Меню Рубрики

Установки для электрохимической активации

Сущность технологии электрохимической активации

Электрохимическая активация – это технология получения метастабильных веществ униполярным (анодным или катодным) электрохимическим воздействием для последующего использования этих веществ в различных технологических процессах в период сохранения ими повышенной физико-химической и каталитической активности.

Как физико-химический процесс электрохимическая активация представляет собой совокупность осуществляемых в условиях минимального выделения тепла электрохимического и электрофизического воздействий на жидкость (преимущественно, на воду) с содержащимися в ней ионами и молекулами растворенных веществ в области пространственного заряда у поверхности электрода (либо анода, либо катода) электрохимической системы при неравновесном переносе заряда через границу “электрод-электролит” электронами.

В результате электрохимической активации вода переходит в метастабильное (активированное) состояние, проявляя при этом в течение нескольких десятков часов повышенную реакционную способность в различных физико-химических процессах. Вода, активированная у катода (католит), обладает повышенной активностью электронов и имеет ярко выраженные свойства восстановителя. Соответственно, вода, активированная у анода (анолит), характеризуется пониженной активностью электронов и проявляет свойства окислителя.

Электрохимическая активация позволяет направленно изменять состав растворенных газов, кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства воды в пределах, намного больших, чем при эквивалентном химическом регулировании, позволяет синтезировать из воды и растворенных веществ химические реагенты (окислители или восстановители) в метастабильном состоянии. Это используется в процессах очистки и обеззараживания воды, а также для преобразования воды или разбавленных растворов электролитов в экологически чистые антимикробные, моющие, экстрагирующие и другие функционально полезные растворы, в том числе лечебные.

Различия физико-химических свойств активированных и неактивированных растворов иллюстрируются результатами исследования взаимосвязи между степенью отклонения физико-химических параметров активированного раствора от состояния равновесия, интенсивностью и глубиной электрохимического воздействия, минерализацией исходного раствора.

Схема исследования влияния фактора неравновесности электрохимического воздействия на физико-химические параметры активированных растворов

Исходные параметры раствора NaCl:

рН = 7,02; ОВП ( j ) = +270 мВ; концентрация NaCl в дистиллированной воде 0,25 г/л

Параметры анолита и католита, полученных при одинаковых удельных затратах электричества при условиях синтеза, приближенных и удаленных от равновесных

Условия получения анолита и католита

источник

Электрохимическая активация — новое направление прикладной электрохимии

Историческая справка. Русский академик В.В.Петров в 1802 году (за 30 лет до открытия М.Фарадеем законов электролиза) с помощью созданной им высоковольтной гальванической батареи обнаружил, что выделение электролизных газов у электродов сопровождается подкислением воды у анода и подщелачиванием у катода. Разделив пространство между анодом и катодом пористой диафрагмой, В.В.Петров впервые получил воду, обогащенную продуктами преимущественно катодных или преимущественно анодных электрохимических реакций — католит и анолит, соответственно.

В 1807 – 1808 гг. английским исследователем Г.Дэви с помощью электролиза были получены неизвестные ранее металлы — натрий и калий, а позднее электролиз был использован для получения магния и алюминия.

В 1837 году член Российской академии наук академик Б.С.Якоби опубликовал сообщение о разработанном им методе гальванопластики – получении металлических копий с рельефных изделий методом электролиза. Это открытие стало основой промышленного рафинирования меди.

Первые электрохимические заводы для рафинирования меди были построены в 70-х годах XIX века, после изобретения динамомашины. В 1886 – 1888 гг. возникли заводы для электролитического получения алюминия и хлорноватистокислых солей. В 1890 г. введены в эксплуатацию заводы для электролитического получения хлора, щелочи и металлического натрия, а затем для получения водорода и кислорода электролизом воды, для получения электролитического никеля, меди, цинка.

В настоящее время электролиз водных растворов солей, электролиз расплавов, производство аккумуляторов и гальванических батарей представляют одну из крупнейших отраслей промышленности – электрохимическую. Задачи электрохимической промышленности разнообразны. Наиболее важными из них являются:

  • рафинирование цветных и благородных металлов;
  • получение цветных металлов из руд;
  • получение щелочных, щелочноземельных и других легких металлов;
  • получение водорода, кислорода, хлора и щелочей;
  • электролитический синтез неорганических и органических веществ;
  • декоративные и антикоррозионные покрытия металлов;
  • изготовление электрических аккумуляторов, гальванических элементов и других химических источников электроэнергии;
  • электрохимическая размерная обработка металлов и сплавов.

    Практически весь хлор (мировое производство около 50 млн. тонн в год), почти весь гидроксид натрия, такие металлы как магний и алюминий, производятся электрохимическим путем. Электрохимические процессы играют важную роль в металлургии меди, цинка, кадмия, никеля, олова, натрия, бериллия, циркония, индия и в получении ряда благородных металлов, в том числе золота.

