Q ,

Kde ja– sila prúdu; τ – aktuálny čas prietoku; Q = I∙τ- množstvo elektriny; k- koeficient proporcionality, ktorého hodnota závisí od zvolenej sústavy jednotiek (ak Q= 1 C, potom m = k).

Hmotnosť látky uvoľnenej pri prechode 1 C elektriny sa nazýva elektrochemický ekvivalent.

II Faradayov zákon: pri rovnakom množstve elektriny prejdenej cez elektrolyt je počet gramekvivalentov produktov elektrolýzy rovnaký.

Na uvoľnenie jedného ekvivalentu akejkoľvek látky na elektródu je potrebné minúť rovnaké množstvo elektriny, rovnajúce sa Faradayova konštanta F= 96485 C/mol. Jeden ekvivalent látky totiž obsahuje N A = 6,02322∙10 23 častíc a na obnovenie takého počtu jednotlivo nabitých iónov na katóde je potrebné minúť množstvo elektriny:

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

kde je elektrónový náboj ē = 1,6021∙10 –19 Cl.

Zovšeobecnením oboch Faradayových zákonov je možné zapísať.

Elektroaktivované vodné roztoky – katolyty a anolyty je možné použiť v poľnohospodárstve, na zvýšenie produktivity rastlín, v chove zvierat, v medicíne, na dezinfekciu vody a na domáce účely. Elektrochemická úprava vody zahŕňa niekoľko elektrochemických procesov spojených s prenosom elektrónov, iónov a iných častíc v konštantnom elektrickom poli (elektrolýza, elektroforéza, elektroflotácia, elektrokoagulácia), z ktorých hlavným je elektrolýza vody. Tento článok predstavuje čitateľovi hlavné procesy elektrolýzy vody.

Úvod

Fenomén elektrochemickej aktivácie vody (EAW) je kombináciou elektrochemických a elektrofyzikálnych účinkov na vodu v dvojitej elektrickej vrstve (DEL) elektród (anódy a katódy) pri nerovnovážnom prenose náboja cez DEL elektrónmi a za podmienok intenzívna disperzia v kvapaline vznikajúcich plynných produktov elektrochemických reakcií. V procese ECA existujú štyri hlavné procesy:

- elektrolytický rozklad vody (elektrolýza) v dôsledku redoxných reakcií na elektródach, spôsobený vonkajším konštantným elektrickým poľom;

- elektroforéza - pohyb v elektrickom poli kladne nabitých častíc a iónov ku katóde a záporne nabitých častíc a iónov k anóde;

- elektroflotácia - tvorba plynových vločiek a agregátov pozostávajúcich z jemne rozptýlených bubliniek plynu (vodík na katóde a kyslík na anóde) a hrubo rozptýlených nečistôt vody;

- elektrokoagulácia - vznik koloidných zhlukov častíc vyzrážanej dispergovanej fázy procesom anodického rozpúšťania kovu a vznikom katiónov kovu Al 3+ , Fe 2+ , Fe 3+ vplyvom konštantného elektrického poľa .

V dôsledku úpravy vody jednosmerným elektrickým prúdom pri potenciáloch rovných alebo vyšších ako potenciál rozkladu vody (1,25 V) voda prechádza do metastabilného stavu charakterizovaného abnormálnymi hodnotami elektrónovej aktivity a iných fyzikálno-chemických parametrov (pH, Eh, ORP, elektrická vodivosť). Prechod stáleho elektrického prúdu objemom vody je sprevádzaný elektrochemickými procesmi, v dôsledku ktorých dochádza k redoxným reakciám vedúcim k deštrukcii (deštrukcii) znečistenia vody, koagulácii koloidov, flokulácii hrubých nečistôt a ich následnej flotácii. .

Fenomén elektrochemickej aktivácie vody je kombináciou elektrochemických a elektrofyzikálnych účinkov na vodu v dvojitej elektrickej vrstve elektród pri nerovnovážnom prenose náboja.

Elektrochemická úprava sa používa na čírenie a odfarbovanie prírodných vôd, ich zmäkčovanie, čistenie od ťažkých kovov (Cu, Co, Cd, Pb, Hg), chlóru, fluóru a ich derivátov, na čistenie odpadových vôd s obsahom ropných produktov, organických a organochlórových zlúčeniny, farbivá, povrchovo aktívne látky, fenol. Výhodou elektrochemického čistenia vody je, že umožňuje upraviť hodnoty hodnoty pH a redoxného potenciálu Eh, od ktorých závisí možnosť rôznych chemických procesov vo vode; zvyšuje enzymatickú aktivitu aktivovaného kalu v prevzdušňovacích nádržiach; znižuje rezistivitu a zlepšuje podmienky pre koaguláciu a sedimentáciu organických sedimentov.

