CC BY
12
Нащональний лкотехшчний ун1верситет Украши
УДК 66.06
ТЕОРЕТИЧН1 УМОВИ АНОДНОГО РОЗЧИНЕННЯ МЕТАЛ1В МЕТОДОМ ФЫЬТРУВАННЯ ЧЕРЕЗ ЗАВАНТАЖЕННЯ
З ОКИСНО-В1ДНОВНИМИ ЯКОСТЯМИ ДЛЯ ВИДАЛЕННЯ ЗАЛИШКОВОГО АЛЮМ1Н1Ю З ПИТНО1 ВОДИ
1.А. Обертас1
Розроблено метод очищения води, який дае змогу пiдвищити ефектившсть очищения без подальшого й' забруднения, засноваиий на електрохiмiчному розчиненш ре-човин, якi здатнi коагулювати домiшки внаслiдок утворення мiж ними замкнених галь-ванопар. Проаналiзовано умови анодного розчинення металiв i вплив цих процесiв на фiльтрування через завантаження з окисно-вiдновними властивостями для видалення залишкового алюмшда. Дослiджено вплив рiзних комбшацш завантажень, а саме акти-воване вугшля - магнш та алюмшiевi пластини iз вставками магнда, на мехашзми активного розчинення металiв.
Ключов1 слова: розчин залишкового алюмiнiю, очищення питно! води, гальванопара, окисно-вщновш властивостi.
Вступ. Активна промислова д1яльшсть сучасно! людини приводить до значних яккних змш у склад1 води у водоймах. Коагуляцшне оброблення води алюмшйвмкними коагулянтами е на сьогодш одним з основних метод1в водо-очищення, яке широко застосовують у багатьох крашах, зокрема 1 в УкраЫ. Унаслщок багатьох фактор1в у питнш вод1 залишаеться значний вмкт залишко-вого розчинного алюмшда який не вилучаеться на наступних етапах очищення води (вщстоювання, фшьтрування). За нормативними документами, вмкт за-лишкового алюмЫю у вод1 не мае перевищувати 0,2 мг/дм3.
1снуюч1 методи очищення мають низку недолтв: вони або не дають змогу зменшити вмкт залишкового алюмшда у питнш вод1 до нормативно! ве-личини, або дороп у буд1вництв1 чи експлуатацп. Тому постае потреба у роз-робленш методу очищення води, який дав би змогу шдвищити ефект очищення без подальшого забруднення води 1з застосуванням нових фшьтрувальних мате-р1ал1в, яю забезпечують це тшьки завдяки окисно-ввдновним властивостям завантаження без використання додаткових джерел струму.
Мета дослвдження - розроблення та дослщження методу видалення залишкового алюмшда 1з питно! води, шляхом фшьтрування через завантаження з окисно-вщновними якостями.
Методи дослщження. Запропонований метод грунтуеться на електрохь м1чному розчиненш речовин, яю здатш коагулювати домшки внаслщок утворення м1ж ними замкнених гальванопар (пропонуемо фшьтрування кр1зь завантаження з окисно-вщновними властивостями). Вилучення юшв металш з вод-них розчишв вщбуваеться у процеа !х осадження у вигляд1 важкорозчинних речовин, насамперед пдроксид1в, яю утворюються у визначеному д1апазош рН.
1 доц. I. А. Обертас, канд. техн. наук - Ки1вський НУ бущвництва та архггектури
Основою для утворення важкорозчинних сполук у нашш системi е ак-тивне розчинення металу. Цей процес може здшснюватися за двома мехашзма-ми: хгшчним та електрохiмiчним. За хiмiчним мехашзмом вiдбуваеться безпо-середньо передача електрона вiд атома металу окисному компоненту розчину. За електрохiмiчним - передача здшснюеться безпосередньо за схемою гальва-нiчного елемента, за наявност анодних (активних) i катодних елементiв, що знаходяться у контактi.
Процес розчинення металу, зпдно зi сучасними уявленнями [1, 2], скла-даеться з двох електродних реакцiй: анодна юшзащя (окиснення атомiв металу) та катодна (ввдновлення окиснювача, в якостi якого звичайно виступають iони водню або кисню - головнi домiшки водних розчинiв). На процес розчинення металу (швидккть та характер перебiгу) впливають: активна реакщя середови-ща, сольовий склад водного середовища (його природа та концентращя), величина електродного потенцiалу металу анода тощо.
