Netirpios medžiagos susidarymas dėl cheminės reakcijos yra tik viena iš sąlygų koloidiniam tirpalui gauti. Kita ne mažiau svarbi sąlyga yra pradinių medžiagų, paimtų į reakciją, nelygybė. Šios nelygybės pasekmė yra tirpalų koloidų dalelių dydžio augimo apribojimas, dėl kurio susidarytų stambiai išsklaidyta sistema.
Panagrinėkime koloidinės dalelės susidarymo mechanizmą naudodami sidabro jodido zolio susidarymo pavyzdį, kuris gaunamas sąveikaujant praskiestiems sidabro nitrato ir kalio jodido tirpalams.
AgNO 3 + KI = AgI + KNO 3
Ag + + NO 3 ¯ + K + + I ¯ = AgI ↓ + NO 3 ¯ + K +
Netirpios neutralios sidabro jodido molekulės sudaro koloidinės dalelės šerdį.
Iš pradžių šios molekulės susijungia netvarkingai, sudarydamos amorfinę, laisvą struktūrą, kuri palaipsniui virsta labai tvarkinga šerdies kristaline struktūra. Mūsų pavyzdyje šerdis yra sidabro jodido kristalas, sudarytas iš daugybės (m) AgI molekulių:
m – koloidinės dalelės šerdis
Šerdies paviršiuje vyksta adsorbcijos procesas. Pagal Peskovo-Fajanso taisyklę jonai adsorbuojami ant koloidinių dalelių branduolių, kurie yra dalelės branduolio dalis, paviršiuje, t.y. adsorbuojami sidabro jonai (Ag +) arba jodo jonai (I -). Iš šių dviejų jonų tipų adsorbuojami tie, kurių perteklius.
Taigi, jei koloidinis tirpalas gaunamas kalio jodido pertekliumi, jodo jonai bus adsorbuojami ant dalelių (branduolių), kurios užbaigia branduolio kristalinę gardelę, natūraliai ir tvirtai įeinant į jo struktūrą. Tokiu atveju susidaro adsorbcinis sluoksnis, kuris šerdyje suteikia neigiamą krūvį:
Branduolio paviršiuje adsorbuoti jonai, suteikiantys jam atitinkamą krūvį, vadinami potencialą formuojančiais jonais.
Šiuo atveju tirpale yra ir priešingai įkrautų jonų, jie vadinami priešionai. Mūsų atveju tai kalio jonai (K +), kuriuos elektrostatiškai traukia įkrautas branduolys (krūvio kiekis gali siekti I in). Kai kurie K + priešionai yra tvirtai surišti elektros ir adsorbcijos jėgų ir yra įtraukti į adsorbcijos sluoksnį. Branduolys, ant kurio susidaro dvigubas adsorbcijos jonų sluoksnis, vadinamas granulėmis.
(m. nI -. (n-x) K +) x - (granulių struktūra)
Likę priešionai (juos žymime skaičiumi "x K +") sudaro difuzinį jonų sluoksnį.
Šerdis su adsorbcijos ir difuzijos sluoksniais vadinama micele. :
(m. nI -. (n-x) K +) x -. x K + (micelių struktūra)
Kai per koloidinį tirpalą teka nuolatinė elektros srovė, granulės ir priešionai atitinkamai pereina į priešingai įkrautus elektrodus.
Svarbus yra to paties pavadinimo krūvio buvimas solo dalelių paviršiuje jo stabilumo veiksnys.Įkrovimas neleidžia dalelėms prilipti ir padidėti. Stabilioje dispersinėje sistemoje dalelės laikomos suspensijoje, t.y. nevyksta koloidinės medžiagos nusodinimas. Ši zolių savybė vadinama kinety. stabilumas.
Sidabro jodido zolio, gauto AgNO3 pertekliumi, micelių struktūra parodyta Fig. 1а, viršijant KCI - 1b .
1.5 pav. Sidabro jodido zolio micelės struktūra, gauta pertekliui:
a) sidabro nitratas; b) kalio chloridas.
Kai per elektrolitą teka nuolatinė elektros srovė, ant elektrodų vyksta cheminės reakcijos.Šis procesas vadinamas elektrolize, o tai reiškia (medžiagos) skilimą naudojant elektros energiją.
Vabzdys. 8.1 buvo nurodyta, kad elektrolitas – tai skystis, kurį praeinant elektros srovei, vyksta cheminė reakcija. Elektrolitas gali būti išlydyta druska, tokia kaip išlydytas švino (H) bromidas, arba vandeninis rūgšties, bazės arba druskos tirpalas.
