Trajtimi elektrokimik i ujit. Elektroliza

Kur një rrymë elektrike e drejtpërdrejtë kalon përmes elektrolitit, reaksionet kimike ndodhin në elektroda. Ky proces quhet elektrolizë, që do të thotë zbërthim (i substancave) me ndihmën e energjisë elektrike.

Në sek. 8.1, u tregua se një elektrolit është një lëng i tillë që, kur një rrymë elektrike kalon nëpër të, i nënshtrohet një reaksioni kimik. Elektroliti mund të jetë një kripë e shkrirë, siç është bromidi i plumbit (H), ose një tretësirë ​​ujore e disa acideve, bazave ose kripes.

Rryma elektrike furnizohet me elektrolitin duke përdorur elektroda - përçues teli, shufra metalike ose pllaka që bëjnë kontakt elektrik me elektrolitin. Elektroda e ngarkuar negativisht është katoda dhe elektroda pozitive është anoda. Elektrodat që nuk hyjnë në reaksione kimike kur janë në kontakt me elektrolitet dhe kur kalon një rrymë elektrike nëpër to quhen elektroda inerte. Elektrodat inerte përfshijnë grafitin dhe platinin.

TEORIA JONIKE E ELEKTROLIZËS

Sipas kësaj teorie, kalimi i një rryme elektrike të drejtpërdrejtë përmes elektrolitit kryhet me ndihmën e joneve. Në elektroda, elektronet transferohen në ose nga jonet. Prandaj, proceset që ndodhin në elektroda mund të konsiderohen si gjysmëreaksione reduktuese ose oksiduese. Kështu, elektroliza është një proces redoks.

Një gjysmë-reaksion oksidativ zhvillohet gjithmonë në anodë. Në këtë reagim, anionet humbasin elektrone dhe shkarkohen, duke u kthyer në grimca neutrale. Prandaj, anoda vepron si një lavaman për elektronet nga anionet.

Një gjysmë-reaksion reduktimi ndodh gjithmonë në katodë. Këtu, kationet marrin elektrone dhe shkarkojnë, duke u kthyer në grimca neutrale. Prandaj, katoda vepron si një burim elektronesh për kationet.

Elektroliza e bromitit të shkrirë të plumbit (H) përbëhet nga dy gjysmëreaksione:

1) Jonet e bromit shkarkohen në anodë. (Ekuacioni për këtë gjysmëreaksion ka

2Вg-(l.) \u003d Vg2 (g.) + 2e-

Ky gjysmë-reaksion është një oksidim.)

2) Jonet e plumbit shkarkohen në katodë. (Ekuacioni për këtë gjysmëreaksion është:

Pb2+(e ngurtë) + 2e- = Pb(l.)

Ky gjysmë-reaksion është një reduktim.)

Duhet të theksohet se reaksionet që ndodhin në anodë dhe katodë në secilin sistem të veçantë janë të paracaktuara nga polariteti i burimit aktual në qarkun e jashtëm elektrik. Poli negativ i një burimi të jashtëm të rrymës (bateria) furnizon elektrone në njërën nga elektrodat e qelizës elektrolitike. Kjo shkakton një ngarkesë negative të kësaj elektrode. Ajo bëhet katodë. Meqenëse kjo elektrodë është e ngarkuar negativisht, ajo nga ana tjetër shkakton një reaksion elektrodë në të cilin konsumohen elektronet. Kështu, procesi i rikuperimit kryhet në këtë elektrodë. Në elektrodën tjetër, elektronet rrjedhin nga qeliza elektrolitike përsëri në qarkun e jashtëm, duke e bërë këtë elektrodë elektrodë pozitive. Pra, kjo elektrodë luan rolin e anodës. Për shkak të ngarkesës së saj pozitive, në të ndodh një reaksion, i cili shoqërohet me lëshimin e elektroneve, domethënë oksidimin.

Një paraqitje skematike e të gjithë procesit të elektrolizës është paraqitur në fig. 10.6.

Formimi i një lënde të patretshme si rezultat i një reaksioni kimik është vetëm një nga kushtet për marrjen e një tretësire koloidale. Një kusht tjetër po aq i rëndësishëm është pabarazia e materialeve fillestare të marra në reaksion. Pasoja e kësaj pabarazie është kufizimi i rritjes së madhësisë së grimcave në tretësirat koloidale, gjë që do të çonte në formimin e një sistemi të shpërndarë në mënyrë të trashë.

Le të shqyrtojmë mekanizmin e formimit të një grimce koloidale duke përdorur shembullin e formimit të një sol jodidi argjendi, i cili përftohet nga bashkëveprimi i tretësirave të holluara të nitratit argjendi dhe jodidit të kaliumit.

AgNO 3 + KI \u003d AgI + KNO 3

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

Molekulat neutrale të pazgjidhshme të jodidit të argjendit formojnë bërthamën e një grimce koloidale.

Në fillim, këto molekula kombinohen në mënyrë të çrregullt, duke formuar një strukturë amorfe, të lirshme, e cila gradualisht kthehet në një strukturë kristalore shumë të renditur të bërthamës. Në shembullin që po shqyrtojmë, bërthama është një kristal jodidi argjendi, i përbërë nga një numër i madh (m) molekulash AgI:

m - bërthama e grimcës koloidale

Një proces adsorbimi zhvillohet në sipërfaqen e bërthamës. Sipas rregullit Peskov-Fajans, jonet që janë pjesë e bërthamës së grimcave absorbohen në sipërfaqen e bërthamave të grimcave koloidale, d.m.th. Jonet e argjendit (Ag +) ose jonet e jodit (I -) absorbohen. Nga këto dy lloje të joneve, ato që janë të tepërta janë të përthithura.

Pra, nëse një zgjidhje koloidale përftohet në një tepricë të jodidit të kaliumit, atëherë jonet e jodit do të absorbohen në grimcat (bërthamat), të cilat plotësojnë rrjetën kristalore të bërthamës, duke hyrë natyrshëm dhe fort në strukturën e saj. Në këtë rast, formohet një shtresë adsorbimi, e cila i jep bërthamës një ngarkesë negative:

Jonet e përthithura në sipërfaqen e bërthamës, duke i dhënë asaj një ngarkesë të përshtatshme, quhen jone potencial-formues.