V roku 1985 bol EXHAV oficiálne uznaný ako nová trieda fyzikálnych a chemických javov. Nariadenie vlády Ruskej federácie z 15. januára 1998 č. VCh-P1201044 dávalo odporúčania ministerstvám a rezortom na používanie tejto technológie v medicíne, poľnohospodárstve a priemysle.

elektrolýza vody

Hlavnou fázou elektrochemickej úpravy vody je elektrolýza vody. Pri prechode konštantného elektrického prúdu vodou je vstup elektrónov do vody na katóde, ako aj odstraňovanie elektrónov z vody na anóde sprevádzaný radom redoxných reakcií na povrchoch katódy a anóda. V dôsledku toho vznikajú nové látky, mení sa systém medzimolekulových interakcií, zloženie vody vrátane štruktúry vody. Typické zariadenie na elektrochemickú úpravu vody pozostáva z jednotky na úpravu vody 1, elektrolyzéra 2 a jednotky na úpravu vody 3 po elektrochemickej úprave (obr. 1).

V niektorých zariadeniach elektrochemickej úpravy vody je zabezpečené predbežné mechanické čistenie vody, ktoré znižuje riziko zanesenia elektrolytického článku hrubými nečistotami s vysokou hydraulickou odolnosťou. Blok na mechanické čistenie vody je potrebný, ak je voda v dôsledku elektrochemickej úpravy nasýtená hrubými nečistotami, napríklad vločkami hydroxidov kovov (Al (OH) 3, Fe (OH) 3, Mg (OH) 2) po elektrokoagulácii. Hlavným prvkom inštalácie je elektrolyzér, pozostávajúci z jedného alebo viacerých elektrolytických článkov (obr. 2).

Elektrolýzny článok tvoria dve elektródy - kladne nabitá anóda a záporne nabitá katóda, spojené s rôznymi pólmi zdroja jednosmerného prúdu. Medzielektródový priestor je naplnený vodou, čo je elektrolyt schopný viesť elektrický prúd. V dôsledku činnosti prístroja dochádza k prenosu elektrických nábojov cez vrstvu vody - elektroforéze, čiže k migrácii polárnych častíc, nosičov náboja - iónov, na elektródy opačného znamienka.

Pri prechode konštantného elektrického prúdu vodou je vstup elektrónov do vody na katóde, ako aj odstraňovanie elektrónov z vody na anóde sprevádzaný radom redoxných reakcií na povrchoch katódy a anóda.

V tomto prípade sa záporne nabité anióny presunú k anóde a kladne nabité katióny sa presunú na katódu. Na elektródach strácajú nabité ióny svoj náboj, depolarizujú sa a menia sa na produkty rozpadu. Okrem nabitých iónov sa na elektroforéze zúčastňujú polárne častice rôznej disperzie, vrátane hrubých častíc (emulgované častice, plynové bubliny a pod.), ale hlavnú úlohu pri prenose elektrochemických nábojov zohrávajú nabité ióny s najvyššou pohyblivosťou. Polárne častice zahŕňajú polárne častice spomedzi vodných nečistôt a molekúl vody, čo sa vysvetľuje ich špeciálnou štruktúrou.

Centrálny atóm kyslíka, ktorý je súčasťou molekuly vody, ktorá má väčšiu elektronegativitu ako atómy vodíka, priťahuje elektróny k sebe, čím dáva molekule asymetriu. Výsledkom je prerozdelenie elektrónovej hustoty: molekula vody je polarizovaná a nadobúda vlastnosti elektrického dipólu s dipólovým momentom 1,85 D (Debye), s kladnými a zápornými nábojmi na póloch (obr. 3).

Produktmi elektródových reakcií sú neutralizované vodné nečistoty, plynný vodík a kyslík vznikajúci pri elektrolytickej deštrukcii molekúl vody, katióny kovov (Al 3+, Fe 2+, Fe 3+) v prípade použitia kovových anód vyrobených z hliníka a ocele molekulárny chlór atď. V tomto prípade sa na katóde generuje plynný vodík a na anóde sa generuje kyslík. Zloženie vody obsahuje určité množstvo hydróniového iónu H 3 O +, ktorý sa depolarizuje na povrchu katódy za vzniku atómového vodíka H:

H30 + + e - → H + H20.

