CC BY
1720
TECHNICAL SCIENCE / «ШУУШШШУМ-ЛШТМак» 2021
Список литературы
1. Ошурков В. А., Макашова В. Н. Механизмы оптимизации управления программой ИТ-проектов //Сборник научных трудов SWORLD. -2014. - Т. 11. - №. 1. - С. 66.].
2. Матвеева Л.Г. Управление ИТ-проектами: учебное пособие / Л.Г. Матвеева, А.Ю. Нкитаева :
УДК 621.35
Южный федеральный университет. - Ростов-на-Дону: Издательство Южно федерального университета, 2016. - С. 228
3. Почему ИТ-проекты по-прежнему терпят провалы? [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.osp.ru/cio/2017/07/13052958 (дата обращения: 08.05.21)
Рутковская Екатерина Сергеевна,
аспирант
Тульский Геннадий Георгиевич,
док. технд наук, профд, зав. каф. технической электрохимии,
Хассан Мусса Диаб, аспирант
Нацюнальний технгчний унгверситет «Хартвський полгтехтчний iнститут», м. Харюв, Украша DOI: 10.24412/2520-6990-2021-14101-20-23 ВЫБОР КАТАЛИТИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ ГАЗОДИФФУЗИОННОГО КАТОДА ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА NaCW
Rutkovska Kateryna Serhiivna,
PhD student Tulskyi Hennadii Heorhiiovych,
doc. of techn. sciences, prof., head of the department of technical electrochemistry Hassan Moussa Diab,
PhD student National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Kharkiv, Ukraine
TITLE SELECTION OF THE CATALYTIC COATING OF A GAS DIFFUSION CATHODE FOR ELECTROCHEMICAL SYNTHESIS OF NaClO
Аннотация
Для увеличения концентрации водных растворов гипохлорита натрия, полученного при бездиафраг-менном электролизе растворов хлорида натрия, разработан газодиффузионный катод с каталитически активным покрытием. В качестве материала каталитически активного покрытия были исследованы: оксиды марганца, оксиды кобальта, оксиды рутения, кобальта, кобальт-молибден, кобальт-молибден-оксид титан. Исследование кинетики совмещенных катодных процессов в электрохимическом синтезе гипохлорита натрия показало, что оксиднометаллические покрытия тормозят процесс катодного восстановления гипохлорит-иона. Каталитическая активность возрастает в ряду Co-Mo-TiO2 > Co > Co2O3. Интенсификация процесса восстановления молекулярного кислорода в водном растворе NaCl достигается за счет применения газодиффузионного катода. Исследование влияния газодиффузионного режима на кинетику катодных процессов позволило обосновать диапазоны потенциалов и плотностей тока в электрохимическом синтезе NaClO. За счет использования разработанного газодиффузионного катода удалось достигнуть концентрации NaClO более 30 г/дм3 при бездиафрагменном электролизе растворов хлорида натрия.
Abstract
To increase the concentration of aqueous solutions of sodium hypochlorite obtained by the diaphragmless electrolysis of sodium chloride solutions, a gas diffusion cathode with a catalytically active coating was developed. The following materials were studied as a catalytically active coating material: manganese oxides, cobalt oxides, ruthenium oxides. A study of the kinetics of combined cathodic processes in the electrochemical synthesis of sodium hypochlorite showed that metal oxide coatings inhibit the process of cathodic reduction of hypochlorite ion. Catalytic activity increases in the series Co-Mo-TiO2 > Co > Co2O3. The intensification of the process of molecular oxygen reduction in an aqueous NaCl solution is achieved through the use of a gas diffusion cathode. The study of the influence of the gas diffusion regime on the kinetics of cathodic processes made it possible to substantiate the ranges of potentials and current densities in the electrochemical synthesis of NaClO. Due to the use of the developed gas diffusion cathode, it was possible to achieve a concentration of NaClO of 28...30 g/dm3 with diaphragm-free electrolysis of sodium chloride solutions.
Ключевые слова: восстановление кислорода, газодиффузионный электрод, электросинтез, деполяризация катодного процесса, гипохлорит натрия, вольт -амперная зависимость.
«етушшшм-лшшау» #™©rn, 2©21 / technical science
21
Keywords: oxygen reduction, gas diffusion electrode, electrosynthesis, cathode depolarization, sodium hypochlorite, current-voltage dependence.