    Читайте также:  Установка поясничного подпора шкода йети

    Большинство важнейших современных электрохимических производств представлено размещенными на большом пространстве в тысячи квадратных метров многотонными электролизерами или гальваническими ваннами, связанными в единый производственный комплекс сетью трубопроводов и электрических линий. Работа этого комплекса обеспечивается целым рядом вспомогательных производств – для очистки воды и приготовления исходных растворов, кондиционирования продуктов электролиза, регенерации и нейтрализации отходов и др.

    Что препятствовало открытию электрохимической активации? Практически все растворы электролитов, применяемых в процессах прикладной электрохимии, имеют высокую концентрацию и низкое удельное электрическое сопротивление, что связано с требованиями минимизации расхода электроэнергии на единицу получаемого продукта.

    В связи с тем, что пресная вода или слабоминерализованные исходные растворы не находили практического применения в прикладной электрохимии в качестве растворов электролитов, то за более чем вековую историю ее развития сформировалось представление о том, что электролиз пресной воды невозможен в связи с малым количеством содержащихся в ней ионов. Это представление было основано на традиционно сложившихся подходах к промышленным электрохимическим процессам, для которых диапазон используемых напряжений на электродах единичной ячейки обычно не превышал 6 вольт при силе тока в несколько сотен ампер.

    На самом деле электролиз пресной, ультрапресной и даже дистиллированной воды возможен, только для этого требуется высокое напряжение между электродами, а сам процесс электролитического разложения воды протекает при низкой плотности тока, т.е. с очень большими непроизводительными (с позиций промышленного электролиза) затратами электроэнергии.

    Как было обнаружено явление электрохимической активации? В 1972 году инженер В.М.Бахир впервые обратил внимание на ранее неизвестный факт: анолит и католит, полученные в диафрагменном электрохимическом реакторе из слабоминерализованной воды, очень сильно отличаются по физико-химическим параметрам и реакционной способности от моделей католита и анолита, приготовленных путем растворения в воде химических реагентов, вид и количество которых определены в соответствии с законами классического электролиза. Дальнейшие исследования показали, что различия в свойствах только что полученных католита и анолита разбавленных водно-солевых растворов от их химических моделей-аналогов (растворов стабильных щелочей или кислот) не являются постоянными, стабильными во времени. По прошествии некоторого времени (время релаксации) свойства и реакционная способность анолита и католита, самопроизвольно изменяясь, становятся равными соответствующим параметрам их химических моделей, т.е. в конечном итоге законы электролиза строго выполняются, но не сразу, а лишь по прошествии достаточно длительного времени — в общем случае от десятков минут до десятков и даже сотен часов.

    Обнаруженные значительные различия в реакционной способности и физико-химических параметрах дали В.М.Бахиру основание назвать анолит и католит в период времени их релаксации активированными или, иначе, электрохимически активированными растворами (водой) и сформулировать основные принципы технологии электрохимической активации.

    Электрохимическая активация: феномен и технология. Электрохимическая активация как физико-химический процесс — это совокупность осуществляемых в условиях минимального выделения тепла электрохимического и электрофизического воздействий на воду с содержащимися в ней ионами и молекулами растворенных веществ в области пространственного заряда у поверхности электрода (либо анода, либо катода) электрохимической системы при неравновесном переносе заряда через границу “электрод-электролит” электронами.

    В результате электрохимической активации вода переходит в метастабильное (активированное) состояние, которое характеризуется аномальными значениями физико-химических параметров, в том числе окислительно-восстановительного потенциала, связанного с активностью электронов в воде, электропроводности, рН и других параметров и свойств. Самопроизвольно изменяясь во времени, возмущенные предшествующим внешним воздействием параметры и свойства воды, постепенно достигают равновесных значений в результате релаксации.

    Процесс получения электрохимически активированных воды и растворов относится к крайне неравновесным и является объектом изучения интенсивно развивающейся новой области химии — синергетики в химических процессах и химической технологии. Если в традиционной прикладной электрохимии основной задачей является отыскание параметров оптимального приближения электрохимического процесса к равновесным условиям, то для электрохимической активации важным является определение параметров оптимального удаления от условий равновесного протекания электрохимических реакций.

    Электрохимическая активация как технология — это получение и последующее использование электрохимически активированной воды либо в процессах ее очистки от нежелательных компонентов, либо в различных технологических процессах в качестве реагента или реакционной среды с целью управления сложными физико-химическими реакциями, экономии энергии, времени и материалов, повышения качества конечного продукта, уменьшения образования отходов.

