Главная Случайная страница


Полезное:

Как сделать разговор полезным и приятным Как сделать объемную звезду своими руками Как сделать то, что делать не хочется? Как сделать погремушку Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами Как сделать идею коммерческой Как сделать хорошую растяжку ног? Как сделать наш разум здоровым? Как сделать, чтобы люди обманывали меньше Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили? Как сделать лучше себе и другим людям Как сделать свидание интересным?


Категории:

АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника






Электрохимические процессы





 

Электрохимические процессы широко применяются для очистки сточных вод и выделения металлов из растворов. Устройства, в которых происходят процессы электрохимического воздействия на водные растворы, называют электролизерами. В зависимости от природы процессов в таких аппаратах, их разделяют на электрофлотаторы, электрокоагуляторы, собственно электролизеры и электродиализаторы.

Электрофлотация. Для проведения процесса электрофлотации используют водород и кислород, выделяющиеся при электролизе воды. На катоде происходит восстановление воды с образованием водорода

2О + 2ē → Н2 + 2НО-,

а на аноде процесс окисления сопровождается выделением кислорода

2О – 2ē → О2 + 4Н+.

Электролиз обеспечивает получение высокодисперсной газовой фазы, что позволяет использовать электрофлотаторы для очистки воды от устойчивых коллоидных загрязнителей.

Электрофлотационные установки разделяют по направлению движения воды и флотирующих газов в них на противоточные и прямоточные с горизонтальным или вертикальным расположением электродов.

Многокамерный электрофлотатор состоит обычно из успокоителя, электродных камер и флотоотстойника. Сточная вода поступает в приемную камеру, отделенную от основной части перегородкой. Электродный блок представляет собой набор катодов и анодов, выполненных в виде проволочных сеток из меди или нержавеющей стали. Проходя через электродное пространство, вода насыщается газообразными продуктами реакции. Частицы примесей прилипают к пузырькам и образовавшиеся агрегаты всплывают на поверхность раствора. Размер пузырьков газа зависит от величины краевого угла смачивания и кривизны поверхности электродов, поэтому, изменяя диаметр проволоки, удается регулировать дисперсность газовой фазы. Оптимальное газонаполнение и распределение газовых пузырьков по размерам достигается варьированием плотности тока на электродах.

В одной из конструкций аноды выполнены в форме трехгранных призм, расположенных в шахматном порядке на дне аппарата. Катоды представляют собой отдельные проволочные сетки, изогнутые под углом и расположенные над анодами параллельно граням.

Очищаемая вода поступает в приемную емкость, откуда переливается во флотационную камеру и насыщается пузырьками газа. Пузырьки флотируют загрязняющие компоненты на поверхность, где частицы скапливаются в виде пены и удаляются по наклонному желобу. Внутри желоба проходит трубопровод с горячей водой. Пенообразная масса в результате нагрева частиц дегазируется и образовавшаяся суспензия, содержащая тонкую фракцию, переливается в нижнюю емкость и удаляется из аппарата. Песковая часть твердой фазы опускается вниз и выводится через штуцер.

Электрокоагуляция. Электрокоагуляция – процесс очистки сточных вод путем захвата примесей труднорастворимыми гидроксидами железа, алюминия или магния, образующимися при анодном окислении соответствующего металла. Эти гидроксиды после подщелачивания раствора флотируются выделяющимся на катоде газообразным водородом.

Электрокоагулятор обычно представляет собой корпус, в который помещают электродную систему. Обрабатываемая вода протекает между электродами. В зависимости от характера движения обрабатываемой воды электрокоагуляторы бывают однопоточные и многопоточные, 3 с горизонтальным и вертикальным движением воды.

Электрокоагуляторы снабжают вытяжным вентиляционным устройством для удаления газов, механическими устройствами для удаления флотируемых продуктов с поверхности очищаемой воды и осадка из нижней части аппарата, а также устройствами для очистки поверхности электродов и межэлектродного пространства.

