на аноде (с образованием хлорноватистой кислоты):
2Cl– - 2e– → Cl2 (1.5)
Cl2 + H2O → HClO + HCl (1.6)
Получающийся в результате реакции гидроксид натрия взаимодействует с хлорной и хлорноватистой кислотами, образуя соответственно хлорид и гипохлорит натрия. Из уравнения (1.4) следует, что у катода происходит накопление щелочи, которая при отсутствии диафрагмы реагирует с HClO, образуя хорошо диссоциированную соль – гипохлорит натрия:
HClO+ NaOH → NaClO + H2O (1.7)
Суммарную реакцию можно записать следующим образом:
2NaCl + 3H2O → NaClO + NaCl + 2H2O + H2↑ (1.8)
По мере накопления в электролите ионов ClO - на аноде помимо реакции (1.7) начинает протекать реакция образования хлората натрия:
6NaClO+3H2O→ 4NaCl+ 2NaClO3+1,5О2+6Н++6е (1.9)
Суммарная реакция, протекающая на аноде, может быть выражена следующим уравнением:
2NaCl + 9H2O → 2NaClO3+1,5О2+18Н++18е (1.10)
Источником появления газообразного кислорода может быть не только реакция (1.9), но и анодная реакция (1.11):
2H2O→ О2+4Н++4е (1.11)
Однако помимо основной электрохимической реакции и на катоде, и на аноде протекают побочные реакции восстановления гипохлорита и хлората натрия, снижающие выход по току ГПХН:
NaClO + H2O+2e→ NaCl+2OH - (1.12)
NaClO3+3H2O+6e→ NaCl+6OH - (1.13)
Побочные реакции активируемы в присутствии загрязнений электролита железом, медью, никелем. В результате протекания этих побочных реакций выход ГПХН по току на практике от 70 % в начальный момент процесса снижается до 50-40 % по мере повышения его концентрации. Для предотвращения этого явления в электролит добавляют бихромат натрия или хлорид кальция. Введение бихромата натрия затрудняет адсорбцию ионов ClO - на поверхности катода, а добавка хлорида кальция вызывает образование на нем пленки гидроксида кальция, играющей роль диафрагмы и препятствующей восстановлению на катоде NaClO. Бездиафрагменным электролизом не удается получать растворы с концентрацией более 20 г/дм3. Практический выход потоку зависит от концентрации раствора поваренной соли, от плотности тока, от температуры процесса. На практике процесс проводится при комнатной температуре (25 °С) с применением охлаждения водой. Материалом электродов для получения ГПХН могут служить графит, титан, так же применяются платино-титановые и ОРТА аноды. Эти материалы являются достаточно стойкими к окислению хлором и гипохлоритом.
Основным показателем процесса электролиза является выход по току целевого продукта (ГПХН), выражаемый в %, который определяется по количеству ГПХН, образовавшегося за время:
η= 100·mпракт/mтеор, (%) (1.14)
где mптеор - теоретическое количество ГПХН ко времени τ; mпракт – полученное количество гипохлорита натрия, г.
mтеор= q·I·t (1.15)
где I – величина тока, А; t – время электролиза, ч; q – электрохимический эквивалент образования гипохлорита, г/А·ч.
Электрохимический эквивалент образования гипохлорита рассчитывается следующим образом:
qNaClO = М/(z F)= 74,5/(2·26,8)=1,39 г/А·ч.
Это значение выхода по току будет средним за все время электролиза.
Величина выхода хлора по току ГПХН сказывается в первую очередь на изменении затрат электроэнергии W (Вт-ч/г), при получении гипохлорита натрия, которые могут быть подсчитаны по формуле:
W = I·U·t /МN (1.16)
где U – напряжение на токоподводящих электродах, В; МN – количество гипохлорита, г; I – величина тока, А; t – время электролиза, ч.
Количество полученного электролизом гипохлорита определяется по формуле:
MN = VN·CN, (1.17)
где VN – объем электролита ко времени t (учитывается уменьшение объема электролита за счет отобранных проб), л; СN – концентрация полученного гипохлорита натрия, г/л.
VN = Vнaч – 0,02(N–1) (1.18)
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Электролиз проводят в стеклянном цилиндрическом сосуде. Схема установки представлена на рис. 1. 1. Для проведения анализа полученных в результате электролиза продуктов необходимо 3 конических колбы по 200 мл для отбора и анализа проб, бюретка объемом 100 мл и пипетка объемом 10 мл (допускается для отбора проб применение шприца). Катод и анод электролизера имеют одинаковую конструкцию и материал изготовления. Материал электродов: титан, графит.
Состав раствора и режимы электролиза для получения гипохлорита натрия:
1.NaCl – 4-10 %
iа, А/см2 - 0,15 – 0,3 А/см2.
2. NaCl – 4-10 %
Na2Cr2O7 - 2 г/дм3
iа, А/см2 - 0,15 – 0,3 А/см2
3. пищевая (поваренная) соль – 4-10 %
iа, А/см2 – 0,15 – 0,3 А/см2
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Приготовить раствор поваренной соли заданной концентрации и залить в электролизер.
