Выбор материала электродов.

К материалу электродов предъявляются следующие требования: 1) устойчивость в процессе обработки и длительной эксплуатация; 2) нетоксичность электродов и продуктов их разрушения; 3) высокая электропроводность и механическая прочность; 4) доступность и невысокая стоимость.

Аноды, кроме того, должны быть устойчивы в водных растворах при потенциалах выделения кислорода (в кислых растворах > +1,23 В, а в щелочных < +0,41 В). Перечисленным требованиям удовлетворяют некоторые модификации графита. Для защиты от разрушения аноды пропитывают различными материалами, уменьшающими смачиваемость поверхности и препятствующими попаданию электролита в поры. В процессах очистки воды в качестве электродов часто используют магнетит FeO-Fe₂O₃. В последнее время для очистки воды применяют аноды из титана, на поверхность которого наносят слой высших оксидов рутения или кобальта. Они практически неразрушаемы и могут быть легко регенерированы.

К катодам предъявляют менее жесткие требования. Основной показатель для них - величина перенапряжения выделения водорода η (H₂)

Электрод	Pt	Fe	Ni	Zn	Pb	С	Cu
η (H2), В	0,35	0,70	0,63	1,30	1,47	1,1-1,3	0,8

По величине перенапряжения электродные материалы разделяются на две группы: с низким (железо, никель и др.) и высоким (графит, цинк и др.) перенапряжением. Для процессов очистки воды, в которых определяющую роль играет анодный процесс (деструктивные методы), в качестве катодного материала выбирают металлы из первой группы, руководствуясь энергетическими затратами. Для процессов обработки воды, в которых катодная реакция обеспечивает удаление загрязнителей (выделение металлов, перевод вещества в менее токсичное соединение и др.), целесообразно использовать электроды с высоким перенапряжением при выделении водорода, что позволяет облегчить протекание реакций выделения металлов, стоящих перед водородом в ряду напряжений.

Расчет электролизеров.

Цель расчета – определить основные параметры аппарата: а) полезный объем, б) поверхность электродов, в) нагрузку по току и г) расход энергии на обработку воды. Исходными данными являются: а)предполагаемый расход сточной воды, б) общее содержание минеральных солей и загрязняющих компонентов в ней и в) время обработки воды. Объем электролизера определяют из выражения

V=Qt,

где Q — расход сточной воды, м³ /с; t — время обработки, с.

Нагрузку по току(А) находят ориентировочно из выражения

I= q C_о В_Т Q / t,

где q—теоретическое количество электричества, необходимое для обезвреживания 1 эквивалента загрязнителя и определяемое по закону Фарадея; С₀ – концентрация ионов загрязнителя, экв/м³ ; В_Т - выход по току, доли единицы.

Общая поверхность электродов

S=V/(2d),

Где V – объем пространства между электродами, м³ ; d - расстояние между электродами, м.

Часто бывают заранее известны величины В_T, а также оптимальные значения плотности тока. В этих случаях размеры электродов могут быть определены из выражения

S = I / j,

где I – общая токовая нагрузка на аппарате; А; j - плотность тока, А/м².

Поскольку при извлечении металлов процессы чаще всего протекают в диффузионном режиме, т.е. скорость процессов лимитируется доставкой разряжающихся частиц к электроду, поверхность электрода можно независимо определить из уравнения диффузии

S_k = (m_v/K_m) ln (Сн/Ск),

где m_v - объемная скорость движения воды через аппарат, м³с; K_m - коэффициент массопередачи, равный отношению D/δ, м^.с; С_н - начальная концентрация металлов; С_к - конечная концентрация металлов на выходе из аппарата;

δ - толщина диффузионного слоя, м.

Расход энергии на электрохимическую обработку является основной величиной, определяющей эксплуатационные затраты и конкурентоспособность установок. Расход энергии W обычно относят к 1 м³ очищаемой воды. Величина W определяется напряжением на электродах, расстоянием между ними, удельным сопротивлением и другими характеристиками обрабатываемой воды:

W = Q_эл U_эл,,

где Q_эл - количество электричества, затраченное на обработку 1 м³ воды;

U_эл - напряжение на электролизере.

Необходимое для обработки воды количество электричества зависит от содержания загрязнителя и вида электрохимической очистки. В процессах электрохимического окисления его удается оценить, если предположить, что для осуществления анодной деструкции до необходимой степени окисления органических соединений достаточно получить в результате электродной реакции количество кислорода, равное величине ХПК; тогда значение Q_эл определяется из выражения (в А-ч/м³)

Q_эл = 26,8 .ХПК/(В_т^.8^.10⁵).

Если известна анодная реакция и в сточных водах присутствует токсичный компонент, например, цианид-ионы

CN^- + 2 ОН^- → CNО^- + 2 H₂О + 2ē,

то количество электричества, необходимое для обезвреживания ионов CN^-, можно рассчитать из уравнения (в А/ч)

Q_эл = 2,06 С_оV / В_{т ,}

где С_о - исходная концентрация цианидов в сточных водах, г/м³; V - объем сточных вод в электролизере, м³; 2,06 - электрохимический эквивалент окисления ионов CN^-, А^.ч/г.

Необходимость предварительного расчета количества электричества, потребляемого для очистки, обусловлена высокой химической активностью и токсичностью окислителей, образующихся в ходе электродных реакций, и стремлением избежать их накопления. В некоторых случаях величина Q_эл известна из предварительных исследований.

Напряжение на одной секции аппарата (одна пара электродов) определяется из выражения

U = E_a + E_k + η_a +η_k + ΔE_конц +ΔU_эл +ΔU_д + ΔU₁ + ΔU₂ ,

где E_a, E_k - обратимые значения потенциалов анода и катода, В; η_a, η_k - перенапряжение на аноде и катоде, В; ΔE_конц - величина концентрационной поляризации, В; ΔU_эл - падение напряжения в электролите, В; ΔU_д - падение напряжения в диафрагме или мембране, В; ΔU₁ + ΔU₂ - падение напряжения в электродах и контактах, В.

При различных видах обработки вклад каждой составляющей U различен. Для электрофлотаторов и электрокоагуляторов, а также аппаратов электрохимической очистки окислением и восстановлением в общем балансе напряжения будут преобладать значения E_a, E_k, η_a,η_k. Для электродиализаторов основной составляющей баланса является падение напряжения на мембранах и в растворе: ΔU_эл, ΔU_д.

Теоретическое напряжение разложения Е_Т = E_a + E_k на электролизере можно определить, исходя из соотношения

,

где ΔН° - энтальпия реакции разложения; п - число электронов, участвующих в реакции; F - число Фарадея; дЕ/дТ - температурный коэффициент В/К.