V alkalickom prostredí H 3 O + chýba, ale molekuly vody sú zničené, sprevádzané tvorbou atómového vodíka H - a hydroxidu OH -:

H20 + e - → H + OH -.

Reaktívne vodíkové atómy sú adsorbované na povrchoch katód a po rekombinácii tvoria molekulárny vodík H 2 , ktorý sa z vody uvoľňuje v plynnej forme:

H + H → H2.

Súčasne sa na anódach uvoľňuje atómový kyslík. V kyslom prostredí je tento proces sprevádzaný deštrukciou molekúl vody:

2H20 - 4e - -> 02 + 4H+.

V alkalickom prostredí ióny hydroxidu OH vždy slúžia ako zdroj tvorby kyslíka, pohybujú sa pôsobením elektroforézy na elektródy od katódy k anóde:

4 OH - → 02 + 2 H20 + 4e-.

Normálne redoxné potenciály týchto reakcií sú +1,23 a +0,403 V, ale proces prebieha za podmienok

prepätia. Elektrolytický článok možno považovať za generátor vyššie uvedených produktov, z ktorých niektoré vstupujú do chemickej interakcie medzi sebou navzájom a s vodnými kontaminantmi v medzielektródovom priestore a poskytujú dodatočné chemické čistenie vody (elektroflotácia, elektrokoagulácia). Tieto sekundárne procesy neprebiehajú na povrchu elektród, ale v objeme vody. Preto sa na rozdiel od elektródových procesov označujú ako objemové. Sú iniciované zvýšením teploty vody pri elektrolýze a zvýšením pH pri katódovej deštrukcii molekúl vody.

Rozlišujte medzi katódovou a anodickou oxidáciou. Počas katódovej oxidácie sa molekuly organických látok, ktoré sú sorbované na katódach, prijímajú voľné elektróny, obnovujú sa a premieňajú sa na zlúčeniny, ktoré nie sú kontaminantmi. V niektorých prípadoch proces obnovy prebieha v jednej fáze:

R + H + + e - → RH, kde R je organická zlúčenina; RH je hydratovaná forma zlúčeniny a nie je kontaminant.

V iných prípadoch prebieha katódová redukcia v dvoch stupňoch: v prvom stupni (I) sa organická molekula premení na anión, v druhom (II) sa anión hydratuje interakciou s protónom vody:

R + e- → R-, (I) R- + H+ → RH. (II)

Rozlišujte medzi katódovou a anodickou oxidáciou. Počas katódovej oxidácie molekuly organických látok, ktoré sú sorbované na katódach, prijímajú voľné elektróny a redukujú sa.

Katódy vyrobené z materiálov vyžadujúcich vysoké prepätie (olovo, kadmium) umožňujú pri vysokých nákladoch na elektrickú energiu ničiť organické molekuly a vytvárať reaktívne voľné radikály - častice, ktoré majú voľné nepárové elektróny (Cl*, O*, OH*) v vonkajšie dráhy atómov alebo molekúl, NO*2 atď.). Posledná okolnosť dáva voľným radikálom vlastnosť reaktivity, to znamená schopnosť vstúpiť do chemických reakcií s vodnými nečistotami a zničiť ich.

RH → R + H + + e-.

Anodická oxidácia organických zlúčenín často vedie k tvorbe voľných radikálov, ktorých ďalšie premeny určuje ich reaktivita. Procesy anodickej oxidácie sú viacstupňové a prebiehajú pri tvorbe medziproduktov. Anodická oxidácia znižuje chemickú stabilitu organických zlúčenín a uľahčuje ich následnú degradáciu počas objemových procesov.

V objemových oxidačných procesoch zohrávajú osobitnú úlohu produkty elektrolýzy vody - kyslík (O 2), peroxid vodíka (H 2 O 2) a zlúčeniny chlóru obsahujúce kyslík (HClO). V procese elektrolýzy vzniká mimoriadne reaktívna zlúčenina - H 2 O 2, ktorej molekuly vznikajú v dôsledku hydroxylových radikálov (OH *), ktoré sú produktom vybíjania hydroxylových iónov (OH-) na anóde. :

2OH - → 2OH* → H 2 O 2 + 2e -, kde OH* je hydroxylový radikál.