2. Измерить площадь анода, провести механическую обработку поверхности электродов (анода и катода) и обезжиривание.
3. Установить электроды в ячейку так, чтобы уровень электролита был на 20 мл выше верха электродов.
4. Собрать электрическую схему согласно рис. 1.1.
5. Рассчитать ток электролиза:
I = ia ·Sa, (1.19)
где iа – заданная преподавателем анодная плотность тока, А/см2; Sa – площадь анода, см2.
6. Включить в работу источник тока, вольтметр и секундомер.
7. Периодически через 5 минут, в течение всего времени электролиза (0,5 час), измерять и записывать в табл. 1.1. значения напряжения и потенциала анода.
8. Через каждые 5 минут отбираются пробы раствора по 5 мл и анализируются на содержание гипохлорита натрия и хлората натрия согласно приложению 1.
 |
Рис.1.1. Схема лабораторной установки получения ГПХН (схема движения ионов при электролизе раствора NaCl):
1 – стакан объемом 100 - 250 мл; 2, 3 – электроды из титана или графита; 4 – хлорсеребряный электрод сравнения; 5 – электролитический мостик 6 – цифровой вольтметр; 7 – стабилизированный источник тока (с амперметром и вольтметром).
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
1. Рассчитать количество полученного гипохлорита и хлората натрия, выход по току и удельные затраты электроэнергии на получение гипохлорита натрия.
2. Построить зависимости: напряжения о времени электролиза (U – t), потенциала анода от времени электролиза (E – t), концентрации гипохлорита от времени электролиза (CNaClO – t), концентрации хлората от времени электролиза (
- t) ; выхода по току для гипохлорита натрия от времени электролиза (η – t) .
3. Сделать выводы об эффективности процесса получения ГПХН в зависимости от состава электролита.
4. Производится обсуждение и объяснение полученных результатов, и сравнение их с литературными данными.
СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА О РАБОТЕ
Отчет о работе включает:
1. Название и цель лабораторной работы.
2. Основные понятия и уравнения реакций.
3. Схема установки.
4. Состав используемых электролитов (с указанием номера электролита).
5. Основные расчетные формулы и результаты расчетов.
6. Таблица полученных результатов, графические зависимости и объяснение их характера;
7. Выводы по работе.
Таблица 1. 1.
Результаты эксперимента
№ электролита | Время, ч | Потенциал анода (Е), В | Напряжение (U), В | Концентрация гипохлорита (CNaClO), г/л | Количество гипохлорита (mNaClO), г | Концентрация хлората (CNaClO), г/л | Выход по току для ГПХН (η), % | Удельная энергия (Wm), Вт·ч/г |
1 | ||||||||
2 | ||||||||
3 |
Контрольные вопросы
1. Какие условия способствуют максимальному выходу по току гипохлорита натрия при электролизе хлорида натрия?
2. Какую роль при получении гипохлорита натрия электролизом хлорида натрия играют температура электролита, плотность тока, материал анода?
3. В чем заключаются особенности процесса получения гипохлорита натрия в электролизерах периодического действия (без протока электролита)?
4. Почему получение гипохлорита натрия с достаточно высоким его содержанием предпочтительно проводить в электролизерах с протоком электролита?
5. Дайте обоснование выбора оптимальных условий электролиза с целью получения гипохлорита натрия.
Лабораторная работа №2
ОЧИСТКА ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД В РЕАКТОРЕ-ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯТОРЕ
Цель работы: Исследование эффективности очистки воды от водорастворимых примесей методом электрокоагуляции и рассчитать размеры реактора-коагулятора.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Вода в промышленности используется в качестве универсального растворителя и теплоносителя, сырья в производстве многих продуктов (водорода и кислорода, серной и азотной кислот, щёлочей и др.), а также для бытовых нужд. Поверхностные природные и сточные воды часто содержат органические, минеральные коллоидные примеси, а также неорганические водно-растворимые вещества. Вода проходит очистку от крупных частиц, обеззараживание, дегазацию и др. Однако, очищенная вода содержит мелкие частицы, которые не задерживаются фильтром, и неорганические водно-растворимые вещества (в основном соли металлов). Для их удаления применяют метод электрокоагуляции. После очистки вода возвращается в производство.
Электрокоагуляционная очистка воды заключается в пропускании через межэлектродное пространство электролизера, на электроде которого приложена определенная разность потенциалов. При этом в электролизере могут происходить следующие процессы: электролиз воды, поляризация частиц, электрофорез, окислительно-восстановительные процессы, взаимодействия продуктов электролиза друг с другом. Процесс проводят как с использованием растворимых (железо и алюминий), так и нерастворимых электродов (титан, диоксид свинца и др.). При невысоком содержании коллоидных примесей применяют нерастворимые электроды, а при наличии в воде высокоустойчивых загрязнений – растворимые аноды. При использовании нерастворимых электродов коагуляция может происходить в результате электрофоретических явлений и разряда заряженных частиц на электродах, образования в растворе веществ (хлор, кислород), разрушающих сольватные соли на поверхности частиц. Такой процесс можно использовать для очистки вод при невысоком содержании коллоидных частиц и низкой устойчивости загрязнений.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 |