    Следует пояснить, что термин “вода” в приложении к процессам электрохимической активации, обозначает разбавленный водный раствор электролитов простого или сложного состава с общей концентрацией от нескольких миллиграммов до нескольких граммов в одном литре. В общем случае, это и дистиллированная, и ультрапресная, и пресная, в том числе питьевая, и слабоминерализованная (техническая) вода, т.е. водные растворы электролитов, удельная электропроводность которых значительно изменяется при относительно небольшом изменении концентрации. На рис. 1 показана обобщенная зависимость удельной электропроводности большинства неорганических электролитов — кислот, оснований, солей от их концентрации. Эффекты электрохимической активации ярко проявляются для водных растворов, концентрация электролитов в которых меньше 0,1 моль/л и существенно ослабевают в растворах, концентрация электролитов в которых больше 0,1 моль/л.

    Читайте также:  Установка firefox esr ubuntu

    Необходимо отметить, что, как правило, продукты реакций, полученные с применением активированных растворов, не изменяют своих свойств и состояния во времени, т.е. не подвержены процессам релаксации. Например, если при взаимодействии воды с высоким содержанием ионов железа с активированным католитом в нерастворимые соединения переводится в три раза больше ионов железа, чем при взаимодействии той же воды с химической моделью католита, то результаты реакции необратимы в обоих случаях.

    Технические системы для электрохимической активации. В общем случае, при пропускании постоянного электрического тока через воду на электродах всегда происходят химические реакции и химический состав воды у анода и катода изменяется. Задача электрохимической активации состоит в том, чтобы подвергнуть всю жидкость воздействию электрического поля возможно более высокой напряженности при максимально возможном химическом воздействии и минимальном тепловыделении. Задача весьма непростая, поскольку в любых электрохимических системах, представленных двумя электродами, погруженными в жидкость, наибольшая интенсивность электрофизического воздействия может быть обеспечена только в непосредственной близости к поверхности электрода, т.е. в области двойного электрического слоя (ДЭС).

    В связи с этим, для осуществления процессов электрохимической активации необходимы специальные электрохимические реакторы, поскольку традиционные электролизеры, как лабораторные, так и промышленные, сконструированные для оптимальной реализации традиционных технологических процессов прикладной электрохимии, не пригодны для работы на пресной воде или разбавленных водных растворах. Процесс собственно активирования воды происходит только в непосредственной близости к поверхности электрода, где напряженность электрического поля в двойном электрическом слое (ДЭС) достигает сотен тысяч вольт на сантиметр.

    ДЭС имеет очень малую толщину: в разбавленных растворах и пресной воде — порядка 0,1 микрона, в концентрированных — намного меньше. Чтобы яснее представить себе, насколько сложно обеспечить соприкосновение всех микрообъемов воды, окружающей электрод, с его поверхностью, допустим, что в стакан погружен электрод в виде металлического прутка диаметром с карандаш. Если допустить также, что область высокой напряженности электрического поля вокруг электрода (область ДЭС) вдруг увеличилась и достигла 1 мм, то, для сохранения пропорций системы, диаметр стакана должен возрасти от 7 сантиметров до 700 метров. Понятно, что обеспечить обработку всей воды этого “озера” у поверхности электрода невозможно, не прибегая к специальным приемам.

    Первые специальные технические средства для реализации ЭХА (диафрагменные электрохимические реакторы) были разработаны в 1974 — 1975гг. В.М.Бахиром и его коллегой Ю.Г.Задорожним. В течение почти 20 лет продолжалась напряженная работа по созданию оптимальной конструкции реактора для электрохимической обработки пресной воды и разбавленных водных растворов, которая в конце 80-х — начале 90-х годов завершилась созданием принципиально новой конструкции — проточного электрохимического модульного элемента ПЭМ-1. Но широкое коммерческое использование технологических процессов с применением электрохимически активированных растворов и воды стало возможным лишь в последние 7 — 8 лет благодаря появлению промышленных электрохимических систем нового типа на основе проточных электрохимических модульных элементов третьего поколения (ПЭМ-3, рис. 2.) и реакторов РПЭ в виде блоков элементов ПЭМ-3 различной конфигурации, также созданных вышеназванными изобретателями.

    Отличия элемента ПЭМ от известных электрохимических реакторов состоят в следующем:

  • Элемент ПЭМ является модульным, имеет малые габариты и вес, в сочетании с высокой производительностью и экономичностью, что позволяет использовать его как в промышленных, так и в бытовых технических электрохимических системах.
  • Диафрагма элемента ПЭМ изготовлена из керамики на основе оксидов циркония и алюминия и является очень прочной; она обладает малой фильтрационной способностью, что исключает физическое смешивание катодных и анодных объемов воды, выдерживает трансмембранный градиент давления до 1 атм. при сохранении постоянных размеров электродных камер.
  • Диафрагма элемента ПЭМ обладает способностью к адсорбции на поверхности, обращенной к аноду, частиц, заряженных положительно, а на поверхности, обращенной к катоду — отрицательно заряженных частиц, что обусловливает снижение ее электрического сопротивления в разбавленных водных растворах и пресной воде и тем самым снижает расход электроэнергии, а также обеспечивает возможность длительной работы при градиентах давления различных знаков между электродными камерами, что позволяет использовать диафрагму как ионселективную перегородку в электрохимическом реакторе.