Interakčné reakcie organických látok s oxidačnými činidlami prebiehajú určitý čas, ktorého trvanie závisí od hodnoty redox potenciálu prvku a koncentrácie reagujúcich látok. Keď koncentrácia škodliviny klesá a koncentrácia škodliviny klesá, oxidačný proces klesá.

Rýchlosť oxidačného procesu počas elektrochemického spracovania závisí od teploty upravovanej vody a pH. V procese oxidácie organických zlúčenín vznikajú medziprodukty, ktoré sa od pôvodného líšia tak v odolnosti voči ďalším transformáciám, ako aj v ukazovateľoch toxicity.

Zdrojmi aktívneho chlóru a jeho zlúčenín obsahujúcich kyslík, ktoré vznikajú v elektrolyzéri, sú chloridy v upravovanej vode a chlorid sodný (NaCl), ktorý sa do upravovanej vody zavádza pred elektrolýzou. V dôsledku anodickej oxidácie Cl– aniónov vzniká plynný chlór Cl 2 . V závislosti od pH vody buď hydrolyzuje za vzniku kyseliny chlórnej HOCl alebo vytvára chlórnanové ióny ClO - . Rovnováha reakcie závisí od hodnoty pH.

Pri pH = 4-5 je všetok chlór vo forme kyseliny chlórnej (HClO) a pri pH = 7 je polovica chlóru vo forme iónu chlórnanu (OCl -) a polovica vo forme kyseliny chlórnej. (HClO) (obr. 4). Mechanizmus interakcie chlórnanového iónu (ClO -) s oxidovanou látkou popisuje nasledujúca rovnica:

ClO - + A = C + Cl, kde A je oxidovateľná látka; C je oxidačný produkt.

Elektrochemická oxidácia organických zlúčenín chlórnitiónom (ClO -) je sprevádzaná zvýšením redoxného potenciálu Eh, čo poukazuje na prevahu oxidačných procesov. Rast Eh závisí od pomeru koncentrácie aktívneho chlóru v medzielektródovom priestore k obsahu organických nečistôt vo vode. Pri čistení a znižovaní množstva znečistenia sa tento pomer zvyšuje, čo vedie k zvýšeniu Eh, ale potom sa tento ukazovateľ stabilizuje.

Množstvo látky, ktoré reagovalo na elektródy pri prechode jednosmerného elektrického prúdu podľa Faradayovho zákona, je priamo úmerné sile prúdu a dobe spracovania:

G = AI cur τ, (1)

kde A je elektrochemický ekvivalent prvku, g/(A⋅h); I cur - sila prúdu, A; τ je doba spracovania, h. Elektrochemický ekvivalent prvku je určený vzorcom:

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

kde M je atómová hmotnosť prvku, g; z je jeho valencia. Hodnoty elektrochemických ekvivalentov niektorých prvkov sú uvedené v tabuľke. 1.

Skutočné množstvo látky generované počas elektrolýzy je menšie ako teoretické, vypočítané podľa vzorca (1), pretože časť elektriny sa minie na ohrev vody a elektród. Preto výpočty zohľadňujú súčiniteľ súčasného využitia η< 1, величина которого определяется экспериментально.

Pri elektródových procesoch dochádza k výmene nabitých častíc a iónov medzi elektródou a elektrolytom – vodou. Na to je potrebné v podmienkach ustálenej rovnováhy vytvoriť elektrický potenciál, ktorého minimálna hodnota závisí od typu redoxnej reakcie a od teploty vody pri 25 °C (tabuľka 2).

Medzi hlavné parametre elektrolýzy vody patrí sila a hustota prúdu, napätie v elektródovom článku, ako aj rýchlosť a trvanie zotrvania vody medzi elektródami.

Napätia generované v elektródovom článku musia byť dostatočné na vznik redoxných reakcií na elektródach. Hodnota napätia závisí od iónového zloženia vody, prítomnosti nečistôt vo vode, napríklad povrchovo aktívnych látok, hustoty prúdu (jeho sila na jednotku plochy elektródy), materiálu elektródy atď. Ak sú ostatné veci rovnaké, úloha Výberom materiálu elektródy je zabezpečiť, aby na prechod oxidačných regeneračných reakcií na elektródach bolo požadované napätie minimálne, pretože to znižuje náklady na elektrickú energiu.