Шд час дослiдження рiзноманiтних комбiнацiй завантаження головним критерiем вiдбору компонентiв були !х окисно-вiдновнi властивостi, 1х здат-нiсть утворювати короткозамкнений гальванiчний елемент - гальванопару. Роз-глянуто таю комбшаци:
1. Компоненти з високими сорбцiйними якостями та активний метал (активо-ване вуг1лля та магнш),
2. Система iз двох металiв з рiзною активнiстю (алюмшieвi пластини iз вставками магшю).
Далi розглянемо як вiдбуваеться процес анодного розчинення металу в обранш системi активоване вугiлля - магнш.
Шд час безпосереднього контакту магшю та активованого вуплля галь-вашчна система замикаеться. У системi ввдбуваеться перемiщення електронiв вiд магнiю до активованого вугшля. При цьому в розчиш електролiту катiони А13+ рухаються до активованого вугiлля та розряджаються пiд дiею електронiв, що е на ньому. Шд час проходження електричного струму через замкнений гальвашчний елемент електрод з магнiю розчиняеться. Метал переходить у роз-чин у виглядi iонiв Mg2+ (ввдбуваеться електрохiмiчна короз1я) за такими рiв-няннями:
3Mg + 6Н20 ^ 3Mg (ОН)2 + 6Н+ + 6 е"; 3Mg + 6Н+ ^ 3Mg2+ + 3Н2|.
Внаслiдок пропкання електричного струму в гальванiчнiй мережi на електродi з магнш виникае недолж електронiв, вiн заряджаеться позитивно, чим сприяе переходу iонiв магшю в розчин за реакцiею Mg - 2 е" ^ Mg2+.
Шд час анодного розчинення магнш спочатку утворюються юни Mg+, якi потш взаемодшть з водою за реакцкю 2Mg+ + 2Н20 ^ 2Mg2+ + Н2 + 20Н-. У такому разi на утворення одного юна Mg+ витрачаеться один атом магшю, однак витрата магнiю збшьшуеться вдвiчi - один атом магшю з двох витрачаеться не на генерацш електрошв, а йде на видалення водню [3].
Змщення потенцiалу електрода з магнiю у позитивний бiк призводить до зростання швидкостi утворення iонiв Mg+, разом з цим зростае i швидккть
Нащональний лкотехшчний унiверситет Украши
реакцii. Отже, швидккть видiлення водню iз збшьшенням анодно! поляризацii магнiю не падае, а зростае.
Крш цього, за анодно! поляризацii металiв паралельно з реакщею !'х роз-чинення практично завжди утворюються поверхневi шари адсорбованого кис-ню, а також фазовi шари (плiвки) з оксидiв або солей металiв. Цi шари, що мк-тять кисень, також можуть виникати при контакта металу з розчином [4].
Залежно ввд структури металу та оксиду поверхневий шар може мати рiзний характер. На магнп утворюються щiльнi високопорист шари, що сяга-ють значно!' товщини. На iнших металах (алюмшш та ш.) утворюються щiльнi малопорист або безпористi шари, товщина яких не бiльша нiж 1 мкм. На повер-хнi металевих електродiв одночасно можуть утворюватись рiзнi види оксидних шарiв, наприклад пористi фазовi шари над адсорбцiйними шарами.
На активованому вугiллi утворюеться надлишок електрошв, який мае вiд'емний заряд та грае роль катоду. У катодному просторi ввдбуваеться ввднов-лення катюшв А13+ та Н+, що знаходяться у розчинi:
2А13+ + 38042" ^ А12(804)3; 2А13+ + 60Н ^ 2А1 (0Н)3;
2Н20 + 2 е" ^ Н2| + 20Н-; А13+ + 3 е" ^ А1+.
Ввдбуваеться реакцiя т. зв. катодного видалення водню. Це складна реакция, яка протiкае послщовно через кiлька простiших промiжних стадш. Такими стадiями е [4]:
1. Стадiя розряду (стадiя Фольмера): Н30+ + е" ^ Надс + Н20;
2. Стадiя рекомбшацп (стадiя Тафеля): 2Надс ^ Н2;
3. Стадiя електрохiмiчноl десорбцп: Н30+ + Надс + е" ^ Н2 + Н20.
Реакцп за участю кисню. На електродi з магшю (анодi) вiдбуваеться видалення кисню за такою реакщею:
2Н20 - 4 е" ^ 02| + 4Н+; 40Н - 4 е" ^ 02| + 4Н20.