Në të njëjtën kohë, jonet me ngarkesë të kundërt janë gjithashtu në tretësirë, ato quhen kundërjoneve. Në rastin tonë, këto janë jone kaliumi (K +), të cilët tërhiqen elektrostatikisht në bërthamën e ngarkuar (vlera e ngarkesës mund të arrijë I c). Një pjesë e kundërjoneve K + është e lidhur fort nga forcat elektrike dhe adsorbimi dhe hyn në shtresën e adsorbimit. Një bërthamë me një shtresë të dyfishtë adsorbimi të joneve të formuar mbi të quhet kokrrizë.

(m . nI - . (n-x) K + ) x - (struktura e kokrrizave)

Pjesa e mbetur e kundërjoneve (le t'i shënojmë me numrin "x K +") formon një shtresë difuze jonesh.

Bërthama me shtresa adsorbimi dhe difuzioni quhet micelë. :

(m . nI -. (n-x) K + ) x - . x K + (struktura e micelës)

Kur një rrymë elektrike konstante kalon nëpër një zgjidhje koloidale, granulat dhe kundërjonet do të lëvizin përkatësisht drejt elektrodave të ngarkuara në mënyrë të kundërt.

Prania e së njëjtës ngarkesë në sipërfaqen e grimcave të sollit është e rëndësishme. faktor në qëndrueshmërinë e tij. Ngarkesa parandalon ngjitjen dhe zmadhimin e grimcave. Në një sistem dispers të qëndrueshëm, grimcat mbahen në pezullim, d.m.th. nuk ndodh precipitimi i substancës koloidale. Kjo veti e soleve quhet kineti stabiliteti chesky.

Në Fig. 1a, në tejkalim të KCI - 1b .

Fig.1.5. Struktura e micelave të solit të jodur argjendit të marrë në tepricë:

a) nitrat argjendi; b) klorur kaliumi.

Elektroliza - një proces redoks që ndodh në elektroda kur një rrymë elektrike e drejtpërdrejtë kalon nëpër një zgjidhje elektrolite ose shkrihet. Në një elektrolizer, energjia elektrike shndërrohet në energjinë e një reaksioni kimik.

Katodë (-) – elektrodë negative në të cilën ndodh reduktimi gjatë elektrolizës.

Anode (+) – elektroda pozitive në të cilën ndodh oksidimi gjatë elektrolizës.

Ndryshe nga elektroliza, në një qelizë galvanike, reduktimi ndodh në një katodë të ngarkuar pozitivisht dhe oksidimi ndodh në një anodë të ngarkuar negativisht.

Në elektrolizë mund të përdoren anoda inerte (të pazgjidhshme) dhe aktive (të konsumueshme). Anoda aktive, duke u oksiduar, dërgon jonet e veta në tretësirë. Një anodë inerte është vetëm një transmetues elektroni dhe nuk ndryshon kimikisht. Grafiti, platini dhe iridiumi zakonisht përdoren si elektroda inerte.

Gjatë elektrolizës së shkrirjeve dhe tretësirave të elektrolitit, jonet e formuara gjatë shpërbërjes së tyre (nën ndikimin e temperaturës ose ujit) - kationet (Kt n +) dhe anionet (An m -) lëvizin, përkatësisht, në katodë (-) dhe anodë. (+). Pastaj, në elektroda, elektronet transferohen nga katoda në kation, dhe anionet dhurojnë elektrone në anodë.

Në mënyrë sasiore, elektroliza përshkruhet nga dy ligje Faraday.

Ligji i Faradeit: masa e substancës që çlirohet gjatë elektrolizës është proporcionale me sasinë e energjisë elektrike që ka kaluar nëpër elektrolizues:

m = k I∙τ = k∙P ,

Ku I– forca aktuale; τ – koha e rrjedhjes aktuale; Q = I∙τ- sasia e energjisë elektrike; k- koeficienti i proporcionalitetit, vlera e të cilit varet nga sistemi i zgjedhur i njësive (nëse Q= 1 C, atëherë m = k).

Masa e një lënde të çliruar gjatë kalimit të 1 C të energjisë elektrike quhet ekuivalent elektrokimik.

II Ligji i Faradeit: me të njëjtën sasi të energjisë elektrike të kaluar nëpër elektrolit, numri i ekuivalentëve gram të produkteve të elektrolizës është i njëjtë.

Për të lëshuar një ekuivalent të çdo substance në elektrodë, është e nevojshme të shpenzohet e njëjta sasi e energjisë elektrike, e barabartë me Konstante e Faradeit F= 96485 C/mol. Në të vërtetë, një ekuivalent i një substance përmban N A = 6.02322∙10 23 grimca, dhe për të rikthyer një numër të tillë të joneve të ngarkuar vetëm në katodë, është e nevojshme të shpenzohet sasia e energjisë elektrike:

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

ku është ngarkesa e elektronit ē = 1,6021∙10 –19 Cl.

Duke përgjithësuar të dy ligjet e Faradeit, është e mundur të shkruhet.

Tretësirat e ujit të elektroaktivizuar - katolitët dhe anolitet mund të përdoren në bujqësi, për të rritur produktivitetin e bimëve, në blegtori, mjekësi, për dezinfektimin e ujit dhe për qëllime shtëpiake. Trajtimi elektrokimik i ujit përfshin disa procese elektrokimike që lidhen me transferimin e elektroneve, joneve dhe grimcave të tjera në një fushë elektrike konstante (elektrolizë, elektroforezë, elektroflotacion, elektrokoagulim), kryesorja prej të cilave është elektroliza e ujit. Ky artikull e prezanton lexuesin me proceset kryesore që qëndrojnë në themel të elektrolizës së ujit.