Elektros srovė į elektrolitą tiekiama naudojant elektrodus – vielos laidininkus, metalinius strypus ar plokštes, kurios elektriškai kontaktuoja su elektrolitu. Neigiamo krūvio elektrodas yra katodas, o teigiamas elektrodas yra anodas. Elektrodai, kurie nedalyvauja cheminėse reakcijose, liečiasi su elektrolitais ir per juos perduoda elektros srovę, vadinami inertiniais elektrodais. Inertiniai elektrodai yra grafitas ir platina.
JONINĖ ELEKTROLIZE TEORIJA
Pagal šią teoriją nuolatinė elektros srovė praeina per elektrolitą jonų pagalba. Prie elektrodų elektronai perkeliami į jonus arba iš jų. Todėl ant elektrodų vykstantys procesai gali būti laikomi redukcine arba oksidacine pusreakcija. Taigi elektrolizė yra redokso procesas.
Oksidacinė pusinė reakcija visada vyksta anode. Šioje reakcijoje anijonai praranda elektronus ir išsikrauna, virsdami neutraliomis dalelėmis. Todėl anodas veikia kaip elektronų nutekėjimo iš anijonų vieta.
Prie katodo visada atliekama redukcinė pusinė reakcija. Čia katijonai įgyja elektronus ir išsikrauna, virsdami neutraliomis dalelėmis. Todėl katodas veikia kaip katijonų elektronų šaltinis.
Išlydyto švino bromido (H) elektrolizė susideda iš dviejų pusinių reakcijų:
1) bromido jonai išleidžiami prie anodo. (Šios pusinės reakcijos lygtis turi
2Br- (g.) = Br2 (g.) + 2-
Ši pusinė reakcija yra oksidacija.)
2) prie katodo išleidžiami švino jonai. (Šios pusinės reakcijos lygtis yra tokia:
PL2 + (tv.) + 2e = Pb (g.)
Ši pusiau reakcija reiškia atsigavimą.)
Reikėtų pažymėti, kad reakcijas, vykstančias ant anodo ir katodo kiekvienoje konkrečioje sistemoje, iš anksto nulemia srovės šaltinio poliškumas išorinėje elektros grandinėje. Neigiamas išorinio srovės šaltinio (baterijos) polius tiekia elektronus į vieną iš elektrolizės elemento elektrodų. Tai sukelia neigiamą šio elektrodo krūvį. Jis taip pat tampa katodu. Kadangi šis elektrodas yra neigiamai įkrautas, jis savo ruožtu sukelia elektrodo reakciją, kurios metu sunaudojami elektronai. Taigi redukcijos procesas atliekamas šiuo elektrodu. Kitame elektrode elektronai teka iš elektrolitinės ląstelės atgal į išorinę grandinę, todėl tas elektrodas yra teigiamas elektrodas. Tai reiškia, kad šis elektrodas atlieka anodo vaidmenį. Dėl teigiamo jo krūvio jame vyksta reakcija, kurią lydi elektronų išsiskyrimas, t.y., oksidacija.
Scheminis viso elektrolizės proceso vaizdas parodytas Fig. 10.6.
Elektroaktyvuoti vandens tirpalai – katolitai ir anolitai gali būti naudojami žemės ūkyje, augalų produktyvumui didinti, gyvulininkystėje, medicinoje, vandens dezinfekcijai ir buities reikmėms. Elektrocheminis vandens valymas apima kelis elektrocheminius procesus, susijusius su elektronų, jonų ir kitų dalelių perkėlimu pastoviame elektriniame lauke (elektrolizė, elektroforezė, elektroflotacija, elektrokoaguliacija), kurių pagrindinis yra vandens elektrolizė. Šis straipsnis supažindina skaitytoją su pagrindiniais vandens elektrolizės procesais.
Įvadas
Elektrocheminio vandens aktyvavimo reiškinys (EHAV) yra elektrocheminio ir elektrofizinio poveikio vandeniui derinys elektriniame dvigubame elektrodų (anodo ir katodo) sluoksnyje, kai nepusiausvyros krūvis per DES perduodamas elektronais ir intensyvios dispersijos sąlygomis. skystyje susidarančių dujinių elektrocheminių reakcijų produktų. EHAV procese vyksta keturi pagrindiniai procesai:
- elektrolitinis vandens skilimas (elektrolizė) dėl elektroduose vykstančių redokso reakcijų, kurias sukelia išorinis pastovus elektrinis laukas;
- elektroforezė - teigiamai įkrautų dalelių ir jonų judėjimas elektriniame lauke į katodą, o neigiamai įkrautų dalelių ir jonų - į anodą;
- elektroflotacija - dujų flokulų ir agregatų susidarymas, susidedantis iš smulkiai išsklaidytų dujų burbuliukų (vandenilis prie katodo ir deguonis prie anodo) ir stambiai išsklaidytų vandens priemaišų;
- elektrokoaguliacija - koloidinių išsklaidytos fazės dalelių agregatų susidarymas dėl anodinio metalo tirpimo proceso ir metalo katijonų Al 3+, Fe 2+, Fe 3+ susidarymo veikiant pastoviam elektriniam laukui. .
