Электрокоагуляция

В электролитической ячейке с нерастворимыми электродами, вследствие наличия у коллоидных частиц слабого электрического заряда, их движение приобретает некоторое преимущественное направление, и они перемещаются в сторону того из электродов, заряд которого противоположен по знаку их собственному заряду. Одновременно противоположно заряженные ионы, находящиеся в растворе и концентрировавшиеся в нем вокруг коллоидных частиц, тоже приходят в движение в противоположном направлении – в сторону другого электрода. Таким образом, происходит как бы разрушение мицеллы, и центральная часть ее – частица – движется в одну сторону, а окружающие ее ионы – в другую. При этом частица все время находится в ионном окружении (ионная атмосфера), которое постоянно успевает воссоздаваться из содержащихся в растворе ионов. Это явление называется электрофорезом или катафорезом. В результате присутствия электрофоретических явлений и разряда заряженных частиц на электродах, образования в растворе химически активных веществ, таких как хлор, кислород, разрушающих сольватные соли (т. е. соединения молекул веществ с молекулами растворителя) на поверхности частиц, имеет место явление их коагуляции. Электрокоагуляция при использовании нерастворимых электродов обычно применяется для очистки вод с невысоким содержанием коллоидных частиц и низкой их устойчивостью.

Как было показано выше, при использовании растворимых стальных (или, например, алюминиевых) электродов под действием тока происходит растворение металла, и в воду переходят катионы железа (или алюминия). Катионы металла, встречаются с гидроксидными группами, образуют гидроксиды металлов, которые в виде хлопьев быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья гидратов окисей этих металлов имеют слабый положительный заряд, а присутствующие обычно в растворе коллоидные частицы примесей воды имеют слабый отрицательный заряд.

Поэтому между ними происходит взаимное притяжение. В результате возможна интенсивная коагуляция и быстрое выпадение в осадок хлопьевидных агрегатов.

Эффективность электрокоагулирования зависит от материала электродов, расстояния между ними, скорости движения сточной воды между электродами, ее температуры и состава, напряжения и плотности тока. При концентрации загрязняющих веществ выше 100 мг/л эффективность электрокоагуляции снижается. С уменьшением расстояния между электродами расход энергии на анодное растворение металла уменьшается. Электрокоагуляция более эффективна в нейтральной или слабощелочной среде.

Электрофлотация [3]

 

В результате электролиза воды на аноде образуются пузырьки кислорода, а на катоде − водорода. Поднимаясь вверх через слой воды, пузырьки газа могут флотировать частицы примесей воды. Прос-тейшая схема электрофлотационной установки показана на рис. 11.

 

Рис. 11. Принципиальная схема электрофлотационной установки:

1 - корпус; 2 - электроды.

 

Основную роль при электрофлотации играют пузырьки водорода. Размер пузырьков водорода составляет 20-100 мкм, что значительно меньше, чем при других методах флотации. Он зависит от краевого угла смачивания q (при q £ p/2 имеет место хорошее смачивание жид-кости и, следовательно, более мелкие пузырьки газа будут срываться с поверхности электрода) и кривизны поверхности электродов (чем больше кривизна поверхности, т. е. меньше радиус электрода, тем быстрее, а следовательно, более мелкие пузырьки газа будут срываться с электрода). Более мелкие пузырьки газа обладают большей растворимостью, в результате чего увеличивается площадь контакта с частицами примесей, что, в свою очередь, способствует эффекту флотации. Для получения пузырьков необходимого размера выбирают подходящие материал и диаметр проволоки катода, плотность тока.

 

 

3. ЭЛЕКТРОДИАЛИЗ [3, 10]

 

Для освобождения коллоидных растворов от примесей электролитов часто используют полупроницаемые мембраны. Сущест-вует ряд полупроницаемых мембран из природных или искусственных материалов, которые пропускают только ионы или обычные молекулы и задерживают коллоидные частицы. Этот способ очистки коллоидных растворов от примесей электролитов называется диализом [10]. Процесс диализа может быть ускорен одновременным действием электрического тока. Метод получил название электродиализа.

Схема простейшего диализатора показана на рис. 12 [3]. Он состоит из трех камер, отделенных одна от другой полупро-ницаемыми мембранами. В среднюю камеру заливают раствор, который необходимо очищать, а в боковые, где расположены электроды, заливают чистую воду. Анионы током переносятся в анодное пространство. На аноде выделяется кислород и образуется кислота. Одновременно катионы переносятся в катодное пространство. При этом на катоде выделяется водород и образуется щелочь. Со временем в средней камере концентрация солей снижается до нуля. За счет диффузии через мембраны в среднюю камеру поступают ионы H⁺ и OH^–, в результате чего в камере образуется вода (рис. 12, а).

Эффективность процесса и снижение расхода электроэнергии можно достичь при использовании электрохимически активных (ионообменных) мембран. Ионообменные мембраны проницаемы только для ионов, имеющих заряд того же знака, что и у подвижных ионов (рис. 12, б).

Основным недостатком электродиализа является так называемая концентрационная поляризация, приводящая к высаждению солей на поверхности мембран и, соответственно, снижению эффективности очистки.

 

а б

 

Рис. 12. Схемы электродиализаторов с пористыми диафрагмами (а)

и ионитовыми мембранами (б)

 

Контрольные вопросы

 

1. Назовите электрохимические процессы, протекающие в раст-воре при пропускании через него постоянного тока.

2. Объясните сущность электрохимических процессов: анодное окисление и катодное восстановление. Приведите примеры реакций электролиза.

3. Объясните процесс электрофореза.

4. Объясните сущность процесса электрокоагуляции.

5. Объясните сущность процесса электрофлотации.

6. Объясните процессы диализа и электродиализа; возможные схемы и принцип работы электродиализаторов.