27904-1 (Экологическая безопасность при обработке конструкций кондиционеров), страница 6

2. Анод. Электролит Na₂SO₄ 2г/л + 0,15 мл ПАВ

3. Анод. Электролит Na₂SO₄ 2г/л + 0,5 мл ПАВ

4. Анод. Электролит Na₂SO₄ 2г/л + 1,5 мл ПАВ

5. Анод. Электролит Na₂SO₄ 2г/л + 3 мл ПАВ

6. Катод. Электролит Na₂SO₄ 2г/л + 3 мл ПАВ

7. Анод. Электролит Na₂SO₄ 2г/л + 0,01 мл скипидара

8. Анод. Электролит Na₂SO₄ 2г/л + 0,01 мл скипидара + 0,05мл масла + 3мл ПАВ

9. Анод. Электролит Na₂SO₄ 2г/л + 0,01 мл скипидара + 0,05мл масла + 3мл ПАВ + K₂Cr₂O₇ 2 мг/л

Растворы выбирались с учетом компонентов, присутствующих в сточных водах данного машиностроительного предприятия. Сточные воды содержат маслосодержащие компоненты, ПАВ из ванн промывки, скипидар и масло из камеры окраски, K₂Cr₂O₇ из гальванического цеха хроматирования. Так же они были выбраны с максимально приближенными концентрациями, соответствующими концентрациям веществ, находящихся в сточной воде предприятия. В модельных растворах присутствуют компоненты, содержащиеся в сточной воде.

Обсуждение результатов.

За эталон был принят раствор электролита, не содержащий примесей. Как видно из кривых 1 и 2 анодная и катодная поляризация мало отличаются друг от друга, к тому же при электрофлотации с нерастворимыми электродами наиболее важен анодный процесс выделения кислорода, а катодный является только усиливающим, поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать только анодные кривые. Кривая 3 (с полностью растворенным маслом) так же не сильно отличается от эталона. При замасливании электродов (кривые 4, 5 и 6) перенапряжение на электроде увеличивается и качество очистки резко уменьшается с повышением замасливания и степень очистки уменьшается, но при добавлении ПАВ (кривые 1., 2., 3., 4. и 5.) эффективность увеличивается, т.к. ПАВ предотвращает замасливание, и степень очистки так же увеличивается. Присутствие растворителя (кривая 7) ухудшает процесс очистки, по сравнению с эталонной кривой, однако как видно на кривой 8, перенапряжение на аноде при совместном присутствии всех, рассматриваемых ранее, компонентов степень очистки достаточно высокая. Как видно из кривой 9, присутствие хрома в сточной воде не вызывается большой степени перенапряжения, и степень очистки при совместном присутствии компонентов достаточно высока.

расчет основного оборудования и основных операций.

Расчет электрофлотатора.

Материальные потоки в электрофлотаторе.

Исходные данные:

I = 50 А - токовая нагрузка на аппарат;

t^о_эл=25^оС – температура электролита;

Вт=98%;

Расстояние между электродами 5 – 10 мм

Экспериментальные данные по составу воды, поступающей в аппарат:

Na₂SO₄=2000 мг/л, Скипидар=0,01 мг/л, Масло веретенное=5 мг/л, ПАВ «Брулин»=30 мг/л, K₂Cr₂O₇ =0,02 мг/л

рН=8,5

Катодные реакции

H₂O→H₂ + ОН^- - 2ē

Анодные реакции

2H₂O→O₂+4H⁺+4ē

Определение расхода воды при электрофлотации, G_H2O

где G_H2O кг/ч - количество воды, вступившее в электрохимическую реакцию на электроде;

Вт - выход по току, доли единицы;

М = 18 - молекулярная масса воды;

26.8 - количество электричества, равная 1 Р, А-ч;

n = 4, 2 соответственно - количество электронов, участвующих в электрохимической реакции.

G1_H2O = 0,0082 кг/ч - количество воды, вступившее в реакцию на аноде.

G2_H2O = 0,0165 кг/ч - количество воды, вступившее в реакцию на катоде.

G_H2O ⁼ G1_H2O + G2_H2O

G_H2O ⁼ 0,0247 кг/ч

Определение количества образовавшихся газов

где кг/ч- количество образовавшегося водорода,

М_Н2 = 2 - молекулярная масса водорода;

n = 2 - количество электронов, участвующих в электрохимической реакции.

= 0,0019 кг/ч

где кг/ч- количество образовавшегося кислорода,

М_O2 = 32 - молекулярная масса кислорода.

= 0,2195 кг/ч

Определение количества растворителя (воды), уносимого с газообразными продуктами

а) Определение количества растворителя, уносимого с водородом

где t⁰_эл = 25 - температура электролита, °С;

22,4 л - объем одного г-моль газа при нормальных условиях;

р = 23,76 мм. рт. ст. = 23,76133 = 3167,2 Па = 31,672 - упругость водяного пара при температуре электролита, гПа;

ρ_р = 0,02304 - плотность паров растворителя при t⁰_эл, г/л.