Введение. В связи с ростом числа заболеваний, связанных с вирусным или бактериальным заражением, большое внимание уделяется производству дезинфицирующего раствора гипохлорита натрия в локальных установках, непосредственно на месте применения таких растворов. локальные установки электрохимического синтеза гипохло-рита натрия работают, в основном, по бездиафраг-менной схеме. Максимально возможное содержание гипохлорита натрия, полученного в таких установках, составляет 10.. .14 г-дм-3. Дальнейший рост концентрации гипохлорита натрия лимитируется катодным восстановлением гипохлорит-ионов. Одним из путей усовершенствования существующих методов электрохимического синтеза водных растворов №СЮ является разработка электродных материалов, обладающих высокой электрокаталитической активностью и стабильностью [1-4].
Так же, важной задачей являются снижение удельного расхода электроэнергии, повышение селективности электродных процессов, стабильность показателей электролиза. Наиболее перспективным способом интенсификации электрохимического синтеза водных растворов №СЮ является использование деполяризации катодного процесса. А именно - применение кислородной (воздушной) деполяризации при использовании пористых газодиффузионных электродов [2-5]. Таким образом, появляется возможность синтезировать водные растворы гипохлорита натрия с более высокими концентрациями. А снижение потенциала катода приведет к снижению напряжения электролиза в целом.
Поэтому использование газодиффузионного катода при бездиафрагменном электролизе водного раствора №С1 является перспективным направлением совершенствования бездиафрагменного синтеза гипохлорита натрия [3].
Для установления возможности применения газодиффузионного катода в электрохимическом синтезе водных растворов гипохлоритов необходимо обосновать состав газодиффузионного катода, исследовать влияние газодиффузионного режима на кинетику катодных процессов, определить диапазоны потенциалов и плотности тока протекания совмещенных катодных реакций.
Для интенсификации электрохимического синтеза водных растворов гипохлоритов необходимо подобрать и определить оптимальный состав активных покрытий газодиффузионных электродов, обеспечивающих максимальное снижение потенциала электрода, его высокую электропроводность и износостойкость. В качестве перспективных каталитических покрытий газодиффузионного электрода были выбраны: оксиды марганца, оксиды кобальта, оксиды рутения, кобальта, кобальт-молибден, кобальт-молибден-оксид титан [5-9].
Методика. Для исследования кинетики электродных процессов использовали графитовый газодиффузионный электрод. в качестве пористого токоподвода для проведения исследований использовали пористый графит ПГ-50 с закрепленной с фронтальной стороны сеткой полотняного плетения из 08Х18Н10Т. графит ПГ-50 обладает высокой химической стойкостью в широком диапазоне концентраций, пористость составляет 50 %, что позволяет использовать его в качестве основы газодиффузионного электрода. Катодный процесс протекал в гетерофазной среде на поверхности сетки полотняного плетения из 08Х18Н10Т. Поверхность сетки активировалась каталитическими в кислородной реакции материалами: оксиды марганца, оксиды кобальта, оксиды рутения. Нанесение оксидных материалов осуществляли термическим разложением соответствующих покровных растворов.
Подача кислорода была организована от воздушного компрессора с тыльной стороны графитового электрода с возможностью управления подаваемого объемом воздуха.
Нанесение каталитически активного слоя ок-сиднометаллических покрытий осуществлялось методом термического разложения покровных растворов. Для улучшения адгезии композиционного покрытия стальную основу подвергали электрохимическому обезжириванию в растворе (г-дм-3): NaOH - 30, NaзPO4 - 30, ^2ТО3 - 30. Плотность тока 5 А-дм-2, температура 303 К, время обработки 3 минуты. Травление оксидных пленок с поверхности стальных образцов проводили химически в растворе (г-дм-3): HNOз - 100, ЕР - 50. Время обработки 15 минут [2].
На сухую подготовленную поверхность образца, с помощью кисти, наносился покровный раствор так, чтобы количество покровного раствора не приводило к образованию капель и наплывов. Составы растворов представлены в таблице.
После нанесения покровного раствора образцы помещались в сушильный шкаф и сушились до полного удаления влаги при температуре 313.323 К. Затем, образцы помещались в муфельную печь и подвергались термической обработке при температуре 593 .673 К.
Предварительная сушка покровного раствора позволяет избежать растрескивания покрытия при нагревании образца в муфельной печи выше температуры вскипания покровного раствора. После охлаждения цикл обработки повторяли 3 раза.
Вольт-амперные зависимости получали с помощью импульсного потенциостата МТеЛ PGP-550М. Скорость развертки потенциала от 10 до 100 мВ/с. Катод - газодифузионний, анод - платиновый. Электрод сравнения - хлорсеребряный. Все значения потенциалов пересчитаны относительно водородного электрода.