Prezantimi

Fenomeni i aktivizimit elektrokimik të ujit (EAW) është një kombinim i efekteve elektrokimike dhe elektrofizike në ujë në një shtresë elektrike të dyfishtë (DEL) të elektrodave (anodë dhe katodë) gjatë transferimit të ngarkesës jo ekuilibër përmes DEL nga elektronet dhe në kushte të dispersion intensiv në lëng i produkteve të gazta që rezultojnë të reaksioneve elektrokimike. Ekzistojnë katër procese kryesore në procesin ECA:

- dekompozimi elektrolitik i ujit (elektroliza) për shkak të reaksioneve redoks në elektroda, të shkaktuara nga një fushë elektrike e jashtme konstante;

- elektroforeza - lëvizja në një fushë elektrike e grimcave dhe joneve të ngarkuara pozitivisht në katodë, dhe grimcave dhe joneve të ngarkuara negativisht në anodë;

- elektroflotacion - formimi i flokulave dhe agregateve të gazit që përbëhen nga flluska gazi të shpërndara imët (hidrogjeni në katodë dhe oksigjeni në anodë) dhe papastërtitë e ujit të shpërndarë në mënyrë të trashë;

- elektrokoagulimi - formimi i agregateve koloidale të grimcave të fazës së shpërndarë të precipituar për shkak të procesit të shpërbërjes anodike të metalit dhe formimit të kationeve metalike Al 3+, Fe 2+, Fe 3+ nën ndikimin e një fushe elektrike konstante. .

Si rezultat i trajtimit të ujit me rrymë elektrike të drejtpërdrejtë, në potenciale të barabarta ose që tejkalojnë potencialin e dekompozimit të ujit (1,25 V), uji kalon në një gjendje metastabile të karakterizuar nga vlera jonormale të aktivitetit të elektroneve dhe parametrave të tjerë fiziko-kimikë (pH, Eh, ORP, përçueshmëria elektrike). Kalimi i një rryme elektrike konstante përmes vëllimit të ujit shoqërohet me procese elektrokimike, si rezultat i të cilave ndodhin reaksione redoks, duke çuar në shkatërrimin (shkatërrimin) e ndotjes së ujit, koagulimin e koloideve, flokulimin e papastërtive të trashë dhe flotimin e tyre të mëvonshëm. .

Fenomeni i aktivizimit elektrokimik të ujit është një kombinim i efekteve elektrokimike dhe elektrofizike në ujë në një shtresë elektrike të dyfishtë të elektrodave gjatë transferimit të ngarkesës jo ekuilibër.

Trajtimi elektrokimik përdoret për pastrimin dhe zbardhjen e ujërave natyrorë, zbutjen e tyre, pastrimin nga metalet e rënda (Cu, Co, Cd, Pb, Hg), klori, fluori dhe derivatet e tyre, për trajtimin e ujërave të zeza që përmbajnë produkte nafte, organike dhe klorur organike. komponimet, ngjyrat, surfaktantët, fenoli. Përparësitë e pastrimit elektrokimik të ujit janë se ju lejon të rregulloni vlerat e vlerës së pH dhe potencialin redoks Eh, nga i cili varet mundësia e proceseve të ndryshme kimike në ujë; rrit aktivitetin enzimatik të llumit të aktivizuar në rezervuarët e ajrimit; zvogëlon rezistencën dhe përmirëson kushtet për koagulimin dhe sedimentimin e sedimenteve organike.

Në vitin 1985, EXHAV u njoh zyrtarisht si një klasë e re e fenomeneve fizike dhe kimike. Urdhri i Qeverisë së Federatës Ruse i datës 15 janar 1998 Nr. VCh-P1201044 u dha rekomandime ministrive dhe departamenteve për përdorimin e kësaj teknologjie në mjekësi, bujqësi dhe industri.

elektroliza e ujit

Faza kryesore e trajtimit elektrokimik të ujit është elektroliza e ujit. Kur një rrymë elektrike konstante kalon nëpër ujë, hyrja e elektroneve në ujë në katodë, si dhe largimi i elektroneve nga uji në anodë, shoqërohet me një sërë reaksionesh redoks në sipërfaqet e katodës dhe anodë. Si rezultat, formohen substanca të reja, ndryshon sistemi i ndërveprimeve ndërmolekulare, përbërja e ujit, duke përfshirë strukturën e ujit. Një instalim tipik për trajtimin elektrokimik të ujit përbëhet nga një njësi për trajtimin e ujit 1, një elektrolizer 2 dhe një njësi për trajtimin e ujit 3 pas trajtimit elektrokimik (Fig. 1).

Në disa instalime të trajtimit elektrokimik të ujit, sigurohet pastrim paraprak mekanik i ujit, i cili zvogëlon rrezikun e bllokimit të qelizës elektrolitike me papastërti të trashë me rezistencë të lartë hidraulike. Një bllok për pastrimin mekanik të ujit është i nevojshëm nëse, si rezultat i trajtimit elektrokimik, uji është i ngopur me papastërti të trashë, për shembull, thekon hidrokside metalike (Al (OH) 3, Fe (OH) 3, Mg (OH) 2) pas elektrokoagulimit. Elementi kryesor i instalimit është një elektrolizer, i përbërë nga një ose më shumë qeliza elektrolize (Fig. 2).

Qeliza e elektrolizës formohet nga dy elektroda - një anodë e ngarkuar pozitivisht dhe një katodë e ngarkuar negativisht, e lidhur me pole të ndryshme të një burimi të rrymës së drejtpërdrejtë. Hapësira ndërelektrodike është e mbushur me ujë, i cili është një elektrolit i aftë të përçojë rrymë elektrike. Si rezultat i funksionimit të pajisjes, ka një transferim të ngarkesave elektrike përmes një shtrese uji - elektroforezë, domethënë migrimi i grimcave polare, bartësve të ngarkesës - joneve, në elektroda të shenjës së kundërt.

Kur një rrymë elektrike konstante kalon nëpër ujë, hyrja e elektroneve në ujë në katodë, si dhe largimi i elektroneve nga uji në anodë, shoqërohet me një sërë reaksionesh redoks në sipërfaqet e katodës dhe anodë.

Në këtë rast, anionet e ngarkuara negativisht lëvizin në anodë, dhe kationet e ngarkuar pozitivisht lëvizin në katodë. Në elektroda, jonet e ngarkuara humbasin ngarkesën e tyre, depolarizohen, duke u shndërruar në produkte të kalbjes. Përveç joneve të ngarkuara, në elektroforezë marrin pjesë grimca polare me dispersi të ndryshme, duke përfshirë grimcat e trashë (grimcat e emulsifikuara, flluska gazi, etj.), por jonet e ngarkuara me lëvizshmëri më të madhe luajnë rolin kryesor në transferimin e ngarkesave elektrokimike. Grimcat polare përfshijnë grimca polare nga papastërtitë e ujit dhe molekulat e ujit, gjë që shpjegohet me strukturën e tyre të veçantë.

