4 Электрохимические технологии План лекции 4 1

4 Электрохимические технологии

План лекции 4. 1 Основы электрохимической технологии. Электрохимические явления в электролитических средах с током. Электролиз и его законы. 4. 2. Процессы и установки электрохимической технологии в с. х. производстве. Приготовление активированных и дезинфицирующих растворов.

4. 1 Основы электрохимической технологии. Электрохимические явления в электролитических средах с током. Электролиз и его законы. Технологическое применение физикохимического действия тока в СХП базируется в основном на следующих процессах и методах, изучаемой физической химией: электролизе, электрокоагуляции, электроосмосе, электродиализе.

Электрохимические процессы в электролитических средах с током связаны с окислительновосстановительными реакциями, изменением условий переноса заряда, переносом заряженных частиц через мембраны и т. п. Электролиз - совокупность окислительно-восстановительных реакций, протекающих на электродах, погруженных в электролит, через который проходит постоянный электрический ток.

Основные применения электролиза - получение различных веществ - нанесение покрытий. В ряде случаев электролиз имеет негативные последствия (например, загрязнение продуктами электролиза при электродном нагреве воды, почвы на постоянном токе).

Электролизер представляет собой емкость с раствором или расплавом химреагента, в которой размещены электроды

Если анод растворим, то его частицы поступают в раствор с положительным знаком (катионы) и перемещаются к катоду, где нейтрализуются и осаждаются происходит перенос вещества с анода на катод (процесс гальваностегии и гальванопластики).

Процесс электролиза соли Na. Cl в воде. Под действием электрического поля вещества диссоциируют на ионы: ; .

При этом ионы движутся к соответствующему электроду – положительные катоду, отрицательные аноду. к к На электродах выделяется хлор и водород ;

В объеме раствора хлор соединяется с водой, образуя хлорноватистую и соляную кислоты а натрий образует щелочь и гипохлорид натрия ;

Хлорноватистая кислота и гипохлорид натрия являются сильными окислителями. Их растворы используют для дезинфекции молочного, доильного и др. оборудования. Электролиз можно использовать для получения таких веществ, как и , способствующих коагуляции дисперсных веществ.

Коагуляция – процесс перевода растворенных или взвешенных в жидкости частиц в осадок. При коагуляции происходит объединение отдельных молекул, находящихся в растворе, в агрегатные скопления. Существуют различные методы коагуляции: термические, химические, термохимические, механические, электрические. При химических методах в раствор вводят специальные вещества – коагулянты, которые обеспечивают перевод частиц в осадок.

Электрокоагуляция - разделение коллоидного раствора на коагулянт (осадок) и дисперсную среду в электрическом поле. Сущность метода, основанного на получении коагулянта при помощи электролиза, заключается в анодном растворении металла (алюминия, железа) в водной среде с последующим образованием соответствующего гидроксида или

Хлопья гидроксида, практически нерастворимого в воде, своей поверхностью поглощают взвешенные частицы и вместе с ними выпадают в осадок. Электрокоагуляцию на принципе электролиза применяют для очистки природных и сточных вод.

В электрокоагуляторах алюминиевые или железные пластины-электроды собирают в пакеты с межэлектродным расстоянием 10… 12 мм. Плотность тока составляет 10… 40 А/м 2. Преимущества электрокоагуляции перед химической коагуляцией: - экономия реагента; - простота обслуживания; - возможность полной автоматизации.

Растворение электрода или осаждение на нем ионов зависит от его потенциала. Электрод, помещенный в раствор с ионами его вещества, при некотором равновесном электродном потенциале (РЭП) не растворяется и ионы на нем не осаждаются. Если на электрод подать отрицательный потенциал по сравнению с равновесным электродным, то начнется выделение вещества, если положительный растворение электрода.

Значение РЭП для различных металлов находится в пределах от - 2, 42 В (калий) до + 0, 8 В (серебро). За нулевой РЭП принят потенциал водородного электрода. Разность между действительным потенциалом и РЭП называют перенапряжением.

Перенапряжение , В, и плотность тока , А/м 2, связаны уравнением Тафеля где и - константы. Константы скорости реакции на аноде и катоде, см/с, зависят от потенциала электрода:

где и - коэффициенты переноса заряда анодной и катодной реакций Фарадея; – число - «скачок» потенциала в плотной части двойного слоя, В; - универсальная газовая постоянная, Дж/(К. моль); - температура среды, К.

Электрофлотация основана на выносе взвешенных частиц на поверхность жидкости пузырьками газа, получаемого при электролизе. Процессы электролиза количественно описывают законами Фарадея. u Первый закон Фарадея: масса вещества, выделившегося на каком-либо из электродов, пропорциональна количеству электричества, прошедшему через электролит

где - электрохимический эквивалент, кг/Кл. Второй закон Фарадея: масса вещества, выделенного одним и тем же количеством электричества при электролизе, прямо пропорциональна массе вещества и обратно пропорциональна его валентности где - молярная масса вещества, г/моль; - число Фарадея; - валентность.

4. 2. ПРОЦЕССЫ И УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ В СХП. ПРИГОТОВЛЕНИЕ АКТИВИРОВАННЫХ И ДЕЗИНФИЦИРУЮЩИХ РАСТВОРОВ

Электродиализ - процесс переноса ионов в растворе через ионоселективные мембраны под действием электрического поля. Мембраны, изготовленные из специальных ионообменных материалов, содержат высокую концентрацию неподвижных (фиксированных) ионов, химически связанных с каркасом мембраны, и поэтому пропускают ионы только одного знака.