Niektoré redoxné reakcie si konkurujú - prebiehajú súčasne a navzájom sa inhibujú. Ich prietok je možné riadiť zmenou napätia v elektrolytickom článku. Takže normálny potenciál reakcie tvorby molekulárneho kyslíka je +0,401 V alebo +1,23 V; pri zvýšení napätia na +1,36 V (normálny potenciál pre reakciu tvorby molekulového chlóru) sa na anóde bude uvoľňovať iba kyslík a pri ďalšom zvýšení potenciálu sa súčasne uvoľní kyslík aj chlór a chlór. sa uvoľní s nedostatočnou intenzitou. Pri napätí asi 4-5 V sa vývoj kyslíka prakticky zastaví a elektrolytický článok bude generovať iba chlór.

Výpočet hlavných parametrov procesu elektrolýzy vody

Medzi hlavné parametre elektrolýzy vody patrí sila a hustota prúdu, napätie v elektródovom článku, ako aj rýchlosť a trvanie zotrvania vody v medzielektródovom priestore.

Prúdová sila I cur je hodnota určená v závislosti od požadovaného výkonu pre generovaný produkt [A], je určená vzorcom:

Icur=G/A tη , (3)

Tento vzorec sa získa transformáciou vzorca (1) s prihliadnutím na koeficient súčasného využitia η. Prúdová hustota je jej sila vo vzťahu k jednotkovej ploche elektródy [A / m 2], napríklad anódy, je určená z nasledujúceho výrazu:

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

kde F an je plocha anódy, m 2 . Prúdová hustota má rozhodujúci vplyv na proces elektrolýzy: to znamená, že so zvýšením prúdovej hustoty sa elektródové procesy zintenzívňujú a povrch elektród sa zmenšuje, ale zároveň sa napätie v elektrolýze. zvyšuje a v dôsledku toho aj celú energetickú náročnosť procesu. Zvýšený nárast prúdovej hustoty zintenzívňuje uvoľňovanie elektrolýznych plynov, čo vedie k bublaniu a rozptylu nerozpustných produktov elektrickej úpravy vody.

S nárastom prúdovej hustoty sa zvyšuje aj pasivácia elektród, ktorá spočíva v blokovaní prichádzajúcich elektrónov povrchovými nánosmi anódy a katódy, čím sa zvyšuje elektrický odpor v elektródových článkoch a inhibujú sa redoxné reakcie prebiehajúce na elektródach.

Anódy sú pasivované v dôsledku vytvárania tenkých oxidových filmov na ich povrchoch, v dôsledku sorpcie kyslíka a iných zložiek na anódach, ktoré zase sorbujú častice vodných nečistôt. Na katódach sa tvoria najmä karbonátové usadeniny, najmä pri úprave vody so zvýšenou tvrdosťou. Z týchto dôvodov by mala byť prúdová hustota pri elektrolýze vody nastavená na minimum za podmienok stabilného priebehu potrebných redoxných reakcií počas technologického procesu.

Čas zotrvania vody v medzielektródovom priestore elektrolyzéra je obmedzený časom potrebným na vytvorenie požadovaného množstva produktov elektrolýzy.

Napätie v elektródovom článku [V] je určené vzorcom:

V i = i en ΔK g / χ R , (5)

kde i an je prúdová hustota, A/m2; D je vzdialenosť medzi elektródami (šírka medzielektródového kanála), m; χ R je elektrická vodivosť vody, 1/(Ohm⋅m); Kg - koeficient plnenia medzielektródového priestoru plynom, zvyčajne sa berie Kg \u003d 1,05-1,2.

Vzorec (5) neberie do úvahy elektrické odpory elektródy kvôli ich nízkym hodnotám, ale pri pasivácii sa tieto odpory ukážu ako významné. Šírka medzielektródového kanála sa predpokladá minimálna (3-20 mm) podľa podmienok nezanášania nečistotami.

Špecifická elektrická vodivosť vody χ R závisí od množstva faktorov, z ktorých najvýznamnejšie sú teplota, pH, iónové zloženie a koncentrácia iónov (obr. 5). So zvyšovaním teploty sa zvyšuje elektrická vodivosť χ R a napätie klesá (obr. 6). Minimálna hodnota elektrickej vodivosti zodpovedá pH = 7. Okrem toho sa počas procesu elektrolýzy zvyšuje teplota a pH vody. Ak je pH > 7, potom môžeme očakávať pokles mernej elektrickej vodivosti vody χ R , a pri hodnotách pH< 7 удельная электропроводность воды χ R , наоборот, возрастает (рис. 5).