Atomi qendror i oksigjenit, i cili është pjesë e molekulës së ujit, e cila ka një elektronegativitet më të madh se atomet e hidrogjenit, tërheq elektronet drejt vetes, duke i dhënë molekulës asimetri. Si rezultat, dendësia e elektroneve rishpërndahet: molekula e ujit polarizohet, duke marrë vetitë e një dipoli elektrik që ka një moment dipoli 1,85 D (Debye), me ngarkesa pozitive dhe negative në pole (Fig. 3).

Produktet e reaksioneve të elektrodës janë papastërtitë ujore të neutralizuara, hidrogjeni i gaztë dhe oksigjeni i formuar gjatë shkatërrimit elektrolitik të molekulave të ujit, kationeve metalike (Al 3+, Fe 2+, Fe 3+) në rastin e përdorimit të anodave metalike të bëra nga alumini dhe çeliku. , klor molekular, etj. Në këtë rast, hidrogjeni i gaztë gjenerohet në katodë, dhe oksigjeni gjenerohet në anodë. Përbërja e ujit përmban një sasi të caktuar të jonit hidronium H 3 O +, i cili depolarizohet në sipërfaqen e katodës me formimin e hidrogjenit atomik H:

H 3 O + + e - → H + H 2 O.

Në një mjedis alkalik, H 3 O + mungon, por molekulat e ujit shkatërrohen, të shoqëruara nga formimi i hidrogjenit atomik H - dhe hidroksidit OH -:

H 2 O + e - → H + OH -.

Atomet reaktive të hidrogjenit absorbohen në sipërfaqet e katodës dhe, pas rikombinimit, formojnë hidrogjen molekular H2, i cili lirohet nga uji në formë të gaztë:

H + H → H 2.

Në të njëjtën kohë, oksigjeni atomik lëshohet në anodë. Në një mjedis acid, ky proces shoqërohet me shkatërrimin e molekulave të ujit:

2H 2 O - 4e - → O 2 + 4H +.

Në një mjedis alkalik, jonet e hidroksidit OH gjithmonë shërbejnë si një burim i formimit të oksigjenit, duke lëvizur nën veprimin e elektroforezës në elektroda, nga katoda në anodë:

4 OH - → O 2 + 2 H 2 O + 4 e -.

Potencialet normale redoks të këtyre reaksioneve janë përkatësisht +1,23 dhe +0,403 V, por procesi vazhdon në kushte të disa

mbitensioni. Qeliza e elektrolizës mund të konsiderohet si gjenerator i produkteve të mësipërme, disa prej të cilave, duke hyrë në ndërveprim kimik me njëri-tjetrin dhe me ndotësit e ujit në hapësirën ndërelektrodike, sigurojnë pastrim kimik shtesë të ujit (elektroflotim, elektrokoagulim). Këto procese dytësore nuk ndodhin në sipërfaqen e elektrodave, por në vëllimin e ujit. Prandaj, në ndryshim nga proceset e elektrodës, ato përcaktohen si vëllimore. Ato nisin nga një rritje e temperaturës së ujit gjatë elektrolizës dhe një rritje në pH gjatë shkatërrimit katodik të molekulave të ujit.

Të dallojë oksidimin katodik dhe anodik. Gjatë oksidimit katodik, molekulat e substancave organike, duke u sorbuar në katodë, pranojnë elektrone të lira, restaurohen, duke u shndërruar në komponime që nuk janë ndotës. Në disa raste, procesi i rikuperimit zhvillohet në një fazë:

R + H + + e - → RH, ku R është një përbërje organike; RH është forma e hidratuar e përbërjes dhe nuk është një ndotës.

Në raste të tjera, reduktimi katodik zhvillohet në dy faza: në fazën e parë (I), molekula organike shndërrohet në një anion, në të dytën (II), anioni hidratohet duke ndërvepruar me një proton uji:

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

Të dallojë oksidimin katodik dhe anodik. Gjatë oksidimit katodik, molekulat e substancave organike, duke u sorbuar në katodë, pranojnë elektrone të lira dhe reduktohen.

Katoda të bëra nga materiale që kërkojnë një mbitension të lartë (plumb, kadmium) lejojnë, me një kosto të lartë të energjisë elektrike, të shkatërrojnë molekulat organike dhe të gjenerojnë radikale të lira reaktive - grimca që kanë elektrone të lira të paçiftuara (Cl*, O*, OH*) në orbitat e jashtme të atomeve ose molekulave, NO*2, etj.). Rrethana e fundit u jep radikalëve të lirë vetinë e reaktivitetit, domethënë aftësinë për të hyrë në reaksione kimike me papastërtitë ujore dhe për t'i shkatërruar ato.

RH → R + H + + e - .

Oksidimi anodik i përbërjeve organike shpesh çon në formimin e radikaleve të lira, transformimet e mëtejshme të të cilave përcaktohen nga reaktiviteti i tyre. Proceset e oksidimit anodik janë shumëfazësh dhe vazhdojnë me formimin e produkteve të ndërmjetme. Oksidimi anodik zvogëlon stabilitetin kimik të përbërjeve organike dhe lehtëson degradimin e tyre të mëvonshëm gjatë proceseve në masë.

Në proceset oksiduese vëllimore, një rol të veçantë luajnë produktet e elektrolizës së ujit - oksigjeni (O 2), peroksidi i hidrogjenit (H 2 O 2) dhe komponimet e klorit që përmbajnë oksigjen (HClO). Në procesin e elektrolizës, formohet një përbërës jashtëzakonisht reaktiv - H 2 O 2, formimi i molekulave të së cilës ndodh për shkak të radikaleve hidroksile (OH *), të cilat janë produkte të shkarkimit të joneve hidroksil (OH-) në anodë. :

2OH - → 2OH* → H 2 O 2 + 2e -, ku OH* është një radikal hidroksil.