Це рiвняння головно!' реакцп за участю кисню у водних розчинах.
До реакцiй за участю кисню ввдносять також самостшш реакцп ввднов-лення кисню: стадда утворення вiдносно стiйкого промiжного продукту - пе-роксиду водню О2 + 2Н+ + 2 е"^ Н2О2 та стадiю подальшого його катодного вщновлення до води Н2О2 + 2Н+ + 2 е" ^ 2Н2О.
Принципова рiзниця цих двох маршрутов полягае в тому, що для першо-го з них зв'язок О - О у вихвдшй молекулi кисню розриваеться на початковш стадп реакцп. Для реакцп за другим маршрутом зв'язок О - О тд час приеднан-ня двох перших електронiв не розриваеться, а зберкаеться в утвореному про-мiжному продуктi Н2О2 [4, 5].
Видалення на анодi кисню призводить до пiдвищення окисно-вiдновного потенщалу системи. Пришвидшуеться процес осадження А13+ у виглядi пдрок-сиду, тобто, активiзуеться процес видалення з води юшв алюмiнiю. У запропо-нованш системi не розглянуто поведiнку юшв групи 804 За великого розмiру анiонiв цiеi групи !х розрядження не вiдбуваеться.
Висновки. Запропоновано метод очищення води, що грунтуеться на електрохiмiчному розчиненнi речовин, яю здатнi коагулювати домiшки внасль док утворення мiж ними замкнених гальванопар. Важливим моментом е те, що фшьтращя здiйснюеться через завантаження з окисно-вщновними властивостя-ми. Проаналiзовано мехашзми активного розчинення металу, а також вплив цих процесш на очищення води.
Лггература
1. Соломенцева И.М. Проблема остаточного алюминия в очищенной воде / И.М. Соломен-цева, Л.А. Величанская, И.Г. Герасименко // Химия и технология воды : сб. науч. тр. - 1991. -Вып. 13, № 6. - С. 517-534.
2. Белявцев А.Н. Комплексные схемы очистки сточных вод гальванических производств / А.Н. Белявцев, П.Ф. Кандзас, Л.В. Милованов // Водоснабжение и санитарная техника. - 1994. -№ 10. - С. 4-6.
3. Флорианович Г.М. Роль компонентов раствора в процессах активного растворения металлов / Г.М. Флорианович, В.С. Лазаренко, Р.М. Маневич // Коррозия и защита от коррозии : сб. науч. тр. - М., 1990. - Т. 16. - С. 3-54.
4. Обертас И.А. Технология очистки питьевой воды от алюминия // Коммунальное хозяйство городов : респ. межвед. науч.-техн. сб. - К., 1999. - Вып. 19. - С. 144-146.
5. БагоцкийВ.С. Основы электрохимии / В.С. Багоцкий. - М. : Изд-во "Химия", 1988. - 400 с.
Надклано до редакид!' 23.02.2016 р.
Обертас И.А. Теоретические условия анодного растворения металлов для метода фильтрации через загрузку с окислительно-восстановительными свойствами для удаления остаточного алюминия с питьевой воды
Разработан метод очистки воды, который дает возможность повысить эффект очистки без дальнейшего загрязнения воды, основанный на электрохимическом растворении веществ, способных коагулировать примеси за счет образования между ними замкнутых гальванопар. Проанализированы условия анодного растворения металлов и влияние этих процессов на фильтрование через загрузку с окислительно-восстановительными свойствами для удаления остаточного алюминия. Исследовано влияние различных комбинаций загрузок, а именно активированный уголь - магний и алюминиевые пластины со вставками магния, на механизмы активного растворения металлов.
Ключевые слова: раствор остаточного алюминия, очистка питьевой воды, гальва-нопар, окислительно-восстановительные свойства.
Obertas I.A. Some Theoretical Conditions for the Anodic Dissolution of Metal for the Filtration Method through the Materials with Redox Properties for Removal of Residual Aluminium of Drinking Water
A water purification method that enables improving the cleaning effect without further contamination of water, based on the electrochemical dissolution of substances capable to coagulate impurities through the formation of closed galvanic couples between them is developed. The conditions for the anodic dissolution of metals and impact of these processes on the filtration through substance with redox properties to remove residual aluminium are analysed. The effect of different combinations of downloads such as activated carbon - magnesium and aluminium plate with magnesium inserts on mechanisms for active dissolution of metals is studied.
Keywords: residual aluminium solution, drinking water purification, galvanic couple, redox properties.