Merná elektrická vodivosť prírodných vôd strednej mineralizácie je 0,001-0,005 1 / (Ohm⋅m), komunálnych odpadových vôd je 10-0,01 1 / (Ohm⋅m) . Počas elektrolýzy by mala byť elektrická vodivosť v rozsahu 0,1-1,0 1 / (Ohm⋅m) . Ak má zdrojová voda nedostatočnú elektrickú vodivosť, slanosť by sa mala zvýšiť (obr. 7). Zvyčajne sa na to používa chlorid sodný (NaCl), ktorého dávky sa stanovujú experimentálne a sú najčastejšie 500-1500 mg / l (8-25 meq / l). Chlorid sodný je pohodlný nielen z hľadiska aplikácie a bezpečnosti (skladovanie, príprava roztoku a pod.), ale v prítomnosti NaCl sa pasivácia elektród spomaľuje. Disociáciou vo vode NaCl nasýti vodu chlórovými aniónmi Cl - a katiónmi sodíka Na +. Ióny chlóru Cl - sú malé a prenikajúce cez pasivačné usadeniny na povrch anódy tieto usadeniny ničia. V prítomnosti iných aniónov, najmä síranových iónov (SO 2- 4 ), sa znižuje depasivačný účinok chloridových iónov (Cl -). Stabilná prevádzka článku je možná, ak ióny - Cl - tvoria aspoň 30% z celkového počtu aniónov. V dôsledku elektroforézy sa sodné katióny Na + presúvajú na katódy, na ktorých sa vytvárajú hydroxidové ióny OH -, a pri interakcii s nimi vytvárajú hydroxid sodný (NaOH), ktorý rozpúšťa uhličitanové usadeniny na katódach.

Spotreba energie [W] elektrolytického článku je určená nasledujúcim vzťahom:

Spotreba N = η e I cur V e, (6)

kde η e je účinnosť článku, zvyčajne sa berie η e = 0,7-0,8; I cur - sila prúdu, A; Ve - napätie na elektrolyzéri, V.

Čas zotrvania vody v medzielektródovom priestore článku je obmedzený časom potrebným na vytvorenie požadovaného množstva produktov elektrolýzy, ako aj trvaním zodpovedajúcich objemových reakcií a určuje sa experimentálne.

Rýchlosť pohybu vody v medzielektródovom priestore sa nastavuje s prihliadnutím na podmienky odstraňovania produktov elektrolýzy a iných nečistôt z elektrolyzéra; okrem toho turbulentné miešanie závisí od rýchlosti pohybu vody, čo ovplyvňuje priebeh objemových reakcií. Rovnako ako čas zdržania vody, aj rýchlosť vody sa volí na základe experimentálnych údajov.

Pokračovanie nabudúce.

1. Bakhir V.M., Liakumovič A.G., Kirpichnikov P.A., Spektor L.E., Mamadzhanov U.D. Fyzikálna podstata javov aktivácie látok // Izv. Akadémie vied Uzbeckej SSR. Ser. tech. Nauk., č. 1/1983.

2. Kulsky L.A. Čistenie vody elektrokoaguláciou / L.A. Kulský, P.P. Strokach, V.A. Slipčenko a ďalší - Kyjev: Budivelnik, 1978.

3. Lipovetsky Ya.M. Elektrochemické metódy čistenia pitných a odpadových vôd / Ya.M. Lipovetsky, Ya.D. Rappoport - M.: TsBNTI z Minzhilkomchozu RSFSR, 1985.

4. Kirpichnikov P.A., Bakhir V.M., Gamer P.U., Dobrenkov G.A., Liakumovič A.G., Fridman B.S., Agadzhanyan S.I. O povahe elektrochemickej aktivácie médií // Dokl. Akadémia vied ZSSR, č. 3/1986, zväzok 286.

5. Bakhir V.M., Zadorozhniy Yu.G. Elektrochemické reaktory RPE. - M.: "Hyperoks", 1991.

6. Jakovlev S.V. Technológia elektrochemickej úpravy vody / S.V. Jakovlev, I.G. Krasnoborodko, V.M. Rogov. — L.: L.O. Stroyizdat, 1987.