Reaksionet e bashkëveprimit të substancave organike me agjentët oksidues vazhdojnë për një periudhë të caktuar kohe, kohëzgjatja e së cilës varet nga vlera e potencialit redoks të elementit dhe përqendrimi i substancave reaguese. Me uljen e përqendrimit të ndotësit dhe uljen e përqendrimit të ndotësit, procesi i oksidimit zvogëlohet.

Shpejtësia e procesit të oksidimit gjatë trajtimit elektrokimik varet nga temperatura e ujit të trajtuar dhe pH. Në procesin e oksidimit të përbërjeve organike, formohen produkte të ndërmjetme që ndryshojnë nga ai fillestar si në rezistencën ndaj transformimeve të mëtejshme ashtu edhe në treguesit e toksicitetit.

Burimet e klorit aktiv dhe përbërësve të tij që përmbajnë oksigjen të krijuara në elektrolizer janë kloruret në ujin e trajtuar dhe kloruri i natriumit (NaCl), i cili futet në ujin e trajtuar përpara elektrolizës. Si rezultat i oksidimit anodik të anioneve Cl-, klorin i gaztë Cl 2 krijohet. Në varësi të pH-së së ujit, ai ose hidrolizohet për të formuar acid hipoklorik HOCl ose formon jone hipoklorit ClO- . Ekuilibri i reaksionit varet nga vlera e pH.

Në pH = 4-5, i gjithë klori është në formën e acidit hipoklor (HClO), dhe në pH = 7, gjysma e klorit është në formën e jonit hipoklorit (OCl -) dhe gjysma është në formën e acidit hipoklor. (HClO) (Fig. 4). Mekanizmi i ndërveprimit të jonit hipoklorit (ClO -) me substancën e oksiduar përshkruhet nga ekuacioni i mëposhtëm:

ClO - + A = C + Cl, ku A është substanca e oksidueshme; C është një produkt oksidimi.

Oksidimi elektrokimik i përbërjeve organike me hipoklorition (ClO -) shoqërohet me një rritje të potencialit redoks Eh, gjë që tregon mbizotërimin e proceseve oksiduese. Rritja e Eh varet nga raporti i përqendrimit të klorit aktiv në hapësirën ndërelektrodike me përmbajtjen e papastërtive organike në ujë. Me pastrimin dhe uljen e sasisë së ndotjes, ky raport rritet, gjë që çon në rritjen e Eh, por më pas ky tregues stabilizohet.

Sasia e substancës që reagon në elektroda kur kalon një rrymë elektrike të drejtpërdrejtë sipas ligjit të Faradeit është drejtpërdrejt proporcionale me fuqinë aktuale dhe kohën e përpunimit:

G = AI cur τ, (1)

ku A është ekuivalenti elektrokimik i elementit, g/(A⋅h); I cur - forca aktuale, A; τ është koha e përpunimit, h. Ekuivalenti elektrokimik i elementit përcaktohet me formulën:

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

ku M është masa atomike e elementit, g; z është valenca e tij. Vlerat e ekuivalentëve elektrokimikë të disa elementeve janë dhënë në tabelë. 1.

Sasia aktuale e substancës së gjeneruar gjatë elektrolizës është më e vogël se ajo teorike, e llogaritur me formulën (1), pasi një pjesë e energjisë elektrike shpenzohet për ngrohjen e ujit dhe elektrodave. Prandaj, llogaritjet marrin parasysh faktorin aktual të shfrytëzimit η< 1, величина которого определяется экспериментально.

Gjatë proceseve të elektrodës, bëhet një shkëmbim i grimcave të ngarkuara dhe joneve ndërmjet elektrodës dhe elektrolitit - ujit. Për ta bërë këtë, në kushtet e ekuilibrit të gjendjes së qëndrueshme, është e nevojshme të krijohet një potencial elektrik, vlera minimale e të cilit varet nga lloji i reaksionit redoks dhe nga temperatura e ujit në 25 °C (Tabela 2).

Parametrat kryesorë të elektrolizës së ujit përfshijnë forcën dhe densitetin e rrymës, tensionin brenda qelizës së elektrodës, si dhe shpejtësinë dhe kohëzgjatjen e qëndrimit të ujit midis elektrodave.

Tensionet e krijuara në qelizën e elektrodës duhet të jenë të mjaftueshme për shfaqjen e reaksioneve redoks në elektroda. Vlera e tensionit varet nga përbërja jonike e ujit, prania e papastërtive në ujë, për shembull, surfaktantët, dendësia e rrymës (forca e saj për njësi të sipërfaqes së elektrodës), materiali i elektrodës, etj. Duke qenë të tjera të barabarta, detyra zgjedhja e një materiali elektrodë është të sigurohet që për kalimin e reaksioneve të rikuperimit oksidativ në elektroda, voltazhi i kërkuar ishte minimal, pasi kjo zvogëlon koston e energjisë elektrike.

Disa reaksione redoks janë konkurruese - ato zhvillohen njëkohësisht dhe reciprokisht pengojnë njëri-tjetrin. Rrjedha e tyre mund të kontrollohet duke ndryshuar tensionin në qelizën elektrolitike. Pra, potenciali normal i reaksionit të formimit të oksigjenit molekular është +0,401 V ose +1,23 V; me një rritje të tensionit në +1,36 V (potenciali normal për reagimin e formimit molekular të klorit), vetëm oksigjeni do të lëshohet në anodë, dhe me një rritje të mëtejshme të potencialit, oksigjeni dhe klori do të lëshohen njëkohësisht, dhe klori do të lirohet me intensitet të pamjaftueshëm. Në një tension prej rreth 4-5 V, evolucioni i oksigjenit praktikisht do të pushojë, dhe qeliza elektrolitike do të gjenerojë vetëm klor.

Llogaritja e parametrave kryesorë të procesit të elektrolizës së ujit

Parametrat kryesorë të elektrolizës së ujit përfshijnë forcën dhe densitetin e rrymës, tensionin brenda qelizës së elektrodës, si dhe shpejtësinë dhe kohëzgjatjen e qëndrimit të ujit në hapësirën ndërelektrodike.

