Электролиз в процессах очистки воды

15. Приведите схему электролизера с электролитом - водным раствором какой - либо соли. Укажите анод, катод, направление движения электронов в проводниках первого рода и направление движения ионов в проводнике второго рода. Укажите материал электродов. Укажите состав продуктов в анодном и в катодном пространствах в случае электролиза водного раствора поваренной соли.

Ответы. При электролизе водного раствора поваренной соли

на аноде протекает электродная полуреакция окисления: 2CI^-_(в) – 2е = CI_2(г)

на катоде протекает электродная полуреакция восстановления: Н₂О_(ж) + 2е = Н_2(г) + 2ОН^-_(в)

16. Законы электролиза Фарадея.

Пусть на электроде протекает полуреакция

Х ± nе = Y (знак + для катода, знак – для анода)

1 - й закон Фарадея:

m(Y) = k(Y) · I · t

где m(Y) – масса вещества Y, выделившегося на электроде при протекании через него тока силой I А в течение времени t с

2 - й закон Фарадея:

k(Y) = М(Y)/nF

где k(Y) - электрохимический эквивалент вещества Y,

М(Y) – молекулярная масса вещества Y, кг/моль,

n – безразмерная величина, определяемая из уравнения электродной полуреакции,

F - постоянная Фарадея: F = е · N_А = 96500 Кл/моль,

Справка: е = 1.602 · 10^-19 Кл, 1 Кл = 1 А · 1 с, 1 Вт = 1 А · 1 В, 1 Вт = 1 Дж/1 с

17. Электрохимические методы очистки сточных вод: 1) анодное окисление и катодное восстановление анионов и катионов вредных веществ (приведите примеры), 3) электрокоагуляция, 4) электродиализ, 5) электрофлотация.

Примеры окисления и восстановления на аноде и на катоде:

анодное окисление: 2 СN^- + 8 OH^- - 10e = 2 CO₂ + N₂ + 4 H₂O

катодное восстановление: Cr₂O₇^2- + 14 H⁺ + 12e = 2 Cr + 7 H₂O.

18. Очистка сточной воды с использованием метода электрокоагуляции основана на электрохимическом растворении материала железного анода с последующим образованием при участии растворенного в воде кислорода объемного студенистого осадка гидроксида железа(III). Нарисуйте схему электролизера. Составьте уравнения полуреакций, протекающих на аноде и на катоде, считая, что на катоде происходит восстановление воды. Какова роль растворенного в воде кислорода? От какого вида примесей очищается вода методом электрокоагуляции?

На аноде: Fe_(т) – 2e = Fe²⁺_(в)

На катоде: 2Н₂О_(ж) + 2е = Н_2(г) + 2ОН^-_(в)

При смешивании анодного и катодного растворов образуется объемный студенистый осадок Fe(OH)₂, который захватывает коллоидные и другие примеси, содержащиеся в воде. Осадок Fe(OH)₂ затем доокисляется содержащимся в воде кислородом до еще менее растворимого Fe(OH)_3. Осадок Fe(OH)₃ с осажденными и адсорбированными на нем дисперсными и молекулярными примесями затем отделяют от воды в отстойнике.

19. Электродиализатор – это электролизер, межэлектродное пространство которого разделено на несколько камер с помощью попеременно расположенных катионо - и анионообменных пористых мембран. Поскольку катионообменные мембраны пропускают через поры только катионы, а анионообменные – только анионы, то камеры поочередно обедняются и обогащаются электролитами. В результате исходный раствор электролита делится на два потока – обессоленный и концентрированный. Электродиализ с использованием селективных мембран применяется для очистки сточных вод от ионных примесей.

Приведите схему электродиализатора, используемого для обессоливания воды. Почему катионообменная мембрана не пропускает анионы в направлении к аноду? Почему анионообменная мембрана не пропускает катионы в направлении к катоду? Приведите поясняющую схему ионообменной мембраны.

Схема электродиализатора. Пунктиром изображены последовательно слева направо анионо (А) и катионообменные (К) мембраны.

Схема катионообменной мембраны, на стенках которой расположены анионоактивные группы.

Составьте уравнения полуреакций, протекающих на аноде и на катоде электродиализатора в случае, когда исходная вода содержит только хлорид натрия.