7. Bakhir V.M. Moderné technické elektrochemické systémy na dezinfekciu, čistenie a aktiváciu vody. — M.: VNIIIMT, 1999.

8. Bakhir V.M., Zadorozhniy Yu.G., Leonov B.I., Panicheva S.A., Prilutsky V.I. Elektrochemická aktivácia: čistenie vody a získanie užitočných riešení. — M.: VNIIIMT, 2001.

9. Kulsky L.A. Príručka vlastností, metód rozboru a čistenia vody. 1. časť / L.A. Kulsky, I.T. Goronovsky, A.M. Koganovsky a ďalší - Kyjev: Naukova Dumka, 1980.

10. Medrish G.L. Dezinfekcia prírodných a odpadových vôd pomocou elektrolýzy / G.L. Medrish, A.A. Taisheva, D.L. Povodie. — M.: Stroyizdat, 1982.

11. Volovník G.I. Teoretické základy čistenia vody / G.I. Volovník, L.D. Terechov. Časť 1. - Chabarovsk: Vydavateľstvo Štátnej železničnej univerzity na Ďalekom východe, 2000.

12. Bakhir V.M. elektrochemická aktivácia. Časť 2. - M .: VNIIII med. technológia, 1992.

13. Babtsová N.F., Komarov I.F. Skúsenosti s používaním prístroja STEL na chirurgickom oddelení / II Int. symp. „Elektr. aktivácia“, časť 1. - M., 1999.

14. Leonov B.I., Prilutsky V.I., Bakhir V.M. Fyzikálnochemické aspekty biologického pôsobenia elektrochemicky aktivovanej vody. — M.: VNIIIMT, 1999.

15. Bakhir V.M. Teoretické aspekty elektrochemickej aktivácie / II Int. symp. „Elektr. aktivácia“. Časť 1. - M., 1999.

16. Toropkov V.V., Altshul E.B., Toropkova E.V. Toxikologická charakteristika liečiva katolyt / III Int. symp. „Elektr. aktivácia“. - M., 2001.

17. Leonov B.I., Bakhir V.M., Vtorenko V.I. Elektrochemická aktivácia v praktickom lekárstve / II Int. symp. "Elektrochemická aktivácia", časť 1. - M., 1999.

18. Toropkov V.V. Altshul E.B., Peresypkin O.I. Farmakologická účinnosť pôsobenia anolytov AN a ANK na sliznice dutiny ústnej / II Int. symp. „Elektr. aktivácia” // Zborník, správy. a správu Časť 1. - M., 1999.

19. Prilutsky V.I., Bakhir V.M. Elektrochemicky aktivovaná voda: anomálne vlastnosti, mechanizmus biologického pôsobenia. — M.: VNIIIMT, 1997.

20. Panicheva S.A. Nové technológie na dezinfekciu a sterilizáciu zložitých zdravotníckych pomôcok. — M.: VNIIIMT, 1998.

1. Čo bolo pozorované v Oerstedovom experimente?
a) Interakcia dvoch paralelných vodičov s prúdom.
b) Interakcia dvoch magnetických ihiel.
c) Otáčanie magnetickej ihly v blízkosti vodiča, keď ním prechádza prúd.
d) Výskyt elektrického prúdu v cievke, keď je do nej umiestnený magnet.

2. Ako na seba pôsobia dva paralelné vodiče, ak nimi pretekajú prúdy v rovnakom smere?
a) sú priťahovaní. b) Odraziť. c) Sila vzájomného pôsobenia je nulová. d) Neexistuje správna odpoveď.

3. Pri prechode jednosmerného elektrického prúdu cez vodič vzniká okolo neho magnetické pole. Detekuje sa umiestnením oceľových pilín na hárku papiera alebo otočením magnetickej ihly umiestnenej v blízkosti vodiča Ako sa môže toto magnetické pole pohybovať v priestore?
a) Prenos oceľových pilín. b) Pohybom magnetu. c) Prenos vodiča prúdom. d) Magnetické pole sa nedá pohnúť.

4. Ako budú umiestnené magnetické ihly umiestnené v bodoch A a B vo vnútri cievky, keď sa otvorí kľúč K?
a) Rovnaký severný pól vpravo na obrázku.
b) Rovnako severný pól vľavo na obrázku.
c) Šípky so severnými pólmi oproti sebe.
d) Šípky s južnými pólmi oproti sebe.

5. Prečo je zariadenie striedavých motorov jednoduchšie ako jednosmerných? Prečo sa vo vozidlách používajú jednosmerné motory?