Fuqia aktuale që kam marrë është një vlerë e përcaktuar në varësi të performancës së kërkuar për produktin e gjeneruar [A], përcaktohet nga formula:

Icur=G/A tη , (3)

Kjo formulë fitohet duke transformuar formulën (1) duke marrë parasysh faktorin aktual të shfrytëzimit η. Dendësia e rrymës është forca e saj, e lidhur me sipërfaqen e njësisë së elektrodës [A / m 2], për shembull, anoda, përcaktohet nga shprehja e mëposhtme:

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

ku F an është zona e anodës, m 2 . Dendësia e rrymës ka ndikimin më vendimtar në procesin e elektrolizës: domethënë, me një rritje të densitetit të rrymës, proceset e elektrodave intensifikohen dhe sipërfaqja e elektrodave zvogëlohet, por në të njëjtën kohë, voltazhi në qelizën e elektrolizës. rritet dhe, si rezultat, i gjithë intensiteti energjetik i procesit. Një rritje e shtuar e densitetit të rrymës intensifikon çlirimin e gazeve të elektrolizës, duke çuar në flluska dhe shpërndarje të produkteve të patretshme të trajtimit elektrik të ujit.

Me një rritje të densitetit të rrymës, rritet edhe pasivizimi i elektrodave, i cili konsiston në bllokimin e elektroneve hyrëse nga depozitat sipërfaqësore të anodës dhe katodës, gjë që rrit rezistencën elektrike në qelizat e elektrodës dhe pengon reaksionet redoks që ndodhin në elektroda.

Anodet pasivohen si rezultat i formimit të filmave të hollë të oksidit në sipërfaqet e tyre, si rezultat i thithjes së oksigjenit dhe përbërësve të tjerë në anoda, të cilat, nga ana tjetër, thithin grimcat e papastërtive ujore. Mbi katoda formohen depozitime kryesisht karbonate, sidomos në rastin e trajtimit të ujit me fortësi të shtuar. Për këto arsye, dendësia e rrymës gjatë elektrolizës së ujit duhet të vendoset në minimum në kushtet për shfaqjen e qëndrueshme të reaksioneve të nevojshme redoks gjatë procesit teknologjik.

Koha e qëndrimit të ujit në hapësirën ndërelektrodike të elektrolizuesit është e kufizuar nga koha e nevojshme për të gjeneruar sasinë e kërkuar të produkteve të elektrolizës.

Tensioni në qelizën e elektrodës [V] përcaktohet nga formula:

V i = i en ΔK g / χ R , (5)

ku i an është dendësia e rrymës, A/m 2; D është distanca midis elektrodave (gjerësia e kanalit ndërelektrod), m; χ R është përçueshmëria elektrike e ujit, 1/(Ohm⋅m); K g - koeficienti i mbushjes së gazit të hapësirës ndërelektrodike, zakonisht merret K g \u003d 1.05-1.2.

Formula (5) nuk merr parasysh rezistencat elektrike të elektrodës për shkak të vlerave të tyre të ulëta, por gjatë pasivimit, këto rezistenca rezultojnë të jenë të rëndësishme. Gjerësia e kanalit ndërelektrod supozohet të jetë minimale (3-20 mm) sipas kushteve të mos bllokimit nga papastërtitë.

Përçueshmëria elektrike specifike e ujit χ R varet nga një sërë faktorësh, ndër të cilët më të rëndësishëm janë temperatura, pH, përbërja jonike dhe përqendrimi i joneve (Fig. 5). Me një rritje të temperaturës, përçueshmëria elektrike χ R rritet dhe voltazhi zvogëlohet (Fig. 6). Vlera minimale e përçueshmërisë elektrike korrespondon me pH = 7. Përveç kësaj, gjatë procesit të elektrolizës rritet temperatura dhe pH e ujit. Nëse pH > 7, atëherë mund të presim një ulje të përçueshmërisë elektrike specifike të ujit χ R , dhe në vlerat e pH< 7 удельная электропроводность воды χ R , наоборот, возрастает (рис. 5).

Përçueshmëria elektrike specifike e ujërave natyrore me mineralizim mesatar është 0,001-0,005 1 / (Ohm⋅m), ujërat e zeza urbane janë 10-0,01 1 / (Ohm⋅m) . Gjatë elektrolizës, përçueshmëria elektrike duhet të jetë në intervalin 0,1-1,0 1 / (Ohm⋅m) . Nëse uji i burimit ka përçueshmëri elektrike të pamjaftueshme, kripësia duhet të rritet (Fig. 7). Zakonisht, për këtë përdoret klorur natriumi (NaCl), dozat e të cilit përcaktohen eksperimentalisht dhe më së shpeshti janë 500-1500 mg / l (8-25 meq / l). Kloruri i natriumit nuk është vetëm i përshtatshëm për sa i përket aplikimit dhe sigurisë (ruajtja, përgatitja e solucionit, etj.), por në prani të NaCl, pasivimi i elektrodës ngadalësohet. Duke u shpërbërë në ujë, NaCl e ngop ujin me anionet e klorit Cl - dhe kationet e natriumit Na + . Jonet e klorit Cl - janë të vogla dhe duke depërtuar përmes depozitimeve pasivizuese në sipërfaqen e anodës, i shkatërrojnë këto depozitime. Në prani të anioneve të tjera, veçanërisht joneve sulfate (SO 2- 4 ), efekti depasivues i joneve të klorurit (Cl-) zvogëlohet. Funksionimi i qëndrueshëm i qelizës është i mundur nëse jonet - Cl - përbëjnë të paktën 30% të numrit të përgjithshëm të anioneve. Si rezultat i elektroforezës, kationet e natriumit Na + lëvizin në katoda, mbi të cilat krijohen jonet hidroksid OH - dhe, duke bashkëvepruar me këtë të fundit, formojnë hidroksid natriumi (NaOH), i cili shpërndan depozitat karbonate në katodë.

Konsumi i energjisë [W] i qelizës elektrolitike përcaktohet nga marrëdhënia e mëposhtme:

N konsumi = η e I kur V e, (6)

ku η e është efikasiteti i qelizës, zakonisht merret η e = 0,7-0,8; I cur - forca aktuale, A; V e - tension në elektrolizer, V.

