CC BY
58УДК544.653.3
З.М. Алиев, Д.Ш. Магомедова, А.З. Багатиров, С.Д. Гатиева, Р.Т. Гюлов Влияние ультразвука на электролиз морской воды
Дагестанский государственный университет;zazav@mail.ru
Статья посвящена возможности использования электролиза для получения ценных химических соединений из морской воды. При обычных условиях электролиз морской воды провести практически невозможнов результате осаждения солей жесткости и других компонентов и экранирования поверхности катодного материала. Использование ультразвука препятствует образованию катодного осадка и способствует проведению электролиза в обычных условиях.
Ключевые слова: электролиз, катод, анод, ультразвук, напряжение, сила тока.
В отличие от пресной воды ресурсы морской воды на Земле практически неограниченны, она легко доступна и является сложным раствором - электролитом. В связи с этим использование ее для получения водорода, хлора, гипохлорита натрия и т. д.путем электролиза представляет большой интерес. Однако использование морской воды для электрохимического производства имеет ряд особенностей и представляет собой достаточно сложную техническую задачу.
При электролизе морской воды на катоде образуется осадок солей жесткости и других химических компонентов, что приводит к экранированию поверхности электрода, снижению силы тока, и практически со временем процесс прекращается.
Активация ультразвуком - это один из современных способов ускорения физических и химических процессов. Применение ультразвука приводит к увеличению не только скорости химической реакции, но и полноты проведения реакции. Ультразвуковой кавитационной обработкой жидкой среды можно получить химические реакции, практически невозможные в других условиях.
Энергия активации многих химических процессов столь велика, что для их успешного проведения требуются высокие температуры, сложные и дорогостоящие каталитические комплексы, повышенная концентрация исходных веществ.
Тем не менее существует ряд литературных свидетельств [1-3] о лабораторных исследованиях и технологических процессах, в которых сходный эффект достигается применением воздействия ультразвука.
При электролизе морской воды на аноде практически всегда выделяется одновременно с кислородом большое количество хлора, поэтому возникают проблемы его утилизации на месте производства и связанные с этим вопросы защиты окружающей среды [4].
Электролизом морской воды после обработки ультразвуком можно получить водород с последующим применением его в качестве горючего.
Эффективность процесса электролиза - это отношение величины термодинамического напряжения к фактически действующему на ячейки, что соответствует отношению высшей теплоты сгорания получаемого водорода к величине подводимой электрической энергии [5].
Эффективность воздействия ультразвука может быть объяснена воздействием следующих специфических факторов, присущих ультразвуковым колебаниям:
• кавитационного эффекта;
• образования микропотоков;
• повышения диффузионной проницаемости ткани экстрагируемого материала.
Ультразвуковое воздействие получило наиболее широкое распространение при реализации технологических процессов, связанных с жидким состоянием реагентов.
Преимуществом использования ультразвука перед многими другими средствами обеззараживания сточных вод служит его нечувствительность к таким факторам, как высокая мутность и цветность воды, характер и количество микроорганизмов, а также наличие в воде растворенных веществ.
Многолетний опыт эксплуатации ультразвуковых антинакипных аппаратов типа «ВОЛНА» для защиты от накипи и удаления накипи в котельных установках показал, что в котлах и теплообменниках ранее образовавшаяся накипь после воздействия ультразвука отслаивается и оседает в виде рыхлого шлама и небольших чешуек; новая накипь не образуется. Удаление из котла выделяющегося шлама осуществляется периодическими продувками в дренаж, а при остановке котельной установки для профилактического осмотра - промывкой струей воды с давлением 0,2-0,3 МПа.
Применение для защиты от накипи и удаления накипи с элементов котельных установок ультразвукового (акустического) способа исключает загрязнение окружающей среды вредными стоками водоподготовительных установок, а стоимость обработки 1 м3 воды этим способом, как показывают ориентировочные расчеты, в 200-250 раз ниже стоимости химической обработки[6,7].
Для проведения электролиза нами была собрана установка ультразвуковой обработки воды. Морская вода для проведения эксперимента была отобрана в прибрежной зоне Каспийского моря поселка Редукторный. Физико-химические характеристики морской воды приведены в таблице 1.
Таблица 1. Физико-химические характеристики морской воды
Хлориды, мг/л 3800
Сульфаты, мг/л 1520
Са2+, мг/л 330
Mg2+, мг/л 580
Минерализация, г/л 8,2
Удельная электропроводность (См/м), при температуре 200С 28 10-3
рН 8,0
Ультразвуковая установка была использована для проведения электролиза морской воды при различных значениях силы тока; в качестве катодного материала использовали металл излучателя УЗ из нержавеющей стали. Напряжение фиксировали мультиметром (Ц№-ТиТ70В). Полученные экспериментальные данные приведены в таблице 2.