Подключение электродов к источнику питания может быть параллельным или последовательным. Во втором случае ток подводится только к двум крайним электродам. Промежуточные электроды работают как биполярные.

Обычно электрокоагулятор служит только для образования гидроксидов металлов и агрегации частиц. Процесс разделения фаз проводят в других аппаратах: отстойниках, гидроциклонах и др. Есть конструкции, в которых эти процессы совмещены и протекают в одной камере. Процессы, протекающие в электрокоагуляторах на электродах и в объеме раствора, определяются природой материала электродов и примесей, содержащихся в воде, а также величиной рН раствора.

При наложении электрического поля металлический анод растворяется, а на катоде выделяется водород. Зависимость силы тока от потенциала, определяемая экспериментально, имеет сложный вид, и в области определенных потенциалов происходит характерное снижение скорости процесса (пассивация электрода). Это явление необходимо учитывать при рассмотрении процессов электрокоагуляции. Для нормального протекания процесса коагуляции необходимо, чтобы образовавшиеся в результате электродной реакции ионы металла участвовали в реакции гидролиза.

Электрокоагуляцию применяют преимущественно в системах локальной очистки нейтральных и слабощелочных сточных вод, загрязненных тонкодисперсными и коллоидными примесями, от масел, нефтепродуктов, некоторых полимеров, соединений хрома и других тяжелых металлов. Обрабатываемая вода проходит сначала предварительную грубую очистку в механических фильтрах или гидроциклонах. Основной процесс электрокоагуляционной очистки происходит в аппарате, который является флотатором-отстойником. Часть скоагулированных примесей флотируется, другая осаждается в нижней части аппарата. Флотируемые продукты из верхней части аппарата, а также осадок из нижней части отводятся в сборник, а осветленная вода после фильтрации поступает в оборот. Нефтепродукты из сборника выводятся на последующую переработку.

Электролитическое извлечение металлов. Использование электролиза для извлечения металлов осложняется низкой удельной производительностью электролизеров при работе на разбавленных растворах. Поэтому для увеличения интенсивности процессов используют объемные электроды (пластинчатые, объемно-пористые и псевдоожиженные). Подвергаемый обработке раствор пропускают через каналы в теле объемного электрода, потенциал которого поддерживают на уровне, обеспечивающем протекание процесса извлечения с максимально возможной скоростью, т. е. при предельной силе диффузионного тока. Условия электролиза должны быть такими, чтобы появилась возможность получать металлы в порошкообразной форме. Металл удаляют из нижней части аппарата, где осаждаются частицы, оторвавшиеся от катода под действием сил тяжести.

К объемнопористым относят электроды из гранул металла, частиц или волокон графита. Катодный блок с объемно-пористым электродным материалом состоит из камеры, к боковым перфорированным стенкам которой прижат слой углеграфитового материала, служащего катодом.

Раствор подается через штуцер внутрь электродного блока и, проходя через поры между углеродными нитями в направлении, параллельном протеканию электрического тока, подвергается процессу электролитического разложения. Металл, осажденный на таком электроде, плавят вместе с материалом наполнителя.

При подведении тока к катоду с фронтальной стороны (обращенной к аноду) по мере продвижения его вглубь электрода потенциал уменьшается. Чем большее значение потенциала задается на фронтальной части электрода, тем на большую глубину будет работать электрод. Однако значение этого потенциала не должно достигать потенциала начала выделения водорода, поскольку это снижает выход по току вследствие блокирования внутренней поверхности электрода и снижения эффективности использования его рабочего объема. С помощью объемных электродов удается извлечь медь до остаточной концентрации 0,05 мг/л, ртуть – до 0,005 мг/л, серебро – до 40 мг/л и сурьму – до 5 мг/л.

Псевдоожиженные электроды представляют собой суспензии электропроводных дисперсных материалов (графита, металла, некоторых оксидов), омывающие расположенные в объеме слоя токосборники. Скорость движения потока такова, что основная масса частиц циркулирует от вершины слоя к основанию, постоянно контактируя с токосборником.

