Выделение газов при безмембранном электроумягчении воды

Г.М. Бейгельдруд
Эксперт Международной Академии наук по экологии и безопасности человека и природы,
г. Тула

---

Процесс электрохимической обработки воды сопровождается выделением газов выделением газов на обоих электродах – преимущественно углекислого газа, а так же водорода на катоде и кислорода на аноде. Проведение процесса при высоком перенапряжении кислорода может сопровождаться выделением хлора на аноде, имеющем значительное перенапряжение по сравнению с кислородом в соответствующих условиях. Помимо водорода и хлора в газообразных продуктах обнаружены в значительных количествах CO₂, CO и H₂O.

На основании полученных результатов расчет количества газов, выделившихся в электрохимическом аппарате, состоящем из заданного числа ячеек, за время работы установки при токовой нагрузке и выходе по току, может быть проведен с учетом выхода по току (применительно к нормальным условиям) следующим образом.

Выделение газовой фазы в процессе электрохимической обработки воды сказывается на сопротивлении прохождения тока в электролизе за счет возрастания объемов диэлектрического пространства, определяемого газонаполнением системы. Газонаполнение представляет собой соотношение объема влажного газа, распределенного в виде пузырьков в электролите, к общему объему газонаполненного электролита:

Г = V_г/V_г + V_ж

где: Г – газонаполнение электролита;

V_г – объем газовой фазы в электролите;

V_ж– объем жидкой фазы.

Величина газонаполнения зависит от физико-химических свойств растворенной солевой системы, так и от конструктивных и технологических показателей процесса, и определяется соотношением процесса образования газовых пузырьков в объеме жидкости и отводом их из электролита.

Количество выделяющегося водорода:

V_H2 = 0,28Int/1000 (m³)

Количество выделяющегося кислорода:

V_O2 = 0,109 Int/1000 (m³)

где: I – нагрузка по току (А);

n – Число ячеек;

t – время (час).

В таблице 1 приведены экспериментальные данные выхода основных газовых компонентов – кислорода и водорода, полученные в электрохимическом аппарате со стальными электродами.

Таблица 1

Выделение кислорода и вода в процессе электрохимической очистки воды

№ п/п	Наименование показателя	1 А×ч			26 А?ч
		Теорети-ческое	Практи-ческое	Выход по току	Теорети-ческое	Практи-ческое	Выход по току
1	2	3	4	5	6	7	8
1	Количество разлагаемой воды, г	0,338	0,115	0,52	9,0	4,68	0,52
2	Количество выделяемого водорода, г л	0,037 0,419	0,190 0,218		1,0 11,2	0,52 5,77
3	Количество выделяемого кислорода, г л	0,2987 0,2095	0,156 0,109		8,0 5,6	4,16 2,93

Экспериментально получено, что существует зависимость газонаполнения обрабатываемой воды от величины применяемой плотности тока. С увеличением плотности тока прямо пропорционально увеличивается газонаполнение системы. Увеличение плотности тока свыше 0,1 А/см² приводит к некоторому отклонению рассматриваемой зависимости от линейного характера. Газонаполнение возрастает с увеличением плотности тока в несколько меньшей степени, что может быть объяснено укрупнением газовых включений в жидкой фазе.

Повышение степени газонаполнения системы до 30 – 35 % вызывает повышение удельного сопротивления исследуемой жидкости на 15 – 20 %, в зависимости от температуры в ее объеме.

В качестве условий, обеспечивающих снижение сопротивления системы, необходимо отметить следующие:

- увеличение расстояния между электродами;

- снижение высоты электродов в системе;

- увеличение скорости подъема газовых пузырьков.

При этом известно, что увеличение расстояния между электродами сопровождается увеличением падения напряжения в объеме очищаемой воды, поэтому может оказаться нецелесообразным. Влияние высоты на степень газонаполнения должно быть учтено при проектировании электрохимических установок.

Повышение скорости подъема газовых пузырьков, помимо изменения условий их формирования, может быть достигнуто созданием восходящего потока очищаемой жидкости в электродной системе.

При этом известно, что водород (H2) – газ без цвета и запаха, легко воспламеняется и горит синеватым, мало светящимся пламенем. Содержание изотопа протия в водороде достигает 99,9 %.

