5.1. Электролизеры

Устройства, в которых проводят те или иные процессы электрохимического воздействия на водные растворы, имеют общее название – электролизеры (рис. 5.1).

В

Рис. 5.1. Электролизер:

1 – внешняя цепь; 2 – емкость; 3 – анод; 4 – катод; 5 – источник питания

ода поступает в емкость 2, в которую погружены два электрода 3, 4, соединенные с источником тока 5. Под действием электрического поля положительно заряженные ионы мигрируют к отрицательному электроду – катоду, а отрицательно заряженные ионы – к положительно заряженному электроду – аноду. На электродах происходит переход электронов. Катод отдает электроны в раствор, и в приэлектродном пространстве происходят процессы, связанные с присоединением электронов к реагирующим частицам, – восстановление. В прианодном пространстве протекают процессы переноса электронов от реагирующих частиц к электроду – окисление.

Иногда представленную на рис. 5.1 схему усложняют, разделяя полупроницаемой перегородкой (диафрагмой или ионообменной мембраной) катодное и анодное пространства. Тогда поступающая на обработку вода либо последовательно проходит каждую из двух образовавшихся камер, либо циркулирует в одной из них.

В зависимости от природы процессов, протекающих в таких аппаратах и обеспечивающих извлечение или обезвреживание загрязняющих компонентов, электролизеры разделяют на следующие типы: электрофлотаторы, электрокоагуляторы, электролизеры для проведения реакций окисления и восстановления и электродиализаторы.

Аппараты для электрохимической очистки сточных вод могут быть как с не подвергающимися, так и с подвергающимися электролитическому растворению анодами.

5.2. Электрохимическая деструкция органических загрязнителей

Процессы электрохимического окисления и восстановления находят широкое применение в технологии очистки сточных вод. При этом происходит деструкция органических загрязнителей.

В качестве анодов используют следующие электрохимически нерастворимые материалы: графит (С), магнетит (Fe₃O₄), свинец и его соединения (Pb, PbO₂), кремниевые сплавы и др. Катоды изготавливают из графита, молибдена, сплава вольфрама с железом или никелем, нержавеющей стали и ряда других веществ.

Рассмотрим наиболее распространенные примеры использования метода анодного окисления.

Электрохимическая очистка сточных вод от цианидов заключается в их обработке в открытых бездиафрагменных электролизерах непрерывного или периодического действия. Используются графитированные аноды, либо аноды из магнетита и диоксида свинца (на титановой основе). Катоды изготовлены из легированной стали.

Указанным методом обрабатываются сточные воды и растворы различных производств, содержащие цианиды и в первую очередь стоки гальванических цехов и участков, причем данный способ наиболее экономичен при концентрации цианидов ≥ 200 мг/л.

При электролизе щелочных сточных вод (обычно их рН лежит в пределах 8-12), содержащих цианистые соединения, происходит анодное окисление CN^- ионов, а также комплексных анионов, содержащих CN^--группы ([Cu(CN)₃]^2-, [Zn(CN)₄]^2-, [Cd(CN)₄]^2- и др.) с образованием цианат-ионов:

CN^- + 2OH^- – 2e^- → CNO^- + H₂O, (5.1)

[Cu(CN)₃]^2- +6OH^- – 6e^- → Cu⁺ + 3CNO^- + 3H₂O. (5.2)

Образующиеся по реакциям (5.1) и (5.2) цианат-ионы (CNO^-) частично окисляются на аноде с образованием нетоксичных газообразных продуктов:

2CNO^- + 4OH^- – 6e^- → CO₂↑ + N₂↑ + 2H₂O. (5.3)

На катоде происходит разряд Н⁺-ионов с образованием газообразного водорода, а также разряд ионов Cu⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, образующихся при диссоциации комплексных ионов, содержащих CN^--группы [Cu(CN)₃]^2-, [Zn(CN)₄]^2- и др.

Электролиз сточных вод проводят при анодной плотности тока 0,5-2 А/дм². К сточным водам добавляют хлорид натрия в концентрации 5-10 г/л. При этом цианиды дополнительно окисляются хлором, выделяющимся на аноде вледствие электрохимического разложения хлористого натрия:

2Cl^- – 2e^- → Cl₂ , (5.4)

Cl₂ + CN^- + 2OH^- → CNO^- + 2Cl^- + H₂O. (5.5)

Степень очистки сточных вод от цианидов приближается к 100 %. Кроме того, утилизируется до 80 % общего количества металлов, выделяемых в виде катодных осадков. Остальные 20 % от общего количества металлов удаляется в виде гидроксидов; рН процесса рекомендуется поддерживать в пределах 8-9 (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Схема установки для электрохимического окисления цианидов:

1 – усреднитель; 2 – бак для приготовления раствора хлорида натрия; 3 – электролизер; 4 – выпрямитель переменного тока

При анодном окислении роданиды разрушаются по следующей схеме:

CNS^- + 10OH^- – 8e^- → CNO^- + + 5H₂O. (5.6)

Реакция анодного окисления органического соединения (формальдегида) протекает по схеме

НСНО + О → CO₂ + H₂ 2e^-. (5.7)

Рассмотрим примеры катодного восстановления металлов. Их используют для выделения из сточных вод следующих ионов тяжелых металлов: Pb²⁺, Sn²⁺, Hg²⁺, Cu²⁺ и др. Общая схема восстановления ионов металлов на катоде описывается реакцией

Me^z+ · xH₂O + ze^- → [Me] + xH₂O. (5.8)

Укажем, что очистку сточных вод от ионов Hg²⁺, Pb²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺ проводят в кислой среде на катодах из смеси угольного и сернистого порошков при плотности тока 2,5 А/дм². Рассмотренные катионы осаждают в виде сульфидов и бисульфидов.

Рассмотрим также реакцию электрохимической очистки сточных вод от NH₄NO₃. При проведении электролиза используют графитовый катод, на котором протекает следующая реакция:

NH₄NO₃ + 2Н⁺ + 2e^- → NH₄NO₂ + Н₂O. (5.9)

Нитрит аммония при нагревании разлагается с выделением азота:

NH₄NO₂ → N₂↑ + 2Н₂O. (5.10)