= 5,5246 10^-4 кг/ч

б) Определение количества растворителя, уносимого с кислородом

где - количество образовавшегося кислорода, кг/ч.

= 2,7623 10^-4 кг/ч

Таким образом суммарный расход воды на электролиз:

=0,0503 кг/ч

Энергетический баланс электрофлотатора.

Общая формула для расчета напряжения на электрофлотаторе:

(Е_а - Е_к) + (_а - _к) + Е_конц + Е_диф + U_эл + U_д + U₁ + U_к ,

где U – напряжение на ячейке электролизера, В

Е_а, Е_к – термодинамические (обратимые) значения потенциалов анода и катода, В

Е_а - Е_к = Е_т – теоретическое напряжение разложения, В

_а, _к – перенапряжение реакций на аноде и катоде, В

Е_конц – величины концентрационной поляризации на аноде и катоде , В

Е_диф – диффузионный потенциал между анолитом и католитом (при наличии диафрагмы), В

U_эл – падение напряжения в электролите , В

U_д – падение напряжения в диафрагме, В

U₁ – падение напряжения в электродах и токоподводящих шинах, В

U_к – падение напряжения в контактах, В.

Для данного случая мы исключаем из расчета Е_диф и U_д в связи с отсутствием диафрагмы. Также мы не рассчитываем Е_конц, так как процесс имеет электрохимическую природу. Величинами U₁ и U_к мы пренебрегаем в связи с малостью их вклада в общую величину напряжения на электрофлотаторе.

Расчет теоретического напряжения разложения, Е_т

Расчет проводится по доминирующим реакциям, которые идут с наиболее высокими выходами по току.

на катоде: 2H⁺ + 2е → H₂

на аноде: H₂O → 1/2O₂+2H⁺ +2ē

суммарная реакция: H₂O → H₂ + 1/2О₂

В таблице приведены стандартные величины энергии Гиббса (G⁰), энтальпии (Н⁰) и энтропии S° для компонентов и продуктов реакции.

Таблица

Теоретическое напряжение разложения реализуется при совершении системой максимально полезной работы. Оно вычисляется из изменения изобарно-изотермического потенциала при протекании реакции.

G⁰ = nFЕ_т = -А_мах,

где G⁰ – стандартный изобарно-изотермический потенциал электродной реакции (энергия Гиббса),

G⁰ = (n_i G⁰ _i)_п – (n_i G⁰ _i)_р,

где G⁰ _i – энергия Гиббса образования компонентов реакции

n_i - стехиометрический коэффициент компонента реакции. Индекс "п" означает продукты реакции; индекс "р" означает реагенты реакции.

Для реакции на катоде:

G⁰_к = G⁰ _н2 – 2G⁰ _Н+,

G⁰_к = 0 кДж/моль

Величина стандартного потенциала на катоде:

Е⁰_к = 0

Для реакции на аноде:

В соответствии с правилом термодинамических расчетов, анодную реакцию следует представить в обратном направлении:

1/2O₂+2H⁺ +2ē → H₂O. Тогда G⁰_а = G⁰ _Н2О – 1/2G⁰ _О2 – 2G⁰ _Н+,

G⁰_а = -237,531 кДж/моль

Величина стандартного потенциала на аноде:

Е⁰_а = 1,231 В

Теоретическое напряжение разложения в стандартных условиях

Е⁰_т = Е⁰_а - Е⁰_к Е⁰_т = 1,231 В

По уравнению Гиббса-Гельмгольца:

Е_т = -(Н/nF) + Т(Е/Т)_р,

где Е/Т - температурный коэффициент, В/град.

Величина (Е/Т)_р вычислена из следующего уравнения, получающегося из уравнения Гиббса-Гельмгольца:

(Е/Т)_р = S° /(296500), В/град

Вычислим S°_к катодной реакции:

S°_к = S°_Н2 - S°_Н+

S°_к = 130,761 Дж/моль град

Аналогично находим S°_а анодной реакции:

S°_а = S°_Н2О - 1/2S⁰_О2 - 2S°_Н+

S°_а = -32,621 Дж/моль град

Далее находим S° суммарной реакции и температурный коэффициент

S° = S°_а - S°_к S° = -163,328 Дж/моль град

Е_т = 1.231 В

Определение перенапряжения на электродах

Перенапряжение возникает вследствие замедленной одной (или нескольких) стадий переноса заряженных частиц через фазовую границу раздела электрод/раствор и описывается теорией замедленного разряда.

_а = _а – Е_т,

где _а = 0,9 В. Величина _а определена из поляризационной кривой по кислороду для ОРТА при плотности тока i = 244,14 А/м².

_а = 0,46 В

_к = _к – Е_т,

где _к = 1,0001 В. Величина _к определена из парциальной поляризационной кривой по водороду для стального электрода при плотности тока

i = 244,14 А/м².

_к = 0,52 В.

Расчет падения напряжения в электролите

Падение напряжения в электролите может быть рассчитано по закону Ома: