Лекция №2

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА В ПРОИЗВОДСТВАХ АПК

Электрический ток является частной формой электромагнитного поля и его технологические свойства и проявления обусловлены свойствами поля.

В сельскохозяйственном производстве электрический ток приме­няют в следующих основных областях: обработка кормовых материа­лов для повышения эффективности их использования; обеззараживания влажных материалов; электрофлотация, опреснение и активация воды и водных растворов; электрохимические методы обработки в ремонт­ном производстве и т. д.

Технологическое применение физико-химического действия электрического тока в с.х. производстве базируется на процессах физической химии (электролиз, электрокаогуляци,

электроосмос, электроплазмолиз, электродиализ) * вставка

Электрический ток в электролитных средах - это направленный поток ионов в электрическом поле. Прохождение электрического тока в электролитах сопровождается переносом вещества, поляризацией сред, электрокинетическими явлениями (электрофорез, электроосмос, потенциал течения), электрохими­ческими проявлениями.

Поляризация - смещение или выравнивание зарядов вещества под воздействием электрического поля. Различают электронную, ионную, миграционную, концентрационную, ориентационную и элект­рохимическую поляризацию. При обработке электрическим током низкой частоты наибольшее влияние оказывают последние три вида.

На границе между твердым телом и жидкостью происходит прост­ранственное распределение электрических зарядов, приводящее к возникновению разности потенциалов между соприкасающимися веществами. В установившемся режиме обмена ионами создается равновесный потенциал, определяемый концентрацией раствора, при которой ни раствор, ни электрод не приобретают электрических зарядов. Если раствор имеет нормальную концентрацию, то нормаль­ный электродный потенциал, В,

_п = -(RT/zF)lnc₀, (1)

где R = 8,3144 Дж/Кмоль • К) - универсальная газовая постоянная; Т - термодинамическая температура, К; z — заряд иона с соответствующим знаком; F = 96 485 Кл/моль — число Фарадея; Со — концентрация ионов до протекания тока, моль/см³.

При отклонении концентрации от исходных условий разность потенциалов между электродом и раствором, В,

- ₂ = (RT/zF)ln(c c₂) или (2)

= _п +( RT/zF)ln|c|,

где c и С — концентрации потенциалопределяющих ионов в электроде и растворе, моль/см³; с -текущее значение концентрации раствора, моль/см³.

Изменение концентрации и потенциала наблюдают не только на электродах, но также на мембранах и в растворе. Причина поляризации-различная активность ионов

Электрокинетические явления - движение под дейст­вием электрического поля твердых тел в жидкости (электрофорез) или жидкости относительно твердой фазы {электроосмос). На границе раздела твердой и жидкой фаз вследствие специфической адсорбции перераспределяются электрические заряды и образуется двойной электрический слой. Возникает "скачок" потенциала ф. Если вдоль границы раздела фаз приложить напряжение от внешнего источника, создав некоторую разность потенциалов, то слои твердого тела и прилегающей к нему жидкости перемещаются в сторону противопо­ложного (по сравнению со знаком заряда этого слоя) полюса источни­ка. В результате внутреннего трения движение передается соседним слоям. Таким образом, при жестко закрепленном твердом теле начи­нается движение жидкости, называемое электроосмосом. Линейная скорость электроосмоса в единичном капилляре, м/с,

v = Е/(4 _ж), _ (4)

где — диэлектрическая проницаемость среды, Ф/м; — электрокинетический потен­циал, В; Е — напряженность электрического поля, В/м; _ж —динамическая вязкость жидкости, Па • с; 1 Па • с = 1 кг/(с • м).

Скорость электрофореза определяется формулой Смолуховского,

м/с,

v = Е/4 _ж, (5)

где — дзета-потенциал (часть электрокинетического потенциала), В.

Электрокинетические явления используют в процессах обезвожи­вания влажных и насыщения капиллярно-пористых сред влагой.

При прохождении жидкости через пористые среды, особенно с избирательной проницаемостью (например, ионитовые мембраны), ионы разделяются. На этом основаны процессы электродиализа и активации водных растворов.

Рассоление почв электроосмосом

Распространенный метод рассоления почв — их промывка пре­сной водой. В зависимости от содержания токсичных солей капи­тальные промывки могут продолжаться 1...3 года и на 1 га требует­ся 5...30 тыс. м³ пресной воды.

Интенсивность рассоления почвы можно повысить, пропуская через нее постоянный электрический ток определенной плотнос­ти. При этом за счет электроосмоса повышается фильтрационная способность засоленной почвы, а в результате электролиза изме­няется рН среды, что увеличивает растворимость солей. Эти и другие факторы усиливают вытеснение растворимых токсичных солей из верхнего почвенного слоя в нижележащие слои, откуда эти соли отводятся дренажной системой.

В результате экспериментов, проведенных в полевых условиях в нашей стране и за рубежом, показано, что использование для рассоления почв постоянного тока в несколько раз сокращает пе­риод мелиорации и почти в два раза уменьшает расход пресной воды. При электромелиорации на выделенных участках (чеках) устанавливают электроды — трубы диаметром 35...70 мм. Электро­ды часто размещают рядами. Расстояние между одноименными электродами в ряду составляет обычно 10...20 м, а между рядами катодов и анодов — 20...ПО м. После заполнения чеков водой ли­нии одноименных электродов подключают к выпрямительному устройству. Напряжение постоянного тока составляет несколько десятков вольт, плотность тока в почве — 1...10 А/м², расход элек­троэнергии — 5...20 тыс. кВт • ч на 1 га. После того как рассоление почвы закончено, извлекают из почвы электроды и готовят поле к посеву.