Результаты. В водных растворах гипохлори-тов, до достижения потенциалов водородной реак-
22
TECHNICAL SCIENCE / «ШУУШШШИМ-ЛШИГМаУ» #14И©1), 2021
ции, реализуется восстановление молекулярного кислорода по следующим реакциям [4-5]:
О2 + 2Н2О +4е » 40Н-, Ео = 0,401 В, (1)
или через промежуточное образование перок-сида водорода:
в щелочной среде
О2 + 2Н2О + 2е » НО2- + ОН-, Ео = 0,080 В,(2)
в кислой среде
О2 + 2Н+ + 2е » Н2О2, Ео = 0, 0 В. (3)
Исследования методом меченых атомов [4-5] показали, что механизмы (2) и (3) являются энергетически более предпочтительны. Реализация механизма (1) невозможна из-за необходимости одновременного переноса четырех электронов за один электрохимический акт.
Выделение водорода на катоде описывается следующей реакцией:
2Н2О + 2е = Н2 + 20Н-, Ео = 0 В. (4)
При анализе полученных циклических вольт-амперных зависимостей необходимо учитывать значение равновесных потенциалов каждого из приведенных процессов для определения диапазонов потенциалов и плотностей тока протекания данных процессов.
Исследование восстановления кислорода на сетке полотняного плетения из 08Х18Н10Т позво-
По значению деполяризации катодного процесса кислородом воздуха рассчитанной как разница между потенциалами пика первой и второй волны, исследуемые материалы можно расположить в следующий ряд:Со-Мо-ТЮ2>Со>Со20э (табл.). По значению dj/dE при потенциалах пиков восстановления кислорода исследуемые материалы можно расположить в следующий ряд: Co>Co203>Co-Mo-Ti02 (табл.). На других исследуемых материалах (Co-Mo, Ru02, 08Х18Н10Т) восстановление кислорода тормозилось преимущественным процессом выделения водорода.
В исследуемом растворе кислород восстанавливается в две стадии, каждая из стадий соответствует пикам на дифференциальных кривых в координатах (E-dj/dE). Первый пик соответствует
лили определить диапазоны потенциалов и плотностей тока, на которых протекают: только восстановление кислорода, восстановление кислорода и выделение водорода, и преимущественное выделение водорода. На первых двух диапазонах катодные процессы протекают с низкой скоростью. Так, для диапазона восстановления кислорода плотность тока достигает 3 мА/см2. На участке совмещенного восстановления кислорода и выделения водорода плотность тока достигает 8 мА/см2 [3]. Такие незначительные значения плотности тока требуют поиска новых материалов, которые позволят повысить скорость катодного процесса. Поэтому, для интенсификации электрохимического восстановления молекулярного кислорода были подобраны электродные материалы с низким перенапряжением кислородной и, одновременно, с высоким перенапряжением водородной реакции, а именно: оксиды марганца, оксиды кобальта, оксиды рутения.
Для исследования кинетики совмещенных катодных процессов в водном растворе 3 моль/дм3 №С1 были получены вольт-амперные зависимости. Для анализа этих зависимостей и оценки влияния исследуемых электродных материалов на протекающие катодные процессы полученные вольт-амперные зависимости были перестроены в дифференциальные (табл). Пики потенциалов дифференциальных зависимостей позволяют оценить каталитическую активность исследовательских материалов в реакции катодного восстановления кислорода.
реакции образования пероксида водорода. Второй пик соответствует второй стадии процесса.
Применение анализа вольт-амперных и дифференциальных зависимостей протекания совмещенных процессов позволили обосновать выбор катодного материала для газодиффузионного электрода.
Полученные циклические зависимости позволили определить диапазоны потенциалов и плотностей токов для различных режимов работы газодиффузионного электрода. Результаты указывают на расширение диапазона потенциалов, в котором восстановления кислорода протекает с высоким выходом по току.
Проведенные вольт-амперные исследования позволили установить технологические показатели электрохимического синтеза водного раствора
Таблица
Потенциалы пиков восстановления кислорода в 3 моль/дм3 ^О в зависимости от материала газо_ диффузионного электрода__
Покрытие Пик 1, Е, В Пик 2, Е, В
Без возд. Возд. Без возд. Возд.
08Х18Н10Т -0,7 -0,5 -1,3 -1,45
Co203 -0,5 -0,54 -0,7 -0,89
Mn02 -0,77 -0,67 -1,4 -1,15
Ru02 -0,22 -0,22 -0,61 -0,6
Co -0,9 -0,59 -1,47 -1,25
Co-Mo Пик отсут. Пик отсут. - -
Co-Mo-Ti02 -0,9 -0,42 -1,47 -1,46
«шушетим-лшигмау» #™©rn, 2©21 / technical science
23
NaClO, полученного бездиафрагменным электролизом водного раствора 3 моль/дм3 NaCl с деполяризацией катодного процесса кислородом воздуха. Так, при j = 0,2 А/см2, T = 290 К был синтезирован водный раствор NaClO с концентрацией более 30 г/дм3. Полученная концентрация гипохлорита натрия представляет коммерческий интерес и может быть реализована в локальных установках синтеза водных растворов NaClO.
