	Информационно-образоательный портал
	Рефераты, курсовые, дипломы, научные работы,



МЕНЮ\|

поиск

Электродные процессы в разбавленных хромсодержащих растворах и пути повышения эффективности электрохимической очистки

Электродные процессы в разбавленных хромсодержащих растворах и пути повышения эффективности электрохимической очистки

На правах рукописи

ШИШОВА

Марина Александровна

ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В РАЗБАВЛЕННЫХ

ХРОМСОДЕРЖАЩИХ РАСТВОРАХ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2005

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.

Гальваническое производство является одним из самых водопотребляемых. Его сточные и промывные воды содержат ценные и токсичные соединения тяжелых металлов: Сr (VI), Ш, Си и др. Уменьшение расхода воды, извлечение из нее ценных материалов, снижение токсичности являются важнейшими задачами, направленными на повышение экономичности и экологичности производства. При решении данных задач большое внимание уделяется выбору эффективного способа удаления загрязняющих компонентов из промывной и сточной воды. Выбор способа очистки зависит от состава и режима поступления промывных и сточных вод, концентрации загрязнений, возможности повторного использования очищенной воды. Среди различных способов очистки загрязненных вод освоение и внедрение электрохимических технологий является в настоящее время прогрессивным направлением, позволяющим не только очистить воду и вернуть ее в технологический цикл, но и утилизировать твердые отходы. Качество очистки зависит от выбора электродных пар и режима электролиза. При этом основное внимание уделяется материалу катода и процессам, протекающим на нем. Влияние материала анода и скорости анодных процессов на степень удаления загрязняющих компонентов не было принято во внимание при оптимизации технологических параметров электрохимической очистки. Поэтому комплексное изучение катодных и анодных процессов является актуальным в научном и в прикладном планах.

Диссертация выполнена в рамках плановых научных исследований кафедры "Технология электрохимических производств" в соответствии с планом важнейших НИР СГТУ по основному научному направлению "Разработка теоретических основ электрохимических технологий и материалов для химических источников тока" (№ государственной регистрации 01200205598).

Цель работы состояла в обосновании выбора материала анода, катода и соответствующих им технологических параметров электрохимического способа очистки хромсодержащих промывных вод, обеспечивающих оптимизацию процесса.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

изучить кинетику анодного поведения металлов и графитовых материалов в слабокислых окислительных средах, выявить области потенциалов (и соответствующие им плотности тока поляризации), обеспечивающие работу электродных материалов как нерастворимых анодов;

установить оптимальные технологические параметры анодного растворения железного электрода применительно к электрокоагуляционной очистке;

изучить катодное восстановление Сr (VI) из разбавленных растворов на графитовых и металлических электродах;

разработать технологические рекомендации для электрохимического способа очистки хромсодержащих промывных вод с нерастворимыми анодами, обеспечивающего требования по ПДК (Сг (VI)) в очищенной воде.

Научная новизна работы.

Впервые показано значение адсорбционных процессов на границе раздела электрод (металлический, графитовый) - разбавленный хромсодержащий электролит, моделирующий сточные и промывные воды гальванических производств для обоснования выбора электродных материалов. Установлено, что пленка, пассивирующая поверхности, как катода, так и анода, содержит в своем составе соединения хрома, оксидные формы металлов. Рассчитаны величины адсорбции реагентов и образующихся продуктов реакции в процессе электровосстановления и электроокисления на различных электродных материалах в разбавленных хромсодержащих электролитах. Показано, что кислород, выделяющийся на аноде, влияет на скорость катодных реакций и соответственно на качество электрохимической очистки.

Практическая значимость результатов работы. Разработаны технологические рекомендации по оптимальному режиму использования стальных электродов в электрокоагуляционной очистке хромсодержащих промывных и сточных вод гальванических производств. Предложены электродные материалы и технологические параметры (плотность тока, расстояние между электродами, температура раствора) для электрохимического удаления Сг (VI) из промывных вод путем электролиза с нерастворимыми анодами. Результаты работы апробированы на ОАО "Электроисточник", г. Саратов.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на III Всероссийской конференции молодых ученых (Саратов, 2001г), Международной конференции "Композит-2001" (Саратов, 2001 г), Всероссийской конференции СЭХТ-2002 (Саратов, 2002 г), Всероссийской научно-практической конференции (Пенза, 2004 г), III Международной научно-технической конференции "Экология 2004 - море и человек" (Таганрог, 2004 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 2 статьи в центральной печати, 5 в реферируемых сборниках научных трудов и 1 депонирована в ВИНИТИ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка используемой литературы из 196 наименований и приложений.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Кинетические закономерности поведения анодных и катодных материалов в разбавленных хромсодержащих модельных электролитах.