Реакция диссоциации молекулы водорода эндотермична и протекает и протекает с большим поглощением тепла по реакции:

H2 + 102,6 ккал = 2H (при 2982 0К)

Заметная термическая диссоциация начинается при 2000 0С.

В обычных условиях при комнатной температуре молекулы водорода малоактивны. Реакционная способность водорода возрастает при нагревании под действием ультрафиолетовых лучей электрического разряда. На воздухе и в чистом кислороде водород сгорает, образуя воду. При соотношении водорода и кислорода:

[H2] : [O2] = 2 : 1

образуется гремучая смесь.

В присутствии таких металлов, как платина, никель, железо – водородно-кислородная смесь взрывается при нагревании.

Смесь водорода с кислородом взрывоопасна в широком интервале концентраций водорода (табл. 2).

Таблица 2

Пределы взрываемости водородно-кислородных смесей

№ п/п	Смесь	Пределы взрываемости		Температура самовоспламенения, 0С	Скорость распространения пламени, см/сек
		нижний	верхний
1	2	3	4	5	6
1	[H2] : [O2]	4,5	95	450	890
2	[H2] : воздух	4,1	74,2	510	267

Скорость распространения взрывной волны в гремучей смеси 2821 м/сек.

При этом необходимо отметить, что, кислород (O2) – газ без цвета и запаха. Жидкий и твердый кислород имеет бледно-синюю окраску. Обладает высокой химической активностью. Под действием тихого электрического разряда или ультрафиолетовых лучей кислород частично превращается в озон (O3). Возможно образование небольших количеств озона при электрохимической обработке воды.

Физико-химические свойства водорода и кислорода представлены в таблице 3.

Таблица 3

Основные физико-химические свойства газов

№ п/п	Наименование показателя	Газы
		кислород	водород
1	2	3	4
1	Молекулярный вес	31,999	2,016
2	Мольный объем (при 0 0С и 760 мм. рт.ст.)	22,39	22,43
3	Температура, 0С плавления кипения (при давлении 56 мм. рт. ст.)	- 182,97 - 218,8	- 252,8 - 259,2
4	Плотность, кг/м3 относительная (по воздуху)	1,429 1,1053	0,0099 0,0695
5	Удельная теплоемкость, ккал/г?град сp сv	0,218 0,156	3,408 2,240
6	Теплопроводность, ккал/м? град	0,2052	0,140

Общее напряжение, измеряемое на токопроводящих контактах электрохимического аппарата, складывается из падения напряжения на всех участках цепи:

V = E0 + φа + ?к + ?Vэ + Σ?Vс

где: E0 – напряжение разложения воды;

?а – перенапряжение на аноде;

?к – перенапряжение на катоде;

?Vэ – потеря напряжения в электролите;

??Vс – потери напряжения в проводниках первого рода и контактах.

Теоретическое напряжение разложения E0 определяется разностью термодинамически обратимых потенциалов анода и катода:

E0 = 1, 23 В

т.е. с увеличением температуры теоретическое напряжение разложения падает и характеризуется величиной температурного коэффициента:

ψ = dF/dt = 0,05/20 = 0,0025 В/град

Величина перенапряжения выделения водорода и кислорода на электродах зависит от нескольких факторов, в частности, от химической природы загрязнений, состояния поверхности электродов, плотности тока, температуры, длительности проведения процессов. Все это усложняет вывод конкретных закономерностей и затрудняет конкретных закономерностей и затрудняет теоретическое определение этой величины.

Поэтому, для практических целей используют экспериментально найденные значения этих величин, учитывая зависимость величины перенапряжения от плотности тока, определяется по формуле:

? = а + вlgi

где: а, в – коэффициенты, зависящие от материала электрода и состояния его поверхности. Экспериментально найденные величины перенапряжения выделения водорода и кислорода на стальных электродах в зависимости от плотности тока равны:

?_к = 0,40 ÷ 0.65

?_а = 0,25 ? 0,43

Прохождение тока через объем очищаемой воды сопровождается падением напряжения в электролите прямо пропорционально длине пути тока от анода к катоду, и обратно пропорционально удельной электропроводности жидкости при постоянной плотности тока.

В соответствии с законом Ома:

U = I ? R;

где: I– сила тока;

U – Напряжение;

R – Сопротивление электролита. 

---

Назад к списку