Из расчетов ВИЭСХ следует, что электрорассоление тяжелых в мелиоративном отношении почв дает экономический эффект приблизительно 400 долларов на 1 га.

Электрохимические процессы связаны с окислительно-восстановительными реакциями, изменением условий переноса заряда, переносом заряженных частиц через мембраны, электрокоагу­ляцией. Совокупность окислительно-восстановительных реакций, протекающих на электродах, называется электролизом. Основное применение электролиза - получение веществ и нанесение покрытий. Процесс электролиза протекает в специальном аппарате - электроли­зере, представляющем собой емкость с раствором или расплавом химреагента, в которой размещены электроды (рис. 1).

1 — электроды; 2 — диэлектрическая ем­кость; 3 — раствор, подвергаемый элек­тролизу

Получение дезинфицирующего расвора

Используют метод обеззараживания хлоросодержащим раствором, получаемым путем электролиза водного раствора поваренной соли.

Для этого используют установку ЭДР, содержащую емкость, в которую помещен электролиз­ный аппарат.

Перед началом работы в емкость установки залива­ют 20 л 5 %-ного раствора поваренной соли (1 кг соли на 20 л воды). Затем на электроды электролизного ап­парата подают постоянное напряжение 24 В от выпря­мителя ВСА-6К (первичное напряжение переменного тока 220 В). Через водный раствор поваренной соли NaCl проходит ток, обусловленный перемещением ионов Na+ и Н+ к катоду, а ионов Сl и ОН к аноду. На катоде в результате восстановления ионов Н+ выделяется газообразный водород, а на аноде в результате окисле­ния ионов С1 — газообразный хлор. Ионы Na⁺, соеди­няясь с ионами ОН^-, образуют едкий натр NaOH; хлор, растворяясь в воде, образует хлорноватистую и соляную кислоты:

С1₂ + Н₂О=НСlO + НС1.

Хлорноватистая кислота взаимодействует с едким натром и образуется гипохлорит натрия NaOCl:

НС10 + NaOH = NaCIO + Н₂0.

Хлорноватистая кислота и гипохлорит натрия, буду­чи сильными окислителями, обусловливают дезинфици­рующее действие раствора.

Дезинфицирующий раствор готовят 1,5...2 ч. На полу­чение 1 кг активного хлора расходуется 8...10 кг пова­ренной соли и 5,5...7 кВт-ч электроэнергии. Мощность, потребляемая установкой, составляет 350...600 Вт (по постоянному току).

По сравнению с использованием готовых реагентов (жидкого хлора, хлорной извести, гипохлорита кальция) обеззараживание при помощи электролитического гипо­хлорита натрия, получаемого на месте, позволяет избе­жать трудностей и затрат, связанных с транспортировкой и хранением токсических веществ.

Электрокоагуляция - разделение коллоидного раствора на коагулянт (осадок) и дисперсную среду в электрическом поле или при изменении диэлектрической проницаемости окружающей среды.

Коагуляцию осуществляют путем добавления в неоднородную среду веществ разрушающих сольватированные оболочки и уменьшающие диффузионную часть двойного электрического слоя у поверхности взвешенных частиц В результате между частицами возникают силы сцепления приводящие к образованию агрегатов частиц с большой массой В качестве коагулянтов применяют электролиты (растворимые в воде соли )

Процессы электролиза количественно описывают законом Фарадея

Если анод растворим, то его частицы поступают в раствор с поло­жительным знаком (катионы) и перемещаются к катоду, где нейтрали­зуются и осаждаются - происходит перенос вещества с анода на катод (процесс гальваностегии и гальванопластики). Электролиз можно использовать для получения таких веществ, как А1(ОН)₃ и Fe(OH)₃, способствующих коагуляци дисперсных веществ.

Растворение электрода или осаждение на нем ионов зависит от его потенциала. Электрод, помещенный в раствор с ионами его вещества, при некотором равновесном электродном потенциале (РЭП) не раство­ряется и ионы на нем не осаждаются.

Если на электрод подать отрицательный потенциал по сравнению с равновесным электродным, то начнется выделение вещества, если положительный - растворение электрода. Значение РЭП для раз­личных металлов находится в пределах от - 2,42 В (калий) до + 0,8 В (серебро). За нулевой РЭП принят потенциал водородного электрода. Разность между действительным потенциалом и РЭП называют пере­напряжением.

Перенапряжение _п ,В, и плотность тока jА/м², связаны уравне­нием Тафеля

_п= a +blgj

где а и b — константы.

Константы скорости реакции на аноде и катоде, см/с, зависят от потенциала электрода:

(7)

k_а = k exp[- _aF( - i)/RT];

k_K = k exp[- _кF( - i)/RT];

где k , k — константы скорости анодной и катодной реакции, см/с; _a , _к -коэффи-циенты переноса заряда анодной и катодной реакций; F = 96485 Кл/моль - число Фарадея; - i _ "скачок" потенциала в плотной части двойного слоя, В; R — универсальная газовая постоянная, Дж/(К • моль); T— температура среды, К.

Биологические эффекты действия электрического тока проявляются в стимуляции или угнетении биологических объектов. Они возникают в результате комплексного термического и физико-химического действия