Vandenį apdorojant pastovia elektros srove, kai potencialai lygūs arba viršija vandens skilimo potencialą (1,25 V), vanduo pereina į metastabilią būseną, kuriai būdingos nenormalios elektronų aktyvumo ir kitų fizikinių bei cheminių parametrų reikšmės (pH). , E h, ORP, elektros laidumas). Nuolatinės elektros srovės pratekėjimą per vandens tūrį lydi elektrocheminiai procesai, dėl kurių vyksta redokso reakcijos, dėl kurių sunaikinama (sunaikinama) vandens tarša, koloidų koaguliacija, stambių priemaišų flokuliacija ir vėlesnė jų flotacija. .
Elektrocheminio vandens aktyvavimo reiškinys yra elektrocheminio ir elektrofizinio poveikio vandeniui derinys dvigubame elektriniame elektrodų sluoksnyje nepusiausvyro krūvio perdavimo metu.
Elektrocheminis apdorojimas naudojamas natūralių vandenų skaidrinimui ir spalvos keitimui, jų minkštinimui, valymui nuo sunkiųjų metalų (Cu, Co, Cd, Pb, Hg), chloro, fluoro ir jų darinių, nuotekų, kuriose yra naftos produktų, organinio ir organinio chloro, valymui. junginiai, dažikliai, sintetinė aktyvioji paviršiaus medžiaga, fenolis. Elektrocheminio vandens valymo pranašumai yra tai, kad jis leidžia reguliuoti pH vertės ir redokso potencialo E h reikšmes, nuo kurių priklauso įvairių cheminių procesų vandenyje galimybė; padidina aktyviojo dumblo fermentinį aktyvumą aeracijos rezervuaruose; sumažina varžą ir pagerina organinių nuosėdų koaguliacijos ir nusėdimo sąlygas.
1985 m. EHAV buvo oficialiai pripažinta nauja fizikinių ir cheminių reiškinių klase. Rusijos Federacijos Vyriausybės 1998 m. sausio 15 d. įsakymu Nr. VCh-P1201044 ministerijoms ir departamentams buvo pateiktos rekomendacijos naudoti šią technologiją medicinoje, žemės ūkyje ir pramonėje.
Vandens elektrolizė
Pagrindinis elektrocheminio vandens valymo etapas yra vandens elektrolizė. Kai per vandenį tekama nuolatinė elektros srovė, elektronų patekimas į vandenį prie katodo, taip pat elektronų pašalinimas iš vandens prie anodo lydi eilė redokso reakcijų katodo paviršiuje ir anodas. Dėl to susidaro naujos medžiagos, kinta tarpmolekulinių sąveikų sistema, vandens sudėtis, įskaitant vandens struktūrą. Įprastą elektrocheminio vandens valymo įrenginį sudaro vandens valymo įrenginys 1, elektrolizatorius 2 ir vandens apdorojimo įrenginys po elektrocheminio apdorojimo 3 (1 pav.).
Kai kuriuose elektrocheminio vandens valymo įrenginiuose numatytas preliminarus mechaninis vandens valymas, kuris sumažina riziką, kad elektrolitinis elementas užsikimš stambiomis priemaišomis, turinčiomis didelį hidraulinį atsparumą. Mechaninio vandens valymo blokas reikalingas, jei dėl elektrocheminio apdorojimo vanduo yra prisotintas stambiomis priemaišomis, pavyzdžiui, metalų hidroksidų dribsniais (Al (OH) 3, Fe (OH) 3, Mg (OH) 2) po elektrokoaguliacijos. Pagrindinis įrenginio elementas yra - elektrolizatorius, susidedantis iš vienos ar kelių elektrolizės elementų (2 pav.).
Elektrolizės elementą sudaro du elektrodai – teigiamai įkrautas anodas ir neigiamai įkrautas katodas, sujungti su skirtingais nuolatinės srovės šaltinio poliais. Tarpelektrodų erdvė užpildyta vandeniu, kuris yra elektrolitas, galintis praleisti elektros srovę. Dėl prietaiso veikimo elektros krūviai perduodami per vandens sluoksnį - elektroforezę, tai yra polinių dalelių, krūvininkų - jonų migracija, į elektrodus, turinčius priešingą ženklą.