Активация водных растворов – электролитический процесс при разделении анодного и катодного пространств ионитовыми мембранами или пористыми диафрагмами (лист асбеста, прорезиненная ткань и т. д. ), при котором изменяются кислотность и щелочность исходного раствора, а также их химическая и биологическая активность, физические свойства.

Основные области применения электродиализа — активация воды и водных растворов, опреснение воды. Схема электроактиватора воды

При электродиализе анолит раствор, находящийся в прианодном пространстве, - имеет кислотный показатель, а католит - в прикатодном - щелочной. Анолит обладает бактерицидными свойствами, католит стимулирует процессы регенерации и развития клеток. Активированные растворы изменяют скорость химических реакций при получении жидкого бетона, силосовании зеленой массы, мойке деталей и др.

Основные области применения активированной воды в СХП: u приготовление эмульсий (например, из глины – не оседает на дно); u полив растений (щелочной водой); u замачивание семян (щелочной водой); u обеззараживание грунта, посуды, белья и т. п. ; u санобработка помещений, мебели, оборудования; u увеличение продуктивности животных (поение, смачивание сухого корма); u уменьшение и удаление накипи; u лечение различных заболеваний; u борьба с насекомыми в почве, на растениях и др.

Метод опреснения воды Простейший трехкамерный электродиализатор

Мембраны проницаемы только для ионов определенного знака (А - для анионов, К - катионов). Под действием электрического поля катионы начнут перемещаться к катоду, а анионы к аноду. Вода в средней камере опресняется, в анодной камере - подкисляется, а в катодной - подщелачивается.

ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ СРЕД И ОБОРУДОВАНИЯ В почве парников и теплиц накапливаются вредные вещества и болезни, поэтому необходимо периодически производить ее замену или обеззараживание, что является весьма трудоемким, затратным и длительным. Обеззараживание сельскохозяйственных сред (парников, почвы, навоза, стоков, кормов и пр. ) проводят, пропуская по ним постоянный или переменный ток, оказывающий термическое, химическое и биологическое (бактерицидное) воздействие

Обработку проводят в стационарных или подвижных установках. Почву предварительно увлажняют до 25… 30%, по определенной геометрии заглубляют металлические электроды, на которые подают питание от источника высокого напряжения

Чтобы подавить грибковую микрофлору, рекомендуется обрабатывать почву при температуре 60. . . 65 0 С и напряженности электрического поля 5. . . 7 к. В/м в течение 1, 5. . . 4 мин. Расход электроэнергии составляет 25. . . 30 к. Вт • ч/м 3.

При обеззараживании навоза используют переменный и постоянный ток. Обеззараживание (дегельминтизацию) навоза осуществляют в металлических или бетонных емкостях. Чаще используют подвесную электродную систему

Обработка переменным током основана преимущественно на его термическом действии и связана со значительными энергозатратами 50. . . 60 к. Вт • ч/м 3. Обработка постоянным током сопровождается электролизом и электрофлотацией, что позволяет сократить расход электроэнергии. Рекомендуемые режимы обработки: конечная температура 55. . . 60 °С, плотность тока 3 к. А/м 2, расход электроэнергии 3. . . 4 к. Вт • ч/м 3.

Обеззараживание оборудования (доильного, молочной посуды, ветеринарного) проводят в дезинфицирующих растворах; в частности, в результате электролиза Na. Cl. По сравнению с применением готовых реагентов (жидкого хлора, хлорной извести, гипохлорита кальция) в этом случае удается избежать трудностей и затрат на транспорт и хранение токсичных веществ.

Дезинфицирующий раствор готовят в установке ЭДР-1 в течение 1, 5. . . 2 ч. Чтобы получить 1 кг активного хлора, используют 8. . . 10 кг поваренной соли и расходуют 5, 5. . 7 к. Вт • ч электроэнергии.

Комплексная очистка и обеззараживание питьевой воды при ее суточном потреблении до 10 м 3 выполняется в электрохимической установке УВ-0, 5. В установку входят фильтр-электролизер для электрокоагуляции тонкодисперсных (в том числе бактериальных) загрязнений, гипохлоритный электролизер для обеззараживания и серебряный для консервирования воды. После обработки ионами серебра вода сохраняет свои свойства больше месяца. Потребляемая мощность установки 2, 5 к. Вт.

Электролизные установки для получения активного хлора ЭН-1, 2, ЭН-5, ЭН-25 состоят из растворного узла, электролизера, баканакопителя, выпрямительного агрегата, шкафа управления и вентилятора. 1, 2, 5 и 25 - производительность установок по активному хлору, кг/сут

Для опреснения воды применяют электродиализные установки ЭОУ-НИИПМ производ. 0, 5 м 3/ч СЭХО-2 0, 15 м 3/ч ЭОСХ-2 М 3, 5 м 3/ч Снижение содержания соли в 5… 10 раз Удельный расход электроэнергии 1, 5, 7 и 2, 3 к. Вт. ч/м 3

Активацию водных растворов проводят в установках Я 8 -ФЭА. Электродный блок представляет собой цилиндр, в котором установлено четыре электрода в виде секторов, разделенных асбестовыми листами (мембранами). Для питания применяют блок ВАС 600/30. Производительность 2000 л/ч, напряжение питания 30 В, номинальный ток не более 300 А, мощность 11, 5 к. Вт.