Синтез химических продуктов в электрохимических реакторах (стр. 3 )

В отличие от метода коагуляции, при электрокоагуляции каогулянты (гидроксиды железа или алюминия) не добавляются в очищаемую воду, а вырабатываются в процессе электролиза. Процесс электрокоагуляции можно представить следующими уравнениями:

растворение металла анода (основная реакция) – генерация ионов металла в очищаемой воде

Fe0 – 2e → Fe2+ (2.1)

Fe2+ – e → Fe3+ (2.2)

Al – 3e → Al3+ (2.3)

разряд ионов ОН- или молекул воды (параллельная реакция)

4ОН - - 4е → О2 + 2Н2О (2.4)

2Н2О - 4е → О2 + 4Н+ (2.5)

Образующийся кислород участвует в окислении ионов двухвалентного железа.

Образование газообразного водорода и ионов ОН - на катоде:

2Н2О + 2е → Н2 + 2ОН - (2.6)

При взаимодействии ионов железа или алюминия с ионами ОН - образуются труднорастворимые гидроксиды и основные соли:

Fe3+ + 3ОН - → Fe(OH)3 (2.7)

Al3+ + 3ОН - → Al(OH)3 (2.8)

На эффективность электрокоагуляционной очистки оказывают влияние факторы: материал электродов, межэлектродный зазор, температура процесса, состав очищаемой воды (в том числе рН, приложение 3), скорость движения воды, напряжение и плотность тока.

При низком солесодержании обрабатываемой воды для улучшения электропроводимости раствора и депассивации анода вводят хлорид натрия 0,1-0,3 г/л. Электрокоагуляцию рекомендуется проводить при концентрации ионов металла или коллоидных примесей менее 100 мг/л, плотности тока 10 А/м2, скорости движения воды 0,5 м/с. С уменьшением расстояния между электродами (межэлектродного зазора) снижает расход электроэнергии на анодное растворение металла. Обычно рекомендуется расстояние между электродами не более 10-20 мм. Например, при межэлектродном зазоре 10-20 мм и общем солесодержании 20 мг/л для анодного растворения железа соответствует напряжение 3 В, а для алюминия – 4 В. Теоретический расход электроэнергии для растворения 1 г железа составляет 2,9 Вт∙ч, а для 1 г алюминия – 12 Вт∙ч. На удаление 1 г металла из раствора нужно растворить примерно 3-6 г железа. Растворение в воде 1 г железа эквивалентно введению в очищаемую воду 2,9 г FeCl3, растворение 1 г алюминия – введению 6,33 г Al2(SO4)3. Процесс электрокоагуляции может быть интенсифицирован повышением температуры до 60-800С и увеличением плотности тока до 20 мА/см2. Для железных анодов оптимальная плотность тока 10-100 А/см2, для алюминиевых – 20-150 А/см2. При увеличении плотности тока выше 200 А/см2 происходит заметная электрофлотация и усиление пассивации электродов. Пассивацию электродов можно снять переменой полярности электродов каждые 15 минут.

Метод электрохимического коагулирования имеет следующие преимущества: компактность установок, отсутствие необходимости в реагентах, простота обслуживания, экономичность, малая чувствительность к изменениям технологических условий проведения процесса очистки, получение шлама с хорошими структурно-механическими свойствами.

Недостатком метода является значительный расход металла и электроэнергии.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Схема установки для электрокоагуляции приведена на рис. 2.1. В качестве электродов используются пластины из титана (нерастворимые электроды), железа или алюминия (растворимые электроды). Состав растворов и режимы процесса электрокоагуляции:

1. Водопроводная вода

Хлорид натрия - 0,3 г/л

Плотность тока (анодная) – 2- 60 А/м2

Электроды – сталь марки Ст.3

2. Водопроводная вода

Хлорид натрия - 0,3 г/л

Сульфат никеля – 0,02 г/л

Плотность тока (анодная) – 7- 30 А/м2

Электроды (анод и катод) – сталь марки Ст.3

3. Водопроводная вода

Хлорид натрия - 0,3 г/л

Сульфат меди – 0,02 г/л

Плотность тока (анодная) – 7- 30 А/м2

Электроды (анод и катод) - алюминий

4. Водопроводная вода

Хлорид натрия - 0,3 г/л

Краситель или ПАВ – 0,1 г/л

Плотность тока (анодная) – 2 А/дм2.

Электроды (анод и катод) – титан.

Для интенсификации процесса электрокоагуляции рекомендуется проводить при температуре 600С.

Рис. 2. 1. Схема лабораторной установки для очистки воды электрокоагуляцией: 1 – реактор (электролизер); 2 – железные или алюминиевые электроды (титановые электроды – нерастворимые, для растворов, содержащих ПАВ или краситель); 3 – выпрямитель.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Электроды обработать наждачной бумагой, обезжирить и взвесить на аналитических весах. Закрепить электроды в электрокоагуляционной установке, так чтобы расстояние между электродами составило 10 мм, шламовое пространство должно быть 2-3 см.