С помощью электролиза можно также выделять металлическую медь из отработанных растворов после операции травления медных плат растворами трехвалентного железа. Для этого содержащий ионы меди и восстановленную форму окислителя (FeCl2) раствор подают в теплообменник, где его охлаждают рассолом, циркулирующим с помощью насоса. Из теплообменных аппаратов через гидрозатворы и дозирующие емкости раствор подается в электролизеры, на катодах которых выделяется металлическая медь, а на анодах происходит окисление двухвалентного железа в трехвалентное.

Металлическая медь выделяется в виде мелкодисперсного порошка, периодически удаляемого с поверхности электрода. После очистки от осадка катодный блок возвращают обратно в электролизер. Работа пары электролизеров согласована таким образом, что в период удаления осадка в одном из них другой работает в режиме осаждения металла. Установка функционирует в автоматическом режиме, что обеспечивает выделение меди и поддержание постоянной ее концентрации в растворе.

Выбор материала электродов. К материалу электродов предъявляются требования: 1) устойчивость в процессе обработки и длительной эксплуатации; 2) нетоксичность электродов и продуктов их разрушения; 3) высокая электропроводность и механическая прочность; 4) доступность и невысокая стоимость.

Аноды, кроме того, должны быть устойчивы в водных растворах при потенциалах выделения кислорода (в кислых растворах > +1,23 В, а в щелочных < +0,41 В). Перечисленным требованиям удовлетворяют некоторые модификации графита. Для защиты от разрушения аноды пропитывают различными материалами, уменьшающими смачиваемость поверхности и препятствующими попаданию электролита в поры. В процессах очистки воды в качестве электродов часто используют магнетит FeO · Fe2O3. В последнее время для очистки воды применяют аноды из титана, на поверхность которого наносят слой высших оксидов рутения или кобальта. Они практически неразрушаемы и могут быть легко регенерированы.

К металлическим катодам предъявляют менее жесткие требования. Основной показатель для них – величина перенапряжения выделения водорода η (H2) (табл. 6).

 

Таблица 6

Перенапряжение водорода на различных металлах

Электрод Pt Fe Ni Zn Pb С Cu
Η(H2), В 0,35 0,70 0,63 1,30 1,47 1,1–1,3 0,8

 

По величине перенапряжения электродные материалы разделяются на две группы: с низким (железо, никель и др.) и высоким (графит, цинк и др.) перенапряжением. Для процессов очистки воды, в которых определяющую роль играет анодный процесс (деструктивные методы), в качестве катодного материала выбирают металлы из первой группы, руководствуясь энергетическими затратами. Для процессов обработки воды, в которых катодная реакция обеспечивает удаление загрязнителей (выделение металлов, перевод вещества в менее токсичное соединение и др.), целесообразно использовать электроды с высоким перенапряжением при выделении водорода, что позволяет облегчить протекание реакций выделения металлов, стоящих перед водородом в ряду напряжений.

Расчет электролизеров. Цель расчета – определить основные параметры аппарата: а) полезный объем; б) поверхность электродов; в) нагрузку по току; г) расход энергии на обработку воды. Исходными данными являются: а) предполагаемый расход сточной воды; б) общее содержание минеральных солей и загрязняющих компонентов в ней; в) время обработки воды. Объем электролизера определяют из выражения

V = Q ∙ t,

где Q – расход сточной воды, м3 /с; t – время обработки, с.

Нагрузку по току (А) находят ориентировочно из выражения

I = q · Cо · ВТ · Q/t,

где q – теоретическое количество электричества, необходимое для обезвреживания 1 эквивалента загрязнителя и определяемое по закону Фарадея; С0 – концентрация ионов загрязнителя, экв/м3; ВТ – выход по току, доли единицы.

Общая поверхность электродов –

S = V/(2d),

где V – объем пространства между электродами, м3; d – расстояние между электродами, м.