Kai per vandenį tekama nuolatinė elektros srovė, elektronų patekimas į vandenį prie katodo, taip pat elektronų pašalinimas iš vandens prie anodo lydi eilė redokso reakcijų katodo paviršiuje ir anodas.
Tokiu atveju neigiamo krūvio anijonai juda į anodą, o teigiamai įkrauti katijonai – į katodą. Prie elektrodų įkrauti jonai praranda krūvį, depoliarizuojasi, virsdami skilimo produktais. Be įkrautų jonų, elektroforezėje dalyvauja skirtingos dispersijos polinės dalelės, įskaitant stambiąsias daleles (emulsifikuotos dalelės, dujų burbuliukai ir kt.), tačiau pagrindinį vaidmenį perduodant elektrocheminius krūvius atlieka įkrauti jonai, turintys didžiausią judrumą. Poliarinėms dalelėms priskiriamos polinės dalelės iš vandens priemaišų ir vandens molekulių, o tai paaiškinama ypatinga jų struktūra.
Centrinis deguonies atomas, kuris yra vandens molekulės dalis, turintis didesnį elektronegatyvumą nei vandenilio atomai, traukia elektronus į save, suteikdamas molekulei asimetriją. Dėl to vyksta elektronų tankio persiskirstymas: vandens molekulė poliarizuojasi, darant prielaidą, kad elektrinio dipolio, kurio dipolio momentas yra 1,85 D (Debye), su teigiamais ir neigiamais krūviais poliuose, savybes (3 pav.).
Elektrodų reakcijų produktai yra neutralizuotos vandens priemaišos, dujinis vandenilis ir deguonis, susidarantys elektrolitinio vandens molekulių naikinimo metu, metalų katijonai (Al 3+, Fe 2+, Fe 3+), jei naudojami metaliniai anodai iš aliuminio ir plieno. , molekulinis chloras ir tt Šiuo atveju prie katodo susidaro vandenilio dujos, o anode – deguonis. Vandens sudėtyje yra tam tikras hidronio jonų H 3 O + kiekis, kuris katodo paviršiuje depoliarizuojasi ir susidaro atominis vandenilis H:
H 3 O + + e - → H + H 2 O.
Šarminėje terpėje H 3 O + nėra, tačiau sunaikinamos vandens molekulės, kartu susidaro atominis vandenilis H - ir hidroksidionas OH -:
H 2 O + e - → H + OH -.
Reaktyvūs vandenilio atomai adsorbuojami ant katodų paviršių ir po rekombinacijos sudaro molekulinį vandenilį H 2, kuris iš vandens išsiskiria dujine forma:
H + H → H 2.
Tuo pačiu metu anoduose išsiskiria atominis deguonis. Rūgščioje aplinkoje šį procesą lydi vandens molekulių sunaikinimas:
2H 2O - 4e - → O 2 + 4H +.
Šarminėje aplinkoje deguonies susidarymo šaltinis visada yra OH - hidroksido jonai, judantys veikiant elektroforezei ant elektrodų, nuo katodo iki anodo:
4 OH - → O 2 + 2 H 2 O + 4 e -.
Šių reakcijų normalūs redokso potencialai yra atitinkamai +1,23 ir +0,403 V, tačiau procesas vyksta tam tikromis sąlygomis.
viršįtampis. Elektrolizės elementas gali būti laikomas minėtų produktų generatoriumi, kai kurie iš jų, sąveikaudami tarpusavyje ir su vandens tarša tarpelektrodinėje erdvėje, užtikrina papildomą cheminį vandens valymą (elektroflotaciją, elektrokoaguliaciją). Šie antriniai procesai vyksta ne elektrodų paviršiuje, o vandens tūryje. Todėl, skirtingai nei elektrodų procesai, jie žymimi tūriniais. Juos inicijuoja vandens temperatūros padidėjimas elektrolizės metu ir pH padidėjimas katodinio vandens molekulių ardymo metu.
Atskirkite katodinę ir anodinę oksidaciją. Katodinės oksidacijos metu ant katodų sorbuotos organinių medžiagų molekulės priima laisvuosius elektronus, redukuojasi, virsdamos junginiais, kurie nėra teršalai. Kai kuriais atvejais atkūrimo procesas vyksta vienu etapu:
R + H + + e - → RH, kur R yra organinis junginys; RH yra hidratuota neužteršta junginio forma.
Kitais atvejais katodinė redukcija vyksta dviem etapais: pirmajame (I) etape organinė molekulė paverčiama anijonu, antrajame (II) anijonas hidratuojamas, sąveikaujant su vandens protonu:
R + e - → R -, (I) R - + H + → RH. (ii)
Atskirkite katodinę ir anodinę oksidaciją. Katodinės oksidacijos metu ant katodų sorbuotos organinių medžiagų molekulės priima laisvuosius elektronus ir redukuojasi.