Очистка воды с применением обратного осмоса и ультрафильтрации

20. Осмосом называют процесс выравнивания концентраций в 2-х растворах, разделенных полупроницаемой перегородкой, пропускающей только молекулы растворителя. При осмосе молекулы растворителя диффундируют из раствора с меньшей концентрацией растворенного вещества, в раствор с большей концентрацией.

21. Осмотическое давление – избыточное давление в растворе, необходимое для того, чтобы остановить диффузию растворителя через полупроницаемую мембрану, отделяющую раствор от чистого растворителя. Оно обусловлено различием значений химического потенциала растворителя по обе стороны полупроницаемой мембраны.

Химический потенциал μ_i i – го компонента термодинамической системы в данной ее фазе определяется как частная производная , где G – энергия Гиббса фазы.

22. Обратный осмос (гиперфильтрация) – метод разделения растворов, заключающийся в том, что раствор под избыточным давлением 30 - 80 атм. подается на полупроницаемую мембрану, пропускающую растворитель (обычно воду), но задерживающую полностью молекулы и гидратированные ионы растворенных веществ, а так же частицы дисперсной фазы. Движущая сила процесса р > π. Если в фильтрате тоже содержится растворенное вещество (не 100% -ная очистка из-за несовершенства мембраны), то движущая сила процесса

р > (π₁ - π₂),

где р – давление исходного раствора, π₁ и π₂ - соответственно осмотические давления раствора и фильтрата. Нарисуйте схему установки.

Рис.22.1. Схема установки для обессоливания воды методом обратного осмоса.

23. Ультрафильтрация (микрофильтрация) – метод разделения коллоидных растворов, заключающийся в том, что раствор под избыточным давлением Δр = 1 - 5 атм. подается на полупроницаемую мембрану, пропускающую растворитель (обычно воду) и частицы истинных растворов, но задерживающую коллоидные и другие частицы дисперсной фазы.

24. Задача. Используя теоретическое выражение, полученное для идеальных растворов, оцените осмотическое давление p питьевой воды, в которой содержится только гидрокарбонат кальция. Общая жесткость воды Ж_общ = с_э(Са²⁺) ∙10³ = 7 (ммоль экв.Са²⁺)/л. Температура 20^оС. Под каким избыточным давлением Dр (движущая сила процесса) можно обессолить питьевую воду с помощью полупроницаемых мембран? Изобразите схему установки. Это будет установка, в которой протекает процесс обратного осмоса, ультрафильтрации, обычной фильтрации? Как нужно изменять избыточное давление Dр вкамере с раствором, если уменьшается доля концентрата, выходящего из установки обессоливания?

Решение. Для вычисления суммарной концентрации присутствующих в воде ионов нужно сначала составить уравнение процесса растворения диссоциации сильного электролита гидрокарбоната кальция:

,

Ж_общ = с_э(Са²⁺) (моль экв./л) ·10³ (ммоль экв./моль экв.) = 7 ммоль экв./л,

с_э(Са²⁺) = 7 (ммоль экв./л) ·10^-3 (моль экв./ммоль экв.) =

=7·10^-3 (моль экв.)/л =7 моль экв./м³

с_м(Са²⁺) = 0,5 · с_э(Са²⁺) = 3.5 моль/м³,

с_м(НСО₃^-) = 2 · с_м(Са²⁺) = 7 моль/м³,

3.5 + 7 = 10.5 моль/м³,

π = 10.5 (моль/м³) · 8.31 (Дж/моль · К) · 293 К =

= 2.66 · 10⁴ Па = 0.26 атм. = 2640 мм вод. ст.

Избыточное давление при опреснении питьевой воды с помощью полупроницаемых мембран методом обратного осмоса должно составлять Dр > 0.26 атм.

Дополнение. В морской воде суммарная молярная концентрация ионов составляет 1.12 моль/л. Под каким избыточным давлением Dр можно обессоливать морскую воду с помощью обратного осмоса при 20^оС?

π = 1.12·10³ (моль/м³) · 8.31 (Дж/моль К) · 293 К = 2.73 · 10⁶ Па = 27 атм.,

Dр > 27 атм.