Слайд 1 4 Электрохимические технологии
Слайд 2План 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.
Слайд 3 4.1 Основы электрохимической технологии.
Электрохимические явления в электролитических средах с током.
Электролиз и его законы.
Технологическое применение физико-химического действия тока в СХП
базируется в основном на следующих процессах и методах, изучаемой физической химией: электролизе, электрокоагуляции, электроосмосе, электродиализе.
Слайд 4 Электрохимические процессы в электролитических средах с током связаны с окислительно-восстановительными
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.
Слайд 5 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).
Слайд 6 Электролизер представляет собой емкость с раствором или расплавом химреагента, в
которой размещены электроды
Слайд 7 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).
Слайд 8 Процесс электролиза соли NaCl в воде.
Под действием электрического поля
вещества диссоциируют на ионы:
;
.
Слайд 9 При этом ионы движутся к соответствующему электроду –
положительные
к катоду,
отрицательные к аноду.
На электродах выделяется хлор и водород
;
Слайд 10 В объеме раствора хлор соединяется с водой, образуя хлорноватистую и
соляную кислоты
а натрий образует щелочь и гипохлорид натрия
;
Слайд 11 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.
Слайд 12 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.
Слайд 13 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
Слайд 14 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.
Слайд 15 В электрокоагуляторах алюминиевые или железные пластины-электроды собирают в пакеты с
межэлектродным расстоянием 10…12мм.
Плотность тока составляет 10…40 А/м2.
Преимущества электрокоагуляции
перед химической коагуляцией:
- экономия реагента;
простота обслуживания;
возможность полной автоматизации.
Слайд 16 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.
Слайд 17 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.
Слайд 18 Перенапряжение , В, и плотность тока
, А/м2, связаны уравнением Тафеля
где и - константы.
Константы скорости реакции на аноде и катоде, см/с, зависят от потенциала электрода:
- коэффициенты переноса заряда анодной и катодной реакций
– число Фарадея;
- «скачок» потенциала в плотной части двойного слоя, В;
- универсальная газовая постоянная, Дж/(К.моль);
- температура среды, К.
Слайд 20 Электрофлотация основана на выносе взвешенных частиц на поверхность жидкости пузырьками
газа, получаемого при электролизе.
Процессы электролиза количественно описывают законами Фарадея.
Первый
закон Фарадея:
масса вещества, выделившегося на каком-либо из электродов, пропорциональна количеству электричества, прошедшему через электролит
Слайд 21 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.
Слайд 22 4.2. ПРОЦЕССЫ И УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ В СХП.
ПРИГОТОВЛЕНИЕ АКТИВИРОВАННЫХ
И
ДЕЗИНФИЦИРУЮЩИХ РАСТВОРОВ
Слайд 23 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.
Слайд 24 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.
Слайд 25 Основные области применения электродиализа — активация воды и водных растворов,
опреснение воды.
Схема электроактиватора воды
Слайд 26 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.
Слайд 27 Основные области применения активированной воды в СХП:
приготовление эмульсий (например, из
глины – не оседает на дно);
полив растений (щелочной водой);
замачивание семян
(щелочной водой);
обеззараживание грунта, посуды, белья и т.п.;
санобработка помещений, мебели, оборудования;
увеличение продуктивности животных (поение, смачивание сухого корма);
уменьшение и удаление накипи;
лечение различных заболеваний;
борьба с насекомыми в почве, на растениях и др.
Слайд 28 Метод опреснения воды
Простейший трехкамерный электродиализатор
Слайд 29 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.
Слайд 30 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
Слайд 31 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
Слайд 32 Чтобы подавить грибковую микрофлору, рекомендуется обрабатывать почву при температуре 60...65
0С
и напряженности электрического поля 5...7 кВ/м
в течение 1,5...4 мин.
Расход электроэнергии составляет
25...30 кВт•ч/м3.
Слайд 33 При обеззараживании навоза используют переменный и постоянный ток. Обеззараживание (дегельминтизацию)
навоза осуществляют в металлических или бетонных емкостях.
Чаще
используют
подвесную
электродную
систему
Слайд 34 Обработка переменным током основана преимущественно на его термическом действии и
связана со значительными энергозатратами - 50...60 кВт•ч/м3. Обработка постоянным током
сопровождается электролизом и электрофлотацией, что позволяет сократить расход электроэнергии. Рекомендуемые режимы обработки: конечная температура 55...60 °С, плотность тока 3 кА/м2, расход электроэнергии 3...4 кВт•ч/м3.
Слайд 35 Обеззараживание оборудования (доильного, молочной посуды, ветеринарного) проводят в дезинфицирующих растворах;
в частности, в результате электролиза NaCl.
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.
Слайд 36 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 кВт•ч электроэнергии.
Слайд 37 Комплексная очистка и обеззараживание питьевой воды при ее суточном потреблении
до 10 м3 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 кВт.
Слайд 38 Электролизные установки для получения активного хлора ЭН-1,2, ЭН-5, ЭН-25 состоят
из растворного узла, электролизера, бака-накопителя, выпрямительного агрегата, шкафа управления и
вентилятора.
1,2, 5 и 25 - производительность установок по активному хлору, кг/сут
Слайд 39 Для опреснения воды применяют электродиализные установки
ЭОУ-НИИПМ производ.
0,5 м3/ч
СЭХО-2
0,15 м3/ч
ЭОСХ-2М 3,5 м3/ч
Снижение содержания соли в 5…10раз
Удельный расход электроэнергии 1,5, 7 и 2,3 кВт.ч/м3
Слайд 40 Активацию водных растворов проводят в установках Я8-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 кВт.