2. В электролизер налить очищаемый раствор. В состав очищаемого раствора входит до 1 г/л хлористого натрия для улучшения электропроводности раствора и уменьшения возможности пассивации электродов.

3. Включить выпрямитель и установить силу тока (по заданию преподавателя). Вести электролиз 30 минут (при очистке от ПАВ время электролиза 10-15 мин).

4. Анод очистить от осадка (осадок высушить и взвесить, mос.1), промыть дистиллированной водой, высушить и взвесить (т2).

5. Фильтрованием через бумажный фильтр отделить раствор от осадка. Осадок высушить на фильтре и гравиметрическим методом определить массу осадка (mос.2). Общая масса осадка определяется по формуле mос.= mос.1 + mос.2.

6. Фотоколориметрическим способом или методом титрования (приложение 2) проанализировать исходный раствор (до очистки) и очищенный раствор на содержание иона металла (красителя или ПАВ).

7. Повторить пп. 1-6 при различной силе тока в зависимости от задания преподавателя.

Таблица 2.1.

Экспериментальные данные процесса электрокоагуляционной очистки воды

Объем раствора Vр, см3	Плот-ность тока I, А/м2	Сила тока I, А	Напря-жение U,B	Время электро-лиза τ, мин	Оптичес-кая плот-ность раствора	Концентра-ция краси-теля (ионов металла) в растворе	Степень очистки χоч
D0	D	C0	C

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Провести расчет геометрических размеров электролизера и технологических параметров процесса электрокоагуляционной очистки:

Объем электрокоагуляционной камеры установки, см3:

Vк = B∙ L∙H (2.9)

где B, L, H, - ширина, длина и высота камеры, см;

H=h1+h2+h3 (2.10)

где h1- высота электродов, см ; h2 – высота раствора над электродами (0,3-0,5 см); h3 – слой шлама (раствора под электродами), 2-3 см.

Активная поверхность электродов, см2:

Sa=n∙h1∙L (2.11)

где n – количество электродов.

Сила тока в электролизере, А:

I=i∙Sa (2.12)

где i – плотность тока, А/см2; Sa – активная поверхность электродов (анодов), см2.

2. Рассчитать расход материала анода на проведение электрокоагуляционной очистки.

Масса электродов, растворяющихся при электролизе, г:

∆ma=m1-m2 (2.13)

где m1 – вес электрода (анода) до электролиза, г; m2 – вес электрода после электролиза, г.

Количество металла, переходящего в 1см3 раствора, г/см3:

(2.14)

где - электрохимический эквивалент металла анода, г/А∙ч; К= 0,5-0,95 – коэффициент выхода по току (К≈100% для железных электродов при обработке воды с рН от 3 до 5); Y – удельное количество электричества, А∙ч/дм3.

(2.15)

где I – сила тока, А; τ – время электролиза, ч; Vэл-та – объем очищаемого электролита,.

3. Рассчитать степень очистки раствора от красителя (иона металла) при различной силе тока.

(2.16)

где С0, С – начальная и конечная концентрация иона металла в растворе (красителя или ПАВ).

4.  Рассчитать эффективность сорбции ионов:

(2.17)

где Сисх – концентрация ионов металла в растворе до очистки, г/л; Скон – концентрация ионов металла в растворе после очистки, г/л; ∆mанод – изменение массы аноды после очистки, г; Vэл-та – объем электролита,.

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 раствора и технологические условия процесса электрокоагуляции.

5. Основные расчетные формулы и результаты расчетов.

6. Таблица полученных результатов.

7. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Каков механизм коагуляции?

2.  Какие вещества используют в качестве коагулянтов? От чего зависит выбор коагулянта?

3.  Из каких стадий состоит процесс очистки сточных вод методом электрокоагуляции?

4.  В чем основное отличие процесса электрокоагуляции от коагуляции, проводимой химическим способом?

5.  Какие факторы влияют на эффективность отчистки методом электрокоагуляции?

6.  В чем преимущество и недостатки метода электрокоагуляции?

Лабораторная работа №3

ПОЛУЧЕНИЕ ШЕЛОЧИ И КИСЛОТЫ ЭЛЕКТРОЛИЗОМ РАСТВОРА СУЛЬФАТА НАТРИЯ В ДИАФРАГМЕННОМ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЕ

Цель работы: Изучить зависимость количества получаемых натриевой щелочи и серной кислоты от условий электролиза: концентрации раствора сульфата натрия, плотности тока и оценить производительность электролизера с диафрагмой и мембраной.