2. Обоснование выбора электродных материалов, используемых в электрохимической очистке в хромсодержащих промывных водах.

3. Разработка технологических параметров процесса электрохимической очистки с растворимыми и нерастворимыми анодами в разбавленных хромсодержащих растворах.

Основное содержание работы

Во введении дано обоснование актуальности темы, рассмотрены цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

Глава 1. Литературный обзор

Проанализированы литературные данные по кинетике и механизму анодного растворения металлов в различных средах. Рассмотрены механизмы образования пассивных пленок на электродных материалах и их влияние на скорость анодного процесса. Установлено, что, несмотря на большой интерес к проблеме анодного растворения металлов, данные по анодному поведению материалов в разбавленных слабокислых окислительных растворах отсутствуют. Исходя из актуальности проблемы повышения экологичности и экономичности производства дана сравнительная характеристика различных способов удаления ионов Сг (VI) из промывных и сточных вод. Показана перспективность использования электрохимических способов. Сделан вывод о целесообразности изучения анодных процессов в разбавленных хромсодержащих электролитах, с целью повышения качества электрохимической очистки загрязненных вод.

Глава 2. Методика эксперимента.

Объектами исследования явились электроды из стали (08кп), алюминиевого сплава АМ-6, титана (В), свинца (СО), графитовой фольги "Графлекс" ТУ 5728-00117172478-97 и спектрального графита, модельные электролиты, содержащие 3,4Т и промывные воды гальванических производств ОАО "Электроисточник", г. Саратов, завода им. Урицкого, г. Энгельс. Растворы готовились на основе дистиллированной воды и реактивов марки "х. ч. ". Электрохимические исследования проводили на потенциостате П-5848 с помощью методов вольтамперометрии, хроноамперометрии, хронопотенциометрии. Потенциалы регистрировали относительно 1н хлорсеребряного электрода сравнения. рН модельных хромсодержащих растворов определяли с помощью милливольтметра рН-150М Измерение рН приэлекгродного слоя (pH) проводилось с помощью микросурьмяного электрода (МСЭ). Состав пассивной пленки, полученной в процессе электролиза на различных электродных материалах, определяли методом вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС). Состояние поверхности оценивалось с помощью микроскопа CAPS ZELSS JENA (IP-20) при увеличении в 500 раз. Воспроизводимость полученных экспериментальных результатов оценивалась с помощью критерия Кохрена. Электролиз в разбавленных хромсодержащих электролитах проводился при использовании в качестве катода - графитового материала, стали 08кп, в качестве растворимого анода - стали (08), нерастворимого анода - свинца, титана, графитовых материалов, при плотности тока iK=iA=2 А/дм2, температуре процесса (20±5) °С, расстояния между электродами не более 5 см. Объем электролита на единицу поверхности составил 0,4 л/дм2.

Глава 3. Результаты эксперимента анодное поведение электродных материалов в разбавленных электролитах, содержащих сг (vi).

3.1 Потенциометрическое исследование поведения электродных материалов в разбавленных водных растворах к2сг207.

Потенциал, возникающий на электроде в момент его погружения в исследуемый хромсодержащий электролит, зависит от концентрации Сг (VI) и материала электрода. В наиболее концентрированном растворе бихромата калия (3,4'10"3М) на металлических электродах в первую секунду устанавливается отрицательный потенциал: на Fe - (-0,3В), на РЬ - (-0,51В), на Ti - (-0,28 В). С разбавлением электролита потенциал электродов меняется различно. Так, на свинцовом электроде потенциал погружения становится более положительным (в 0,017-10"3М ЕР = - 0,377 В), на титановом электроде - смещается в сторону более отрицательных значений (в 0, О17КГМ Ел = - 0,545 В). Изменение потенциала погружения с разбавлением раствора может быть следствием протекания нескольких процессов: уменьшения адсорбции СГ2О72", увеличения взаимодействия молекул воды с поверхностью электрода и снижения подтравливания электрода, т.к рН растворов с разбавлением электролита возрастает с 4,73 (3,4-10"3М) до 6,16 (0,017-10%). Следует учитывать, что адсорбция ионов на отрицательно заряженных в водных растворах поверхностях металлов происходит путем ориентации положительно заряженного иона Сг6+ к поверхности электрода. При этом усиливается отрицательный заряд. В этом также может состоять причина более отрицательного электродного потенциала на изучаемых металлических электродах в более концентрированных растворах.