Katodai, pagaminti iš medžiagų, kurioms reikalinga didelė viršįtampi (švinas, kadmis), leidžia sunaudojant daug elektros energijos, sunaikinti organines molekules ir generuoti reaktyvius laisvuosius radikalus – daleles su laisvais nesuporuotais elektronais išorinėse atomų ar molekulių orbitose (Cl *, O *, OH * , BET * 2 ir kt.). Pastaroji aplinkybė suteikia laisviesiems radikalams reaktyvumo savybę, tai yra galimybę pradėti chemines reakcijas su vandens priemaišomis ir jas sunaikinti.
RH → R + H + + e -.
Dėl anodinės organinių junginių oksidacijos dažnai susidaro laisvieji radikalai, kurių tolimesnes transformacijas lemia jų reaktyvumas. Anodinės oksidacijos procesai yra daugiapakopiai ir vyksta formuojant tarpinius produktus. Anodinė oksidacija sumažina organinių junginių cheminį stabilumą ir palengvina vėlesnį jų sunaikinimą masinių procesų metu.
Tūriniuose oksidacijos procesuose ypatingą vaidmenį atlieka vandens elektrolizės produktai - deguonis (O 2), vandenilio peroksidas (Н 2 О 2) ir deguonies turintys chloro junginiai (HClO). Elektrolizės metu susidaro ypač reaktyvus junginys - H 2 O 2, kurio molekulės susidaro dėl hidroksilo radikalų (OH *), kurie yra hidroksilo jonų anodo (OH-) iškrovos produktai. :
2OH - → 2OH * → Н 2 О 2 + 2е -, kur ОН * yra hidroksilo radikalas.
Organinių medžiagų sąveikos su oksidantais reakcijos vyksta tam tikrą laiką, kurio trukmė priklauso nuo elemento redokso potencialo vertės ir reaguojančių medžiagų koncentracijos. Kai teršalas valomas ir teršalo koncentracija mažėja, oksidacijos procesas mažėja.
Oksidacijos proceso greitis elektrocheminio apdorojimo metu priklauso nuo apdoroto vandens temperatūros ir pH. Organinių junginių oksidacijos procese susidaro tarpiniai produktai, kurie skiriasi nuo pradinio tiek atsparumu tolesnėms transformacijoms, tiek toksiškumo rodikliais.
Aktyvaus chloro ir jo deguonies turinčių junginių, susidarančių elektrolizatoriuje, šaltinis yra išvalytame vandenyje esantys chloridai ir natrio chloridas (NaCl), kuris įvedamas į išvalytą vandenį prieš elektrolizę. Dėl anodinės Cl– anijonų oksidacijos susidaro dujinis chloras Cl 2. Priklausomai nuo vandens pH, jis arba hidrolizuojasi, sudarydamas hipochlorinę rūgštį HOCl, arba sudaro hipochlorito jonus ClO -. Reakcijos pusiausvyra priklauso nuo pH vertės.
Kai pH = 4-5, visas chloras yra hipochloro rūgšties (HClO) pavidalu, o esant pH = 7 pusė chloro yra hipochlorito jonų (OCl -) pavidalu, o pusė - hipochloro rūgšties (HClO) pavidalu. (4 pav.). Hipochlorito jonų (ClO -) sąveikos su oksiduota medžiaga mechanizmas apibūdinamas tokia lygtimi:
ClO - + A = C + Cl, kur A yra oksiduojama medžiaga; C yra oksidacijos produktas.
Elektrocheminį organinių junginių oksidavimą hipochloritionu (ClO -) lydi redokso potencialo Eh padidėjimas, o tai rodo oksidacinių procesų vyravimą. Eh augimas priklauso nuo aktyvaus chloro koncentracijos tarpelektrodinėje erdvėje ir organinių priemaišų kiekio vandenyje santykio. Valant ir mažėjant užterštumo kiekiui, šis santykis didėja, todėl Eh didėja, bet tada šis rodiklis stabilizuojasi.
Medžiagos kiekis, kuris reagavo ant elektrodų, praleidžiant nuolatinę elektros srovę pagal Faradėjaus dėsnį, yra tiesiogiai proporcingas srovės stiprumui ir apdorojimo laikui:
G = AI cur τ, (1)
čia A yra elemento elektrocheminis ekvivalentas, g / (Ah); I cur - srovės stipris, A; τ – apdorojimo laikas, h. Elemento elektrocheminis ekvivalentas nustatomas pagal formulę:
A = M / 26,8z, (2)
čia M yra elemento atominė masė, g; z yra jo valentingumas. Kai kurių elementų elektrocheminių ekvivalentų reikšmės pateiktos lentelėje. 1.
