5 Лабораторная работа № 3

«Очистка сточных вод от тяжелых металлов методом катодного восстановления»

Ц е л ь р а б о т ы:

– изучить метод очистки сточных вод (электролитов) катодным восстановлением ионов металла до предельно–допустимых значений;

– расчёт токовых параметров про­цесса.

О н а щ е н и е р а б о ч е г о м е с т а:

– электрохимическая установка "Катунь";

– электроды;

– электролит;

– весы аналитические;

– химические реактивы и посуда.

О с н о в н ы е с в е д е н и я и з т е о р и и.

Для очистки сточных вод от различных растворимых и диспер­гированных примесей применяют электрохимические методы: анодное окисление и катодное восстановление, электрокоагуляцию, электро­флотацию и электродиализ.

Все указанные процессы протекают на электродах при пропус­кании через сточную воду постоянного электрического тока. Элект­рохимические методы позволяют извлекать из сточных вод ценные продукты при относительно простой автоматизированной технологи­ческой схеме очистки, без использования химических реагентов. Очистку можно проводить периодически и непрерывно. Основной не­достаток методов – большой расход электроэнергии.

Эффективность электрохимических методов оценивается рядом факторов: плотность тока, напряжением электролизера, выходом по току и энергии.

Плотность тока является основным параметром, характери­зующим процесс электролиза и выражается отношением силы тока I к поверхности катода S_к (катодная плотность) или S_а (анодная плотность).

Напряжение электролизера складывается из разности элект­родных потенциалов и падения напряжения в растворе и определяется по формуле:

(3.1)

где φ_а, φ_к – потенциалы анода и катода соответственно, В;

α – коэффициент, учитывающий потери напряжения в растворе за счет газонаполнения;

I – сила тока на электролизере, А;

R_эл – сопротивление раствора, Ом.

β – коэффициент, учитывающий падение напряжения в контактах.

Расчет напряжения электролизера производится применительно к столбу раствора сечением 1 м² и длиной l, равной расстоянию между катодом и анодом.

В таком случае вместо силы тока I (3.1) принимается средняя плотность тока i_ср, равная среднеквадратичному значению анодной i_а и катодной i_к плотностей тока:

(3.2)

Сопротивление электролита определяется из соотношения:

(3.3)

где l –расстояние между электродами, см;

S – площадь сечением в 1 дм ²=100 см² ;

χ – удельная электропроводность раствора, Ом^–1 ·см ^–1.

Значения i_ср и R_эл подставляются в формулу (3.1).

При электролизе растворов на аноде протекают процессы электрохимического окисления, а на катоде – процессы восстановления. При выделении из растворов металлов на катоде происходят побочные процессы: выделение водорода, восстановление органических веществ и др. В результате этого суммарное количество электричества, затрачиваемое на выделение вещества, превышает количество электричества, рассчитанное по закону Фарадея.

Это определяется выходом по току и рассчитывается по формуле:

(3.4)

где g_Т, g_n – количество электричества теоретически и практически расходуемые на осаждение единицы вещества соответственно;

m_ф, m_Т – количество вещества, фактически и теоретически выделившиеся на электроде соответственно.

На практике значение выхода по току η определяются отношением количества металла, осаждённого на катоде m_ф, к количеству металла, рассчитанному по закону Фарадея m_Т.

Катодное восстановление можно использовать для очистки сточных вод (электролитов), содержащих ионы тяжёлых металлов, например, Cu²⁺, Cr^B+, Zn²⁺ и др.

Катодное востонавление металлов происходит по схеме:

Meⁿ⁺ + ne^– → Me⁰

Металлы осаждаются на катоде и могут быть рекуперированы.

В качестве анодов используют материалы электрохимические нерастворимые: графит, двуокись свинца и др. Поэтому процесс катодного восстановления металлов происходит при постоянном снижении концентрации извлекаемого металла до минимально возможных значений.

Важным показателем процесса является расход электроэнергии, требуемый для очистки электролита от металлов до значений предельно допустимых концентраций.

Удельный расход электроэнергии на единицу массы выделившегося металла можно определить (Вт∙ч/г) по формуле:

(3.5)

где – сила тока, А;

–напряжение электролизёра, В;

t – время электролиза, ч;

–электрохимический эквивалент металла, г∕(А∙ч);

–выход по току.

Величина обратная удельному расходу электроэнергии W_уд называется выходом по энергии (г/Вт∙ч) и определяется по формуле:

(3.6)

П о р я д о к в ы п о л н е н и я р а б о т ы.

Работа выполняется на электрохимической установке «Катунь». В качестве электродов используются: катод – листовая медь, анод – графит.

Состав раствора с ионами меди следующий (г∕л):

– медный купорос CuSO₄∙5H₂O – 200 г∕л;

– серная кислота H₂SO₄ – 50 г∕л.

Работа выполняется в следующем порядке:

1. Медные пластинки – катоды перед покрытием зачищаются наждачной бумагой и обезжириваются в органическом растворителе (ацетоне), после чего промываются в проточной воде.

2. После просушивания образцы взвешиваются и определяются их начальный вес m_н, г.

3. Пластики – катод опускается в раствор до заданной глубины, определяющей площадь покрытия S_к.

4. Устанавливается заданное межэлектродное расстояние l, плотность тока i_к, время электролиза t.

5. По окончании электролиза катод извлекается из раствора, промывается в проточной воде и сушится.

6. Катод с осадком меди взвешивается и определяется его вес m_к.

7. Устанавливается количество осажденной меди по формуле:

8) Определяется теоретическое количество меди по закону Фарадея:

где q – электрохимический эквивалент меди, q =1,186 г∕А∙ч=0,33 мг∕Кл;

I – сила тока, А;

t – время электролиза, ч.

9) Определить выход по току .

10)Определить напряжение электролизера по формуле (3.1) при следующих данных:

φ_а= + 0,35 В, φ_к= + 0,25 В, α = 0, β = 0,02, χ = 0,5 Ом^–1 ·см ^–1

11) Определить удельный расход электроэнергии (Вт∙ч∕г) и выход по энергии.

12) Построить графики зависимости:

а) Концентрации меди в растворе С_Си от времени электролиза t при заданных токовых параметрах, (предварительно необходимо рассчитать начальную концентрацию меди в растворе).

13) Определить время и расход электроэнергии, необходимые на очистку раствора от меди до значений предельно – допустимой концентрации в 1мг∕л.

14) Выводы по работе.

К о н т р о л ь н ы е в о п р о с ы.

1. Какие процессы могут протекать на электродах при катодном восстановлении?

2. Какой анодный материал можно применять при катодном восстановлении и почему?

3. Какие факторы определяют напряжение на электродах?

4. От чего зависит эффективность очистки раствора электрохимическими методами?