Стационарное значение потенциала на исследуемых электродных материалах вследствие конкурирующей адсорбции бихроматионов, молекул воды и воздействия рН среды устанавливается в течение 1,5-5 минут (рис.1). Наиболее быстро этот процесс протекает на углеродных материалах, что может быть связано с высокоразвитой поверхностью материала, обладающей хорошими адсорбционными свойствами. При этом кислородсодержащий анион хрома ориентирован таким образом, что катион хрома обращен в сторону раствора. Подтверждением адсорбционных процессов на границе графитовый электрод-электролит является то, что в присутствии К2Сr207 электрод приобретает более положительное значение потенциала, по сравнению с водой, имеющей рН, равный рН модельного электролита К2Сг207-

Изменение стационарного потенциала от логарифма концентрации (lgC) (для изучаемого диапазона концентраций К2Сг207) подчиняется линейному закону: E=A+BlgC к2Сг2о7, где константы А и В определяются материалом электрода. Так, для титанового электрода А = 0,04В, В = 0,11В; для электрода, выполненного из фольги "Графлекс", А = 0,62В, В = 0,07В.

3.2 Потенциодинамическое (ПД) исследование анодного поведения исследуемых электродов в разбавленных растворах бихромата калия.

От потенциала начала поляризации (-0,5 В отн. х. сэ. с) вплоть до потенциалов интенсивного выделения кислорода скорости анодных процессов невелики (рис.2 - 4). Поведение металлических электродов индивидуально: зависит от скорости развертки потенциала, концентрации электролита, температуры раствора. При малых значениях анодного потенциала молекулы воды взаимодействуют с поверхностью металла аналогично гидратации и стимулируют растворение металла. Некоторая часть молекул воды диссоциирует в ходе адсорбции, и ионы кислорода, порвав связь с протонами, прочно блокируют самые активные центры поверхности. Тормозящее действие на растворение металла оказывают и кислородсодержащие ионы хрома, способные адсорбироваться на поверхности электрода Пленка, пассивирующая поверхность электродного материала, может являться продуктом нескольких процессов, протекающих на поверхности. Так, на стальном электроде, по мере смещения потенциала в область положительных значений, растворение железа протекает с образованием ионов Fe2+, его оксидных и гидроксидных форм (до потенциалов 0,6 Вотн), сопровождается образованием гидратированных ионов Fe: FeOH*2/Fe (OH) 2 (в области потенциалов до 1,1 В) и оксидов Fe042", которые взаимодействуют с анионами Сr (VI) с образованием малорастворимых соединений. Рост анодного тока в области потенциалов более 1,2 В обусловлен не только выделением кислорода, но и растворением металла, происходящим через образованный пассивирующий слой. Пассивирующее влияние кислородсодержащих ионов Сr (VI) уменьшается с разбавлением раствора, соответственно, возрастает плотность тока. Однако, начиная с концентрации 0,34-10"3 М удаление образующихся оксидных соединений железа с поверхности электрода затрудняется за счет уменьшения их растворимости при повышении рН до 5,25 и более.

Анализ ПД кривых анодного поведения железа позволил выявить области электродных потенциалов и соответствующие им плотности тока, для которых растворение железа сопровождается образованием Fe (П) и протекает с достаточно высокой скоростью. Эта область представляет интерес для электрокоагуляционной очистки. Ей соответствуют плотности тока от 3,0 до 20 А/дм2 и концентрация загрязняющего компонента, не превышающая 0,85-10"3 М.

Анодное растворение свинцового электрода сопровождается образованием ионов РЬ, взаимодействующих с кислородом и Сг2072"-ионами. При потенциалах более 1,45 В наблюдается интенсивное выделение кислорода на свинце, что приводит к окислению РЬ2+ до РЬ4+ с образованием РЬ02 (Е ~ 1,9 - 2,0 В). Скорость анодного растворения алюминия увеличивается при росте потенциала, температуры, концентрации К2Сr207. Пассивация титана обусловлена образованием его оксидных соединений, на поверхности электрода, взаимодействующих с бихроматионами и молекулами воды.

Страницы: 1, 2

© 2003-2013
Рефераты бесплатно, курсовые, рефераты биология, большая бибилиотека рефератов, дипломы, научные работы, рефераты право, рефераты, рефераты скачать, рефераты литература, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты медицина, рефераты на тему, сочинения, реферат бесплатно, рефераты авиация, рефераты психология, рефераты математика, рефераты кулинария, рефераты логистика, рефераты анатомия, рефераты маркетинг, рефераты релиния, рефераты социология, рефераты менеджемент.