Koha e qëndrimit të ujit në hapësirën ndërelektrodike të qelizës është e kufizuar nga koha e nevojshme për të gjeneruar sasinë e kërkuar të produkteve të elektrolizës, si dhe nga kohëzgjatja e reaksioneve vëllimore përkatëse, dhe përcaktohet në mënyrë eksperimentale.

Shpejtësia e lëvizjes së ujit në hapësirën ndërelektrodike vendoset duke marrë parasysh kushtet për heqjen e produkteve të elektrolizës dhe papastërtive të tjera nga elektrolizuesi; përveç kësaj, përzierja e turbullt varet nga shpejtësia e lëvizjes së ujit, e cila ndikon në rrjedhën e reaksioneve vëllimore. Ashtu si koha e qëndrimit të ujit, shpejtësia e ujit zgjidhet bazuar në të dhënat eksperimentale.

Vazhdon.

1. Bakhir V.M., Liakumovich A.G., Kirpichnikov P.A., Spektor L.E., Mamadzhanov U.D. Natyra fizike e dukurive të aktivizimit të substancave // ​​Izv. Akademia e Shkencave e SSR-së së Uzbekistanit. Ser. teknologjisë. Nauk., Nr 1/1983.

2. Kulsky L.A. Pastrimi i ujit me elektrokoagulim / L.A. Kulsky, P.P. Strokach, V.A. Slipchenko dhe të tjerët - Kiev: Budivelnik, 1978.

3. Lipovetsky Ya.M. Metodat elektrokimike të pastrimit të ujërave të pijshëm dhe të ndotur / Ya.M. Lipovetsky, Ya.D. Rappoport - M .: TsBNTI i Minzhilkomkhoz të RSFSR, 1985.

4. Kirpichnikov P.A., Bakhir V.M., Gamer P.U., Dobrenkov G.A., Liakumovich A.G., Fridman B.S., Agadzhanyan S.I. Mbi natyrën e aktivizimit elektrokimik të mediave // ​​Dokl. Akademia e Shkencave e BRSS, Nr.3/1986, Vëll.286.

5. Bakhir V.M., Zadorozhniy Yu.G. Reaktorët elektrokimikë RPE. - M .: "Hyperoks", 1991.

6. Yakovlev S.V. Teknologjia e trajtimit elektrokimik të ujit / S.V. Yakovlev, I.G. Krasnoborodko, V.M. Rogov. - L.: L.O. Stroyizdat, 1987.

7. Bakhir V.M. Sisteme moderne teknike elektrokimike për dezinfektimin, pastrimin dhe aktivizimin e ujit. - M.: VNIIIMT, 1999.

8. Bakhir V.M., Zadorozhniy Yu.G., Leonov B.I., Panicheva S.A., Prilutsky V.I. Aktivizimi elektrokimik: pastrimi i ujit dhe marrja e zgjidhjeve të dobishme. - M.: VNIIIMT, 2001.

9. Kulsky L.A. Manual i vetive, metodave të analizës dhe pastrimit të ujit. Pjesa 1 / L.A. Kulsky, I.T. Goronovsky, A.M. Koganovsky dhe të tjerët - Kiev: Naukova Dumka, 1980.

10. Medish G.L. Dezinfektimi i ujërave natyrore dhe të zeza duke përdorur elektrolizë / G.L. Medrish, A.A. Taisheva, D.L. Legen. - M.: Stroyizdat, 1982.

11. Volovnik G.I. Bazat teorike të pastrimit të ujit / G.I. Volovnik, L.D. Terekhov. Pjesa 1. - Khabarovsk: Shtëpia botuese e Universitetit Shtetëror të Lindjes së Largët të Inxhinierisë Hekurudhore, 2000.

12. Bakhir V.M. aktivizimi elektrokimik. Pjesa 2. - M .: mjaltë VNIIII. teknologji, 1992.

13. Babtsova N.F., Komarov I.F. Eksperiencë në përdorimin e pajisjes STEL në departamentin e kirurgjisë / II Int. simptomë. "Elektr. aktivizimi”, Pjesa 1. - M., 1999.

14. Leonov B.I., Prilutsky V.I., Bakhir V.M. Aspektet fiziko-kimike të veprimit biologjik të ujit të aktivizuar elektrokimikisht. - M.: VNIIIMT, 1999.

15. Bakhir V.M. Aspekte teorike të aktivizimit elektrokimik / II Int. simptomë. "Elektr. aktivizimi". Pjesa 1. - M., 1999.

16. Toropkov V.V., Altshul E.B., Toropkova E.V. Karakteristikat toksikologjike të katolitit të barit / III Int. simptomë. "Elektr. aktivizimi". - M., 2001.

17. Leonov B.I., Bakhir V.M., Vtorenko V.I. Aktivizimi elektrokimik në mjekësinë praktike / II Int. simptomë. "Aktivizimi elektrokimik", Pjesa 1. - M., 1999.

18. Toropkov V.V. Altshul E.B., Peresypkin O.I. Efektiviteti farmakologjik i veprimit të anoliteve AN dhe ANK në mukozën e zgavrës me gojë / II Int. simptomë. "Elektr. aktivizimi” // Procedura, raporte. dhe mesazh Pjesa 1. - M., 1999.

19. Prilutsky V.I., Bakhir V.M. Uji i aktivizuar elektrokimik: vetitë anormale, mekanizmi i veprimit biologjik. - M.: VNIIIMT, 1997.

20. Paniçeva S.A. Teknologji të reja për dezinfektimin dhe sterilizimin e pajisjeve komplekse mjekësore. - M.: VNIIIMT, 1998.

1. Çfarë u vu re në eksperimentin e Oersted?
a) Bashkëveprimi i dy përcjellësve paralelë me rrymën.
b) Ndërveprimi i dy gjilpërave magnetike.
c) Rrotullimi i gjilpërës magnetike pranë përcjellësit kur kalon rrymë në të.
d) Ndodhja e një rryme elektrike në bobina kur në të vendoset një magnet.

2. Si ndërveprojnë dy përçues paralelë me njëri-tjetrin nëse rrymat kalojnë nëpër to në të njëjtin drejtim?
a) tërhiqen. b) Zmbraps. c) Forca e bashkëveprimit është zero. d) Nuk ka përgjigje të saktë.

