В технологии очистки вод. При пропускании электрического тока через какой-либо раствор можно наблюдать следующие электрохимические процессы:

При пропускании электрического тока через какой-либо раствор можно наблюдать следующие электрохимические процессы:

− анодное окисление и катодное восстановление;

− электролиз воды;

− электрофорез;

− электрокоагуляция;

− электрофлотация;

− электродиализ.

Все эти процессы используются в технологии очистки сточных вод без применения химических реактивов.

 

1. АНОДНОЕ ОКИСЛЕНИЕ И КАТОДНОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ [3, 9]

 

При пропускании через раствор постоянного электрического тока ионы примесей начинают перемещаться в растворе по двум противоположным направлениям: положительно заряженные ионы направляются к отрицательно заряженному электроду – катоду; отрицательные ионы, наоборот, направляются к положительному электроду – аноду (рис. 10).

 

Рис. 10. Электролитическая ячейка

Ионы, перемещающиеся к катоду, называются катионами, а перемещающиеся к аноду – анионами.

Химический процесс, происходящий в растворе при пропуска-нии электрического тока, называется электролизом. Исследуя продук-ты, выделяющиеся на электродах при электролизе водных растворов кислот, оснований или солей, установлено:

1) на катоде ионы присоединяют электроны (т. е. происходит реакция восстановления) и выделяются металлы или водород;

2) на аноде ионы отдают электроны (т. е. протекает реакция электрохимического окисления) и выделяются кислотные остатки или гидроксильные группы.

Например, при электролизе хлорида меди с использованием нерастворимых электродов протекают следующие реакции:

на катоде: Cu²⁺ + 2e ® Cu (95)

на аноде: 2Cl^- ® 2Cl + 2e (2Cl ® Cl₂) (96)

Суммарная реакция: Сu²⁺ + 2Cl^{- электролиз} Cu + Cl_2. (97)

При этом на катоде осаждается металлическая медь, а на аноде выделяется газообразный хлор.

В случае электролиза концентрированного раствора соляной кислоты или разбавленного водного раствора серной кислоты на электродах выделяются газообразные элементы. Реакции имеют вид:

а) при электролизе соляной кислоты:

на катоде: H⁺ + e ® H (2H ® H₂) (98)

на аноде: Cl^- ® Cl + e (2Cl ® Cl₂ ) (99)

Суммарная реакция: H⁺ + Cl^{- электролиз} 1/2 H₂ + 1/2Сl₂ ; (100)

б) при электролизе серной кислоты анионы SO₄^2- принимают участие в переносе тока, но они не разряжаются на аноде. Вместо них разряжаются анионы ОН^- воды и выделяется кислород О₂. Оставшиеся в растворе ионы Н⁺ воды образуют с ионами SO₄^2- кислоту H₂SO₄. На электродах протекают реакции:

на катоде: H⁺ + e ® H (2H ® H₂) (101)

на аноде: OH^- ® e + OH (2OH ® H₂O + 1/2O₂) (102)

Суммарная реакция: H⁺ + OH^{– электролиз} H₂ + 1/2O₂ . (103)

Таким образом, при электролизе на аноде могут образовываться пузырьки газообразных элементов − кислорода или других газов, а на катоде – водорода.

Когда анодом является легко ионизирующийся металл, т. е. металл, легко отдающий электроны, атомы анода превращаются в ионы, и анод растворяется. Рассмотрим процесс анодного растворения на примере электролитической ячейки с анодом из железа. В щелочной среде реакция проходит в две стадии [3]:

Fe - e + OH^-®Fe(OH)_адс, Fe(OH)_адс ® (104)

На первой стадии происходит потеря электронов и образуются промежуточные кислородсодержащие соединения одновалентного железа, которое сорбируется на железном электроде. На второй стадии реакция протекает по двум возможным направлениям и заканчивается образованием двух- или трехвалентного железа. Общая скорость процесса анодного растворения лимитируется второй стадией.

Процесс анодного растворения в кислой среде протекает более сложно

Fe + OH^- – e ® Fe(OH)_адс , Fe(OH)_адс + Fe ® Fe(FeOH)_адс , (105)

Fe(FeOH)_адс + OH – 2e ® Fe(OH)_адс + Fe(OH⁺), (106)

Fe(OH⁺) + H⁺ ® Fe²⁺ + H₂O. (107)

Лимитирующей стадией является предпоследняя реакция. Скорость электрохимического растворения металла I определяется величиной тока, которая зависит от приложенного напряжения (потенциала анода j):

I = k[OH^-]² exp{[(2b + 1)/RT] j nF}, (108)

где k, b – постоянные процесса; R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура; n – число электронов, участвующих в процессе; F – число Фарадея (F = 96500 Кл).

Процессы анодного окисления используют также для обесцве-чивания сточных вод от красителей и для очистки вод целлюлозно-бу-мажных, нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других заводов.

 

2. ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯЦИЯ И ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИЯ [3]