Часто бывают заранее известны величины ВT, а также оптимальные значения плотности тока. В этих случаях размеры электродов могут быть определены из выражения

S = I/j,

где I – общая токовая нагрузка на аппарате, А; j – плотность тока, А/м2.

Поскольку при извлечении металлов процессы чаще всего протекают в диффузионном режиме, т. е. скорость процессов лимитируется доставкой разряжающихся частиц к электроду, поверхность электрода можно независимо определить из уравнения диффузии

Sk = (mv/Km) ∙ ln(Сн/Ск),

где mv – объемная скорость движения воды через аппарат, м3с; Km – коэффициент массопередачи, равный отношению D/δ, м/с; Сн – начальная концентрация металлов; Ск – конечная концентрация металлов на выходе из аппарата; δ – толщина диффузионного слоя, м.

Расход энергии на электрохимическую обработку является основной величиной, определяющей эксплуатационные затраты и конкуренто-способность установок. Расход энергии Wобычно относят к 1 м3 очищаемой воды. Величина W определяется напряжением на электродах, расстоянием между ними, удельным сопротивлением и другими характеристиками обрабатываемой воды:

W = Qэл∙ Uэл ,,

где Qэл – количество электричества, затраченное на обработку 1 м3 воды;

Uэл – напряжение на клеммах электролизера.

Необходимое для обработки воды количество электричества зависит от содержания загрязнителя и вида электрохимической очистки. В процессах электрохимического окисления его удается рассчитать, если предположить, что для осуществления анодной деструкции до необходимой степени окисления органических соединений достаточно получить в результате электродной реакции количество кислорода, равное величине химического поглощения кислорода (ХПК); в этом случае значение Qэл определяется из выражения (А-ч/м3)

Qэл = 26,8 ХПК/(Вт · 8 · 105).

Если известна анодная реакция, и в сточных водах присутствует токсичный компонент, например, цианид-ионы

CN- + 2ОН- → CNО- + 2H2О + 2ē,

то количество электричества, необходимое для обезвреживания ионов CN-, можно рассчитать из уравнения

Qэл = 2,06 ∙ С0 ∙ V/Вт,

где Со – исходная концентрация цианидов в сточных водах, г/м3; V – объем сточных вод в электролизере, м3; 2,06 – электрохимический эквивалент окисления ионов CN-, А · ч/г.

Необходимость предварительного расчета количества электричества, потребляемого для очистки, обусловлена высокой химической активностью и токсичностью окислителей, образующихся в ходе электродных реакций, и стремлением избежать их накопления в растворе. В некоторых случаях величина Qэл известна из предварительных исследований.

Напряжение на одной секции аппарата (одна пара электродов) определяется из выражения

U = Ea + Ek + ηak + ΔEконц + ΔUэл + ΔUд + ΔU1 + ΔU2,

где Ea, Ek – обратимые значения потенциалов анода и катода, В; ηa, ηk – перенапряжение на аноде и катоде, В; ΔEконц – величина концентрационной поляризации, В; ΔUэл – падение напряжения в электролите, В; ΔUд – падение напряжения в диафрагме или мембране, В; ΔU1 + ΔU2 – падение напряжения в электродах и контактах, В.

При различных видах обработки вклад каждой составляющей U различен. Для электрофлотаторов и электрокоагуляторов, а также аппаратов электрохимической очистки окислением и восстановлением в общем балансе напряжения будут преобладать значения Ea, Ek, ηa, ηk. Для электродиализаторов основной составляющей баланса является падение напряжения на мембранах и в растворе: ΔUэл, ΔUд.

Теоретическое напряжение разложения ЕТ = Ea + Ek на электролизере можно определить, исходя из соотношения

,

где ΔН° – энтальпия реакции разложения; n – число электронов, участвующих в реакции; F – число Фарадея; – температурный коэффициент В/К.

 

 

Date: 2016-07-25; view: 538; Нарушение авторских прав; Помощь в написании работы --> СЮДА...



mydocx.ru - 2015-2024 year. (0.008 sec.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав - Пожаловаться на публикацию