3. Kur një rrymë elektrike e drejtpërdrejtë kalon nëpër një përcjellës, rreth tij lind një fushë magnetike. Zbulohet nga vendndodhja e llambave të çelikut në një fletë letre ose nga rrotullimi i një gjilpëre magnetike që ndodhet pranë përcjellësit.Si mund të lëvizet kjo fushë magnetike në hapësirë?
a) Transferimi i tallasheve të çelikut. b) Duke lëvizur magnetin. c) Transferimi i një përcjellësi me rrymë. d) Fusha magnetike nuk mund të lëvizet.

4. Si do të vendosen gjilpërat magnetike të vendosura në pikat A dhe B brenda bobinës kur hapet çelësi K?
a) Po aq poli verior në të djathtë në figurë.
b) I njëjti pol verior në të majtë në figurë.
c) Shigjeta me polet e veriut përballë njëri-tjetrit.
d) Shigjeta me polet e jugut përballë njëri-tjetrit.

5. Pse pajisja e motorëve AC është më e thjeshtë se DC? Pse motorët DC përdoren në automjete?

6. Përcaktoni polet e elektromagnetit.

7. Paraqitni fushën magnetike të rrymave dhe përcaktoni drejtimin e vijave të fushës magnetike.

8. Përcaktoni drejtimin e forcës që vepron në një përcjellës rrymë të vendosur në një fushë magnetike.

9. Keni tre artikuj – “pajisje”: një bllok druri, dy gozhda çeliku që nuk tërhiqen nga njëri-tjetri dhe një magnet të përhershëm.
Tre "kuti të zeza" përmbajnë përkatësisht: një magnet, dy gozhdë dhe një bllok druri. Cilat instrumente dhe në çfarë sekuence është më mirë të përdorni për të zbuluar se çfarë është në secilën prej kutive?

10. Një motor DC konsumon një rrymë prej 2 A nga një burim me tension 24 V. Sa është fuqia mekanike e motorit nëse rezistenca e mbështjelljes së tij është 3 ohm? Cila është K.P.D e saj?

Përcaktoni drejtimin e rrymës në përcjellësin, seksioni kryq i të cilit dhe fusha magnetike janë paraqitur në figurën 1.

3. Çfarë drejtimi ka rryma në përcjellësin, drejtimi i vijave të fushës magnetike të të cilit tregohet me shigjeta (Fig. 3)?

5. Në drejtimin e vijave të fushës magnetike të paraqitura në figurën 5, përcaktoni drejtimin e rrymës rrethore në unazë.

Valët elektromagnetike lindin: A. Kur ngarkesat elektrike lëvizin me shpejtësi konstante. B. Me lëvizje të përshpejtuar të elektrike

B. Rreth ngarkesave stacionare.

G. Rreth një përcjellësi të palëvizshëm nëpër të cilin kalon një rrymë elektrike e drejtpërdrejtë.

D. Rreth një pllake metalike të fiksuar të ngarkuar

1. Rryma elektrike quhet... A). lëvizjen e elektroneve. B). lëvizja e rregullt e grimcave të ngarkuara. B). lëvizja e rregullt e elektroneve. 2.

Për të krijuar një rrymë elektrike në një përcjellës, është e nevojshme... A). krijoni një fushë elektrike në të. B). krijoni ngarkesa elektrike në të. B). për të ndarë ngarkesat elektrike në të. 3. Cilat grimca krijojnë rrymë elektrike në metale? A). Elektrone të lira. B). jone pozitive. B). jonet negative. ^ 4. Çfarë veprimi i rrymës përdoret në galvanometra? A. Termike. B. Kimike. B. Magnetike. 5. Fuqia e rrymës në qarkun e sobës elektrike është 1,4 A. Cila ngarkesë elektrike kalon në prerjen tërthore të spirales së saj për 20 minuta? A). 3200 cl. B). klasa 1680 B). 500 cl. ^ 6. Në cilin diagram (Fig. 1) ampermetri është i lidhur saktë me qarkun? A). 1. B). 2. B). 3. 7. Kur një përçues kalon një ngarkesë elektrike e barabartë me 6 C, kryhet punë 660 J. Sa është tensioni në skajet e këtij përcjellësi? A). 110 V. B). 220 V. V). 330 V. ^ 8. Në cilin diagram (Fig. 2) është lidhur saktë voltmetri në qark? A). 1. B). 2. 9. Dy bobina teli bakri të të njëjtit seksion kanë gjatësi përkatësisht 50 dhe 150 m.Cila prej tyre ka më shumë rezistencë dhe sa herë? A). E para është 3 herë. B). E dyta është 3 herë. ^ 10. Sa është forca e rrymës që kalon nëpër një tel nikeli 25 cm të gjatë dhe 0,1 mm2 në prerje tërthore nëse tensioni në skajet e tij është 6 V? A). 2 A. B). 10 A. B). 6 A

1. Në çfarë njësi matet forca e rrymës elektrike? A. Ohm; B. J; W.W; G. A.

2. Çfarë veprimesh manifestohen gjithmonë kur një rrymë elektrike kalon nëpër ndonjë medium?

A. Termike; B. Magnetike; NË. Kimike; G. Drita.

4. Përcaktoni tensionin nën të cilin ndodhet llamba, nëse kur lëvizni një ngarkesë prej 10 C, puna kryhet 2200 J.

5. Përcaktoni rezistencën e seksionit AB në qarkun e paraqitur në figurë.

6. Llogaritni rezistencën e një teli nikromi me një gjatësi prej 150 m dhe një sipërfaqe tërthore prej 0,2 mm2.

7. Një përcjellës bakri me një seksion kryq prej 3,5 mm2 dhe një gjatësi prej 14,2 m bart një rrymë prej 2,25 A. Përcaktoni tensionin në skajet e këtij përcjellësi.

8. Sa elektrone kalojnë nëpër seksionin kryq të përcjellësit në 35 s me një fuqi rryme prej 16 A në të?

9. Përcaktoni masën e një teli hekuri me një sipërfaqe tërthore prej 2 mm2, e marrë për të bërë një rezistencë me një rezistencë prej 6 ohms.