Tikrasis elektrolizės metu susidarančios medžiagos kiekis yra mažesnis nei teorinis, apskaičiuotas pagal (1) formulę, nes dalis elektros energijos sunaudojama vandeniui ir elektrodams šildyti. Todėl skaičiuojant atsižvelgiama į srovės panaudojimo koeficientą η< 1, величина которого определяется экспериментально.
Vykstant elektrodiniams procesams, tarp elektrodo ir elektrolito – vandens keičiasi įkrautos dalelės ir jonai. Tam, esant pastovios būsenos pusiausvyros sąlygoms, būtina sukurti elektrinį potencialą, kurio minimali vertė priklauso nuo redokso reakcijos tipo ir nuo 25 °C vandens temperatūros (2 lentelė).
Pagrindiniai vandens elektrolizės parametrai yra srovės stiprumas ir tankis, įtampa elektrodo elemente, taip pat vandens buvimo tarp elektrodų greitis ir trukmė.
Elektrodo elemente generuojamos įtampos turi būti pakankamos, kad ant elektrodų įvyktų redokso reakcijos. Įtampos vertė priklauso nuo vandens joninės sudėties, priemaišų vandenyje, pavyzdžiui, sintetinių aktyviųjų paviršiaus medžiagų, srovės tankio (jo stiprumo elektrodo ploto vienetui), elektrodų medžiagos ir kt. redukcijos reakcijos ant elektrodų, reikalinga įtampa buvo minimali, nes tai leidžia sumažinti elektros energijos sąnaudas.
Kai kurios redokso reakcijos konkuruoja – jos vyksta vienu metu ir viena kitą slopina. Jų srautą galima reguliuoti keičiant įtampą elektrolizės elemente. Taigi, normalus molekulinio deguonies susidarymo reakcijos potencialas yra +0,401 V arba +1,23 V; padidėjus įtampai iki +1,36 V (normalus molekulinio chloro susidarymo reakcijos potencialas), prie anodo išsiskirs tik deguonis, o toliau padidėjus potencialui, vienu metu išsiskirs ir deguonis, ir chloras. , o chloras išsiskirs nepakankamai intensyviai. Esant maždaug 4-5 V įtampai, deguonies išsiskyrimas praktiškai nutrūks, o elektrolizės elementas gamins tik chlorą.
Pagrindinių vandens elektrolizės proceso parametrų skaičiavimas
Pagrindiniai vandens elektrolizės parametrai yra srovės stiprumas ir tankis, įtampa elektrodo elemente, taip pat vandens buvimo tarpelektrodinėje erdvėje greitis ir trukmė.
Srovė I cur - vertė, nustatyta atsižvelgiant į reikalaujamą sukurto produkto našumą [A], nustatoma pagal formulę:
I cur = G / A tη, (3)
Ši formulė gaunama transformuojant (1) formulę, atsižvelgiant į srovės panaudojimo koeficientą η. Srovės tankis yra jo stiprumas elektrodo ploto vienetui [A / m 2], pavyzdžiui, anodo, nustatomas pagal šią išraišką:
i an = I cur / F an, (4)
kur F an yra anodo plotas, m 2. Srovės tankis turi didžiausią įtaką elektrolizės procesui: tai yra, didėjant srovės tankiui, suintensyvėja elektrodų procesai ir mažėja elektrodų paviršiaus plotas, bet tuo pačiu ir įtampa elektrolizės ląstelėje. didėja ir dėl to visas proceso energijos intensyvumas. Padidėjus srovės tankiui, suintensyvėja elektrolizės dujų išsiskyrimas, dėl to burbuliuojasi ir išsisklaido netirpūs elektrinio vandens valymo produktai.
Didėjant srovės tankiui, taip pat didėja elektrodų pasyvavimas, o tai reiškia, kad įeinantys elektronai blokuojami anodo ir katodo paviršiaus nuosėdomis, o tai padidina elektrodų elementų elektrinę varžą ir slopina redokso reakcijas, vykstančias ant anodo ir katodo. elektrodai.
Anodai pasyvinami dėl to, kad ant jų paviršių susidaro plonos oksido plėvelės, sorbuojant deguonį ir kitus komponentus ant anodų, kurie savo ruožtu sorbuoja vandeninių priemaišų daleles. Ant katodų daugiausia susidaro karbonato nuosėdos, ypač apdorojant padidinto kietumo vandenį. Dėl šių priežasčių srovės tankis vandens elektrolizės metu turi būti nustatytas minimalus, kad būtų užtikrintas stabilus būtinų redokso reakcijų tekėjimas technologinio proceso eigoje.
