CC BY
3УДК 628.349.087
Гавриченкова О.Д.
студент
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (г. Санкт-Петербург, Россия)
КИНЕТИКА ОСНОВНЫХ ЭЛЕКТРОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ОЧИСТКЕ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД
Аннотация: в предлагаемой статье представлен метод удаления загрязняющих веществ из природных и сточных вод, имеющий хорошую перспективу для массового внедрения, - электрохимическая очистка с использованием электродных процессов, в ходе которых на электродах выделяются газы.
Ключевые слова: электрохимическая очистка, кинетика, выделение водорода, электровосстановление металлов, анодное растворение, пассивность.
Чистая вода жизненно необходима для человека, и проблема ее очистки стоит наиболее остро в современных условиях изменения климата и увеличения антропогенной нагрузки на экосистемы. Обратим внимание на один из наиболее перспективных и эффективных методов, позволяющих удалять загрязняющие вещества из природных и сточных вод - электрохимическую очистку воды. При применении этого метода используются электродные процессы, благодаря которым достигается высокий уровень очистки. Такой метод может применяться в различных условиях.
Во время электрохимической очистки вод от различных загрязнений происходит выделение газов на электродах и образование новой фазы, такой как растворение анода или выделение металлов на катоде. Научное применение этих процессов и кинетических закономерностей позволяет повысить
эффективность технологии очистки и снизить затраты. Среди этих механизмов, прежде всего, необходимо отметить влияние неоднородности тока и концентрации ионов на кинетику электродных процессов. Эти явления могут ощутимо менять скорость и направление реакций, что ведет к изменению эффективности удаления загрязнителей: локальным перегревам и деградации материалов электродов.
Рассмотрим наиболее распространенные электродные процессы.
1. Выделение водорода на катоде. Это один из наиболее распространенных катодных процессов. Механизм этой реакции зависит от рН
раствора. Восстановление водородных ионов (Н+) происходит в кислых растворах:
Изучим первую стадию восстановления (а). В этот момент имеет место разряд катиона с потерей гидратной оболочки и происходит адсорбция на поверхности электрода. Вторая стадия (б) представляет собой образование молекул Н2 путем рекомбинации ионов Надс.
¿
Молекулы воды (Н2О) восстанавливаются в щелочных растворах:
2Н20+2ё Н2+20Н -
__!_£_!_!
В таких щелочных растворах концентрация Н3О+ ничтожно мала, поэтому разряд совершается напрямую из молекул воды по следующей схеме:
В обоих случаях именно стадии «а» являются медленными и определяют общую скорость выделения водорода. Следующие уравнения составлены для водородного перенапряжения в зависимости от того, в какой среде протекает процесс:
в щелочной среде:
7 = - 0Д18 \д к- 0.059 рН-0д-ОД181д [
в кислой среде:
= -0,1181д Ь-ь0,0з9 рН-м^+0Д181д1К
где п-перенапряжение, к - постоянная Больцмана, константа скорости реакции, - скачок потенциала в плотной части ДЭС, ¡К - катодная плотность тока.
2. Рассмотрим теперь, как влияют материал катода, состав раствора, плотность тока и температура на показатели перенапряжения выделения водорода.
В щелочных растворах перенапряжение водорода уменьшается с ростом рН, а в кислых растворах - увеличивается. Поверхностно-активные вещества тоже влияют на перенапряжение, изменяя поверхностный потенциал (рисунок 1).
п. в
1,3
U I V toi
0 2 6 6 8 Ю 12 К
| „ Р»
Рисунок 1.
Перенапряжение восстановления водорода на ртутном катоде 1к=10~ А-с м*. в зависимости
от рН раствора
Электровосстановление металлов из растворов их солей на катоде приводит к образованию металлического осадка. Такой процесс обычно осложняется образованием новой фазы, а также обновлением поверхности катода и возникновением сопряженной реакции выделения водорода. Ведущую роль в перенапряжении электровосстановления металлов играет природа металла, аниона соли и наличие поверхностно активных веществ. Подщелачивание раствора вблизи электрода может способствовать гидролизу солей металлов и воздействовать на процесс образования металлического осадка.
3. Обратным процессом выделению водорода на катоде является электролитическое выделение кислорода на аноде. В кислой среде разряжаются молекулы воды (H2O):
2 Н20 - 02+4 H*i+4
В щелочной среде разряжаются гидроксид-ионы (ОН"):
Перенапряжение выделения кислорода зависит от материала анода, рН среды и плотности тока. Образование поверхностных оксидов на аноде может влиять на скорость процесса.
4. Условия для выделения хлора. Хлор на аноде выделяется при разряде
хлорид-ионов (С/-):
г-, ь ->С12+2ёь
Для наилучшего выделения хлора предлагается применять оксидные аноды или аноды из таких благородных металлов, как платина и платинированный титан.
Низкая концентрация С/- в растворе вызывает конкуренцию между выделением хлора и кислорода. Во время электролиза разбавленных растворов поваренной соли образуются соляная и хлорноватистая кислоты, реагирующие с прикатодной щелочью, образуя гипохлорит.
5. При разряде атомов металла на аноде с образованием ионов металла в растворе имеет место анодное растворение металлов. В ряде случаев на поверхности анода образуются окисная или гидроксидная пленки, которые препятствуют растворению металла. Такое явление называется пассивностью. В этом случае на поведение металла при анодной поляризации влияют его природа, состояние поверхности, состав электролита и величина поляризации.
Таким образом, кинетические закономерности электродных процессов играют важную роль в оптимизации электрохимической очистки природных и сточных вод, применяемой для удаления и разложения широкого спектра биологических, органических и неорганических загрязнителей.
Дальнейшее изучение электродных процессов в этой области направлено на разработку новых материалов для электродов, выбор условий электролиза и исследование влияния многообразных факторов на кинетику этих процессов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Виноградов С.С. Экологически безопасное гальваническое производство. М.: Глобус, 1998. - 302 с.;
2. Гибкие автоматизированные гальванические линии: справочник. В.Л. Зубченко [и др.]. М.: Машиностроение, 1989. - 672 с.;
3. Громогласов А.А. Водоподготовка: процессы и аппараты. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 272 с.;
4. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении / А.М. Когановский [и др.]. - М.: Химия, 1983. - 288 с.;
5. Яковлев С.В. Технология электрохимической очистки воды. Л.: Стройиздат, 1987. - 312 с
Gavrichenkova O.D.
Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering
(Saint Petersburg, Russia)
KINETICS OF THE MAIN ELECTRODE PROCESSES IN TREATMENT OF NATURAL AND WASTEWATER
Abstract: the article discusses electrochemical water purification as a promising method of removing pollutants from natural and wastewater. The method uses electrode reactions, which result in gas evolution at the electrodes.
Keywords: electrochemical purification, kinetics, hydrogen release, metals e-recovery, anodic dissolution, passivity.