    Читайте также:  Установка логотипа сайта html
  • Электродные камеры элемента ПЭМ представляют собой кольцевые удлиненные пространства между цилиндрическими поверхностями электродов и диафрагмы и имеют соотношение размеров, которое позволяет обеспечить одинаковую среднюю скорость движения микрообъемов жидкости в каждом из поперечных сечений, а также создают условия для соприкосновения возможно большего количества микрообъемов воды с поверхностью электрода, т.е. с областью ДЭС.
  • Оптимальное сочетание длины и ширины электродных камер в элементе ПЭМ гарантирует отсутствие отрицательного влияния газонаполнения растворов в электродных камерах на энергетические и функциональные характеристики элемента ПЭМ при высокой плотности тока и малом протоке жидкости.
  • Элементы ПЭМ в устройствах для электрохимической обработки воды можно соединять гидравлически не только параллельно, но и последовательно в единую гидравлическую цепь без разрыва потока, что невозможно при использовании известных электрохимических реакторов; при этом в цепь можно включать произвольно и в любом порядке как анодные, так и катодные камеры различных элементов ПЭМ, помещая между ними при необходимости вспомогательные устройства (флотационные, каталитические реакторы, системы для регулирования давления, скорости, температуры потоков и т.д.).
  • Элементы ПЭМ можно соединять электрически параллельно, последовательно или последовательно-параллельно, что дает возможность не меняя гидравлическую конфигурацию легко переходить при необходимости от схемы биполярного электролизера к схеме монополярного или к схеме биполярно-монополярного электролизера.
  • В элементах ПЭМ создаются условия, при которых в течение долей секунды большая часть микрообъемов воды подвергается обработке в поле высокой напряженности ДЭС, что позволяет получать у анода воду с ярко выраженными свойствами акцептора электронов (оксидантная вода), в то время, как у катода образуется вода со свойствами донора электронов (антиоксидантная вода). И анолит и католит являются разновидностями воды с повышенной электрической активностью, которая проявляется в последующих физико-химических или биохимических реакциях не только как самостоятельный фактор, но также как катализатор активности того небольшого количества синтезированных в процессе электрохимического воздействия продуктов анодных или катодных реакций.

    Где электрохимическая активация используется сегодня? С начала 90-х годов лидером в области исследований ЭХА и разработке различных технологических процессов с использованием электрохимически активированных сред является ОАО “НПО ЭКРАН” и ВНИИИМТ МЗ РФ. Этой же проблемой в сотрудничестве с указанными организациями занимается ряд крупнейших научных учреждений России. К настоящему моменту исследования феномена и технологий ЭХА имеют обширную географию, включая США, Англию, Германию и ряд других стран.

    Широкую известность в России и за рубежом получили установки СТЭЛ, которые обеспечивают экологически чистыми стерилизующими и дезинфицирующими растворами (анолитом типа АНК) медицинские и детские учреждения, предприятия коммунального хозяйства, пищевой промышленности, плавательные бассейны.

    В таблице 1 показаны сравнительные характеристики электрохимически активированного анолита АНК, полученного в установках СТЭЛ и традиционных химических препаратов для дезинфекции и стерилизации.

    Сравнение характеристик анолита АНК и различных дезинфицирующих растворов

    Одним из убедительных свидетельств преимущества электрохимически активированного анолита АНК перед традиционными растворами дезинфектантов являются результаты исследований, выполненных в мемориальном институте Battelle (США): установлено, что споры сибирской язвы погибают в анолите АНК в течение нескольких секунд, в то время как в растворе гипохлорита натрия с концентрацией действующего вещества в 12 раз большей, чем в анолите АНК, тот же результат достигается лишь через 30 минут.

    Хорошо известны установки типа ИЗУМРУД различных модификаций, снабжающие индивидуальных пользователей, детские учреждения, предприятия пищевой промышленности и общественного питания обеззараженной и структурно улучшенной питьевой водой, не уступающей по полезности родниковой и лучшим минеральным водам. В таблице 2 приведены технические характеристики бытовых медицинских установок ИЗУМРУД различных моделей, серийно выпускаемых в ОАО “НПО ЭКРАН”. Данные установки имеют габариты 230х50х300 мм и вес около 1,9 кг при потребляемой электрической мощности 30-60 Вт.

    Показатели качества очистки воды в установках “Изумруд”.

    Наименование загрязняющего компонента

    источник