Vandens buvimo elektrolizatoriaus tarpelektrodinėje erdvėje trukmę riboja laikas, reikalingas reikiamam elektrolizės produktų kiekiui susidaryti.
Įtampa elektrodo elemente [V] nustatoma pagal formulę:
V i = i an ΔK g / χ R, (5)
kur i an - srovės tankis, A / m 2; D – atstumas tarp elektrodų (tarpelektrodinio kanalo plotis), m; χ R - savitasis vandens elektrinis laidumas, 1 / (Ohm⋅m); K g - tarpelektrodų erdvės užpildymo dujomis koeficientas, paprastai imamas K g = 1,05-1,2.
Formulėje (5) neatsižvelgiama į elektrodo elektrines varžas dėl mažų jų verčių, tačiau pasyvavimo metu šios varžos pasirodo reikšmingos. Laikoma, kad tarpelektrodinio kanalo plotis yra minimalus (3-20 mm), esant neužsikimšimui priemaišomis.
Savitasis vandens elektrinis laidumas χ R priklauso nuo daugelio veiksnių, tarp kurių svarbiausi yra temperatūra, pH, joninė sudėtis ir jonų koncentracija (5 pav.). Didėjant temperatūrai, elektros laidumas χ R didėja, o įtampa mažėja (6 pav.). Minimali elektros laidumo reikšmė atitinka pH = 7. Be to, elektrolizės eigoje didėja vandens temperatūra ir pH. Jei pH> 7, tai galime tikėtis vandens savitojo elektrinio laidumo χ R sumažėjimo, o esant pH< 7 удельная электропроводность воды χ R , наоборот, возрастает (рис. 5).
Vidutinės mineralizacijos gamtinių vandenų savitasis elektros laidumas yra 0,001-0,005 1 / (Ohm⋅m), miesto nuotekų 10-0,01 1 / (Ohm⋅m). Elektrolizės metu savitasis elektros laidumas turi būti 0,1–1,0 1 / (Om⋅m) intervale. Jei šaltinio vandens elektros laidumas yra nepakankamas, druskos kiekį reikia padidinti (7 pav.). Dažniausiai tam naudojamas natrio chloridas (NaCl), kurio dozės nustatomos eksperimentiškai ir dažniausiai yra 500-1500 mg/l (8-25 mekv/l). Natrio chloridas ne tik patogus naudojimo ir saugumo požiūriu (saugojimas, tirpalo ruošimas ir kt.), bet esant NaCl elektrodų pasyvavimas sulėtėja. Disocijuodamas vandenyje, NaCl prisotina vandenį chloro anijonais Cl - ir natrio katijonais Na +. Chloro jonai Cl - yra maži ir prasiskverbia pro pasyvuojančias nuosėdas į anodo paviršių, sunaikina šias nuosėdas. Esant kitiems anijonams, ypač sulfato jonams (SO 2-4), chloro jonų (Cl -) depasyvuojantis poveikis sumažėja. Stabilus elektrolizatoriaus veikimas įmanomas, jei jonai - Cl - sudaro ne mažiau kaip 30% viso anijonų kiekio. Dėl elektroforezės natrio katijonai Na + pereina į katodus, ant kurių susidaro OH - hidroksido jonai, ir, sąveikaudami su pastaraisiais, susidaro natrio hidroksidas (NaOH), kuris ištirpdo karbonato nuosėdas ant katodų.
Elektrolizatoriaus energijos suvartojimas [W] nustatomas pagal šį ryšį:
N minusai = η e I cur V e, (6)
kur η e - elektrolizatoriaus efektyvumas, paprastai imamas ηe = 0,7-0,8; I cur - srovės stipris, A; V e - elektrolizatoriaus įtampa, V.
Vandens buvimo elektrolizatoriaus tarpelektrodinėje erdvėje trukmę riboja laikas, reikalingas reikiamam elektrolizės produktų kiekiui susidaryti, taip pat atitinkamų tūrinių reakcijų trukmė ir nustatoma eksperimentiniu būdu.
Vandens judėjimo greitis tarpelektrodinėje erdvėje nustatomas atsižvelgiant į elektrolizės produktų ir kitų priemaišų pašalinimo iš elektrolizatoriaus sąlygas; be to, turbulentinis maišymasis priklauso nuo vandens judėjimo greičio, kuris turi įtakos tūrinių reakcijų eigai. Kaip ir vandens buvimo laikas, vandens greitis parenkamas remiantis eksperimentiniais duomenimis.
Tęsinys.