6. Určte póly elektromagnetu.

7. Znázornite magnetické pole prúdov a určte smer siločiar magnetického poľa.

8. Určte smer sily pôsobiacej na vodič s prúdom umiestnený v magnetickom poli.

9. Máte tri predmety – „zariadenia“: drevený blok, dva oceľové klince, ktoré sa k sebe nepriťahujú, a permanentný magnet.
Tri „čierne skrinky“ obsahujú: magnet, dva klince a drevený blok. Aké nástroje a v akom poradí je lepšie použiť, aby ste zistili, čo je v jednotlivých boxoch?

10. Jednosmerný motor odoberá prúd 2 A zo zdroja s napätím 24 V. Aký je mechanický výkon motora, ak je odpor jeho vinutia 3 ohmy? Aký je jeho K.P.D.?

Určte smer prúdu vo vodiči, ktorého prierez a magnetické pole sú znázornené na obrázku 1.

3. Aký smer má prúd vo vodiči, ktorého smer magnetických siločiar je vyznačený šípkami (obr. 3)?

5. V smere magnetických siločiar zobrazených na obrázku 5 určte smer kruhového prúdu v prstenci.

Elektromagnetické vlny vznikajú: A. Keď sa elektrické náboje pohybujú konštantnou rýchlosťou. B. So zrýchleným pohybom elektr

B. Okolo stacionárnych nábojov.

G. Okolo pevného vodiča, ktorým prechádza jednosmerný elektrický prúd.

D. Okolo pevnej nabitej kovovej platne

1. Elektrický prúd sa nazýva... A). pohyb elektrónov. B). usporiadaný pohyb nabitých častíc. B). usporiadaný pohyb elektrónov. 2.

Na vytvorenie elektrického prúdu vo vodiči je potrebné... A). vytvoriť v ňom elektrické pole. B). vytvárať v ňom elektrické náboje. B). na oddelenie elektrických nábojov v ňom. 3. Aké častice vytvárajú elektrický prúd v kovoch? A). Voľné elektróny. B). kladné ióny. B). záporné ióny. ^ 4. Aké pôsobenie prúdu sa využíva v galvanometroch? A. Tepelné. B. Chemické. B. Magnetické. 5. Prúdová sila v obvode elektrického sporáka je 1,4 A. Aký elektrický náboj prejde prierezom jeho špirály za 20 minút? A). 3200 cl. B). 1680 trieda B). 500 cl. ^ 6. V ktorej schéme (obr. 1) je správne zapojený ampérmeter do obvodu? A). 1. B). 2. B). 3. 7. Pri prechode elektrického náboja rovnajúceho sa 6 C vodičom sa vykoná práca 660 J. Aké je napätie na koncoch tohto vodiča? A). 110 V. B). 220 V. V). 330 V. ^ 8. V ktorej schéme (obr. 2) je správne zapojený voltmeter do obvodu? A). 1. B). 2. 9. Dve cievky medeného drôtu rovnakého prierezu majú dĺžku 50 a 150 m. Ktorý z nich má väčší odpor a koľkokrát? A). Prvý je 3 krát. B). Druhý je 3 krát. ^ 10. Aká je sila prúdu prechádzajúceho niklovým drôtom dlhým 25 cm a prierezom 0,1 mm2, ak je na jeho koncoch napätie 6 V? A). 2 A. B). 10 A. B). 6 A

1. V akých jednotkách sa meria sila elektrického prúdu? A. Ohm; B. J; W.W; G. A.

2. Aké akcie sa vždy prejavia, keď elektrický prúd prechádza akýmkoľvek médiom?

A. Tepelné; B. Magnetické; IN. Chemické; G. Svetlo.

4. Určte napätie, pod ktorým je žiarovka, ak sa pri pohybe náboja 10 C vykoná práca 2200 J.

5. Určite odpor sekcie AB v obvode znázornenom na obrázku.

6. Vypočítajte odpor nichrómového drôtu s dĺžkou 150 ma prierezom 0,2 mm2.

7. Medeným vodičom s prierezom 3,5 mm2 a dĺžkou 14,2 m prechádza prúd 2,25 A. Určte napätie na koncoch tohto vodiča.

8. Koľko elektrónov prejde prierezom vodiča za 35 s pri prúdovej sile 16 A v ňom?

9. Určte hmotnosť železného drôtu s prierezom 2 mm2, ktorý sa použije na vytvorenie odporu s odporom 6 ohmov.