Таблица 2. Зависимость напряжения от времени электролиза и силы тока. Т 180С, ^^электролита=2,0 л, в качестве катода используется металл излучателя УЗ
1=0,3А
Время, мин 20 40 60 80 100 120 140
Напряжение, В 4,30 4,28 4,28 4,26 4,26 4,26 4,26
1=0,4А
Напряжение, В 4,71 4,72 4,72 4,70 4,70 4,70 4,70
1=0,5А
Напряжение, В 5,13 5,14 5,10 5,10 5,10 5,10 5,10
Как видно из таблицы, при всех постоянных параметрах при использовании металла излучателя ультразвука в качестве катода напряжение остается практически по-
стоянным. Полученные данные показывают, что при обработке ультразвуком электролиз морской воды протекает без осаждения солей жесткости и других компонентов на катоде.
Такие же эксперименты были проведены при аналогичных условиях, в качестве катода использовалсядругой материал - титан. Данные приводятся в таблице 3.
Таблица 3. Зависимость напряжения от времени электролиза и силы тока. Т 180С, ^^электролита=2,0 л,катод - титановая пластинка, излучатель УЗ
Время, мин 20 40 60 80 100 120 140
1=0,3А
4,48 4,46 4,42 4,40 4,38 4,36 4,36
напряжение, В 1=0,4А
5,10 4,92 4,85 4,75 4,75 4,75 4,75
1=0,5А
5,63 5,58 5,50 5,45 5,45 5,45 5,45
Как видно из таблицы 3, при использовании в качестве катода титановой пластинки напряжение на электролизере по сравнению с использованием в качестве катодного материала металла излучателя УЗ возрастает на некоторую величину, после чего стабилизируется.
После каждого эксперимента воду анализировали на содержание катионов кальция, магния, калия, натрия. Данные приведены в таблицах 4,5.
Таблица 4. Содержание катионов кальция, магния, натрия, калия после электролиза с использованием металла излучателя УЗ в качестве катода
Сила тока, А Катионы металлов
Mg2+, мг/л Са2+, мг/л К+, мг/л №+, мг/л
0,3 444,3 122,3 136,4 2411
0,4 459,5 133,0 146,4 2453
0,5 475,3 142,1 171,4 2700
Таблица 5. Содержание катионов кальция, магния, натрия, калия после электролиза с использованием ультразвука.Катод - титановая пластинка
Сила тока, А Катионы металлов
Mg2+, мг/л Са2+, мг/л К+, мг/л №+, мг/л
0,3 424,3 112,3 136,4 2411
0,4 429,5 123,0 146,4 2453
0,5 445,3 132,1 171,4 2700
Как видно из таблиц 4 и 5, содержание катионов кальция и магния меняется. При использовании в качестве катода титана концентрация катионов кальция и магния в воде после электролиза меньше, чем в случае применения в качестве катода металла УЗ, что объясняется образованием на поверхности катода пленки из солей жесткости.
Таким образом, на основании полученных экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:
1) собрана совмещенная электрохимическая и ультразвуковая установка для проведения электролиза морской воды;
2) проведен электролиз с использованием в качестве катодного материала титановой пластинки и металла излучателя ультразвука. При использовании металла излучателя УЗ в качестве катодного материала напряжение снижается на 0,18В;
3) проведен анализ на содержание катионов кальция и магния после электролиза. Данные показывают, что при использовании в качестве катодного материала металла излучателя ультразвука соли кальция и магния не осаждаются на катоде.
Литература
1. Агранат Б.А. и др. Основы физики и техники ультразвука. - М.: Высшая школа, 1987. - 352 с.
2. Маргулис М.А. Звукохимические реакции и сонолюминесценция. - М.: Химия, 1986. - 300 с.
3. Промтов М.А. Технологии кавитационной обработки нефти и нефтепродуктов // [Электронный ресурс] Режим доступа:http://www.tstu.ru/r.php (дата обращения 09.06.2014).
4. Селюков А.В. и др. Электрохимический способ получения пероксида водорода, используемого для очистки сточных вод // Труды ВНИИ ВОДГЭО. - М., 1985. -174с.
5. Хмелев В.Н.и др. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности. -Барнаул: АлтГТУ, 2007. - 416 с.
6. http://zvukishum.ru/ultrazvuk/ultrazvuk-v-ximi ^(дата обращения 11.05.2014).
7. Ульянов А.Н.Применение ультрафиолетового излучения совместно с физическими процессами для обработки воды в небольших населенных пунктах // Водоподго-товка - №1. - 2004. -С. 13-16// Водоочистка. -№ 4. -2007. - С. 6-9.
Поступила в редакцию 7 июля 2014 г.
UDC 544.653.3
Effect of ultrasound on sea water electrolysis Z.M. Aliev, Dj.Sh. Magomedova, A.Z. Bagatirov, S.D. Gatieva, RT.Gylov
Dagestan State University; zazav@mail.ru
The possibility of using electrolysis to produce valuable chemicals from seawater has been investigated. Under ordinary conditions of seawater electrolysis, it is virtually impossible to conduct the deposition of hardness salts and other components of the screening the cathode material surface. The use of ultrasound inhibits the formation of the cathode pellet and facilitates the conducting electrolysis under normal conditions.
Keywords: electrolysis, cathode, anode, ultrasound,voltage, current strength.
Received7July, 2014