1. Bakhiras V.M., Liakumovičius A.G., Kirpičnikovas P.A., Spektor L.E., Mamadžanov U.D. Fizinė medžiagų aktyvavimo reiškinių prigimtis // Izv. Uzbekistano SSR mokslų akademija. Ser. tech. Mokslai., No1 / 1983.
2. Kulsky L.A. Vandens valymas elektrokoaguliacija / L.A. Kulskis, P.P. Strokachas, V.A. Slipchenko ir kiti - Kijevas: Budivelnik, 1978 m.
3. Lipovetskiy Ya.M. Elektrocheminiai geriamojo ir nuotekų valymo metodai / Ya.M. Lipovetskis, Ya.D. Pranešimas - M .: TsBNTI RSFSR būsto ir komunalinių paslaugų ministerija, 1985 m.
4. Kirpichnikovas P.A., Bakhiras V.M., Gamer P.U., Dobrenkov G.A., Liakumovich A.G., Fridman B.S., Agadzhanyan S.I. Apie terpių elektrocheminio aktyvinimo prigimtį // Dokl. SSRS mokslų akademija, No3 / 1986, T. 286.
5. Bakhiras V.M., Zadorozhny Yu.G. RPE elektrocheminiai reaktoriai. - M .: „Hiperoksas“, 1991 m.
6. Jakovlevas S.V. Elektrocheminio vandens valymo technologija / S.V. Jakovlevas, I. G. Krasnoborodko, V.M. Rogovas. - L .: L.O. Stroyizdatas, 1987 m.
7. Bakhiras V.M. Šiuolaikinės techninės elektrocheminės vandens dezinfekcijos, valymo ir aktyvinimo sistemos. - M .: VNIIIMT, 1999 m.
8. Bakhir V.M., Zadorozhny Yu.G., Leonov B.I., Panicheva S.A., Prilutsky V.I. Elektrocheminis aktyvinimas: vandens valymas ir naudingų tirpalų gamyba. - M .: VNIIIMT, 2001 m.
9. Kulsky L.A. Savybių, analizės metodų ir vandens valymo žinynas. 1 dalis / L.A. Kulskis, I.T. Goronovskis, A.M. Koganovskis ir kiti - Kijevas: Naukova Dumka, 1980 m.
10. Medrišas G.L. Natūralių ir nuotekų dezinfekcija elektrolizės būdu / G.L. Medrisas, A.A. Taiševa, D.L. Baseinas. - M .: Stroyizdat, 1982 m.
11. Volovnik G.I. Teoriniai vandens valymo pagrindai / G.I. Volovnikas, L.D. Terechovas. 1 dalis. - Chabarovskas: FVGUPS leidykla, 2000 m.
12. Bakhiras V.M. Elektrocheminis aktyvinimas. 2 dalis. - M .: VNII med. technikai, 1992 m.
13. Babcova N.F., Komarovas I.F. STEL aparato naudojimo chirurgijos skyriuje patirtis / II Int. symp. „Elektras. aktyvinimas “, 1 dalis. – M., 1999 m.
14. Leonovas B.I., Prilutskis V.I., Bakhiras V.M. Elektrochemiškai aktyvinto vandens biologinio veikimo fizikiniai ir cheminiai aspektai. - M .: VNIIIMT, 1999 m.
15. Bakhiras V.M. Elektrocheminio aktyvinimo teoriniai aspektai / II Tarpt. symp. „Elektras. aktyvinimas“. 1 dalis. - M., 1999 m.
16. Toropkovas V.V., Altshul E.B., Toropkova E.V. Vaisto katolito toksikologinės charakteristikos / III Tarpt. symp. „Elektras. aktyvinimas“. - M., 2001 m.
17. Leonovas B.I., Bakhiras V.M., Vtorenko V.I. Elektrocheminis aktyvinimas praktinėje medicinoje / II Tarpt. symp. "Elektrocheminis aktyvinimas", 1 dalis. - M., 1999 m.
18. Toropkovas V.V. Altshul E.B., Peresypkin O.I. AN ir ANK anolitų farmakologinis veiksmingumas burnos ertmės gleivinei / II Tarpt. symp. „Elektras. aktyvinimas "// Santraukos, ataskaitos. ir netvarka. 1 dalis. - M., 1999 m.
19. Prilutskis V.I., Bakhiras V.M. Elektrochemiškai aktyvuotas vanduo: nenormalios savybės, biologinio veikimo mechanizmas. - M .: VNIIIMT, 1997 m.
20. Panicheva S.A. Naujos sudėtingų medicinos produktų dezinfekavimo ir sterilizavimo technologijos. - M .: VNIIIMT, 1998 m.