Выводы. Исследование кинетики совмещенных катодных процессов на газодиффузионном электроде в водном растворе 3 моль/дм3 NaCl позволило установить диапазоны электродного потенциала, плотность тока протекания реакции восстановления кислорода, совмещенного восстановления кислорода и преимущественно выделения водорода.
Обоснованно состав активных покрытий газодиффузионных электродов, обеспечивающих максимальное снижение потенциала электрода, его высокую электропроводность и износостойкость. По каталитической активности при катодном восстановлении кислорода воздуха при использовании газодиффузионного катода исследуемые материалы можно расположить в следующий ряд: Co-Mo-TiO2>Co>Co2O3. Рекомендованной плотностью тока, для исследуемой конструкции газодиффузионного катода составляет 15 мА/см2 при температуре 291...293 К. Катодное восстановление гипо-хлорит-ионов, при этих условиях, снижается на 55...60 %.
Список литературы
1. Kim H.J. Effects of a low concentration hypochlorous acid nasal irrigation solution on bacteria, fungi, and virus / H.J. Kim, J.G. Lee, J.W. Kang, H.J. Cho // Laryngoscope. - 2008. - Vol.118. -P. 1862-1867.
2. Гиренко Д.В. Синтез низкоконцентрированных растворов гипохлорита натрия в электролизерах без разделения межэлектродного пространства / Д.В. Гиренко, А.Б. Величенко // Вопр. химии и хим. технологии. - 2018. - № 4. С 82-91.
3. Гиренко Д.В. Электролиз низкоконцентрированных растворов хлорида натрия в электролизере с неразделенным электродным пространством. Влияние концентрации NaCl / Д.В. Гиренко, А.А. Пилецкая, А.Б. Величенко // Вопр. химии и хим. технологии. - 2013. - № 3. -С. 199-204.
4. Тарасевич М.Р. Неплатиновые катодные катализаторы для топливных элементов со щелочным электролитом (обзор) / М.Р. Тарасевич, Е.С. Давыдова // Электрохимия. - 2016. - Том 52, №3.- С. 1-30. DOI:10.7868/S0424857016030117.
5. Тарасевич М.Р. Оптимизация газодиффузионного катода для щелочного электролита / М.Р. Тарасевич, Б.В. Клейменов, П.В. Мазин, Л.Н. Кузнецова // Электрохимическая энергетика. - 2008. - Т. 8, № 3.- С.174-179.
6. Тульская А.Г. Композиционные газодиффузионные аноды для реализации сульфатнокислот-ного способа получения водорода / Б.И. Байрачный, А.Г. Тульская, В.Б. Байрачный // Журнал прикладной химии. - 2013. - Т. 86. - Вып. 11. - С. 1780-1785.
7. Nefedov V.G. Analysis of the conditions of the formation of gas bubble nuclei in the course of water electrolysis / V.G. Nefedov, A.G. Atapin // Voprosy khimii i khimicheskoi tekhnologii. 2019, No. 4, pp. 120-126.
8. Нефедов В.Г. Оценка факторов, влияющих на аномалии электропроводности тонких слоев жидкости у поверхности воздух-электролит / В.Г. Нефедов, Д.В. Бондарь // Вопр. химии и хим. технологии. -2007. - № 4. - С 121-126.
9. Штефан В.В. Вольтамперометрiя осаджен-ня сплаву СО-МО / В.В. Штефан, А.С. Сшфанова, О.В. Кобзев, М.М. Метеньканич // Вюник Нацю-нального техшчного ушверситету «ХП1» Серiя: Хiмiя, хiмiчна технолопя та еколопя. Харшв: НТУ «ХП1». - 2018. -№ 39 (1315).- С. 80-83. doi: 10.20998/2079-0821.2018.39.16.
Самсонов Дмитрий Алексеевич Студент, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ) Р01: 10.24412/2520-6990-2021-14101-23-31 АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ БЕТОННОЙ
СМЕСИ НА ЗАВОДЕ ЖБИ
Samsonov Dmitry Alekseevich
Student, Moscow Automobile Plant - road state university
Technical University (MADI).
AUTOMATED CONTROL SYSTEM FOR THE PRODUCTION OF CONCRETE MIX AT THE
PLANT
Аннотация
В статье представлена разработанная схема автоматизированной системы производства бетонной смеси для завода железобетонных изделий с помощью средства создания графического интерфейса оператора (графических панелей) в TRACE MODE 6 и продемонстрирована ее работа. Цель создания
