Напруга координації при очищенні шахтних вод електрохімічним методом

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

Напруга координації при очищенні шахтних вод електрохімічним методом

Россінський В.М., аспірант

Саблій Л.А., доц. к.т.н.

м. Рівне

Анотація

Проведено аналіз сучасних парадигм визначення необхідної напруги для очищення води електрохімічним методом. Запропоновано загальну методику підрахунку необхідної напруги для очищення води електрохімічним методом, в залежності від її хімічного складу.

The analyses methods of necessary electric potential definition for electrochemical mine water treatment are revised. The basic methodic calculation of electric potential for electrochemical mine water treatment is presented.

В результаті функціонування комплексу по очищенню шахтних вод, останні по системі трубопроводів подаються на наземні споруди, в яких проходить механічне очищення. Ефективність очищення шахтних вод вугільно-видобувних підприємств по завислим речовинам, з залученням пристроїв для тонкошарового відстоювання, становить 30-40%. Перспективність та ефективність очищення шахтних від завислих речовин та від катіонів металів шахтних вод електрохімічним методом в установці оригінальної конструкції авторами було описано в [1]. При цьому, для забезпечення необхідних умов перебігу основних елементарних стадій очищення води важливим є точне встановлення та підтримання в реакційному середовищі основних параметрів електрохімічного очищення води. Ефективність очищення води електрохімічним методом залежить від типу установки, матеріалу електродів, щільності струму, напруги, температури, загальної мінералізації води. Чисельну величину сили струму для очищення можливо вирахувати виходячи з електрохімічного потенціалу елементів. Поряд з цим, визначення чисельних величин напруги є досить актуальним, враховуючи те, що напруга - необхідна робота по координації йонів металів в нерозчинні сполуки у воді.

Метою даної роботи є аналіз сучасних підходів до визначення чисельних величин напруги та розробка загальної методики її підрахунку при очищенні води електрохімічним методом.

Очищення шахтних вод в установці електрохімічного реактора з нерозчиними точковими біполярними струмопровідними фазами [1] характеризується стадійністю перетворень в реакційному середовищі на різних ступенях. При цьому, глибина самих перетворень процесів очищення води різна і залежить від розподілу величин напруги та сили струму між ступенями.

Загальну напругу координації елементарної стадії перетворення йонів металів в нерозчинні у воді сполуки можна представити рівнянням Вальтера Нернста [2]:

(1)

де E_c⁰ - стандартна напруга елементарної стадії координації, В;

R - універсальна газова стала, кДж/К•моль;

T - температура води, К;

n - кількість електронів, які приймають участь в елементарній стадії координації;

F - число Фарадея, кДж/В• моль;

C_i - концентрація продуктів елементарної стадії координації (моль/ дм³);

C_j - концентрація вихідних елементів елементарної стадії координації (моль/ дм³).

Напругу координації, як і напругу розкладу, при електрохімічному очищенні води можна виразити наступною залежністю [3]:

(2)

де А - робота координації, кДж/моль.

Робота по координації сполук представляє собою зміну ізобарно-ізотермічного потенціалу і в загальному випадку виражає енергію стійкості сполуки. При розгляді можливості утворення нерозчинних координаційних з'єднань металів у воді в природних чи в штучно сформованих умовах важливим є встановлення природи такого типу перетворень. Ефективним інструментарієм для пояснення можливості утворення різного типу нерозчинних координаційних з'єднань металів у воді є теорія активованого комплексу (ТАК) [4]. Згідно ТАК, при взаємодії двох або більше вихідних елементів координації, в аквасередовищі для утворення нерозчинного координаційного з'єднання необхідно подолати певний енергетичний бар'єр (рис. 1). При очищенні шахтної води електрохімічними методами потенціальну енергію координації можна представити роботою координації. Взаємодіючі два вихідних елемента, при екзотермічному характері елементарної стадії, катіон металу «Me⁺ⁿ» і аніон «An^-(n+k)» утворюють активований комплекс «Me^+(n+k)An^-(n+k)»^#, при потенціальній енергії координації Е^#. Враховуючи малий проміжок часу «життя» активованого комплексу «Me^+(n+k)An^-(n+k)»^#, він рекомбінує в стійке координаційне з'єднання типу «Me^+(n+k)An^-(n+k)», енергія, E_{«Me+(n+k)An-(n+k)»}, якого значно менша за енергію вихідних елементів, катіону метала «Me⁺⁽ⁿ⁾» та від'ємно зарядженого ліганда «An^-(n+k)». Точка локального мінімуму на потенціальній кривій відповідає енергії координації двох елементів «Me⁺⁽ⁿ⁾» та «An^-(n+k)» та відображає, в термодинамічному просторі, енергію їх зв'язку.

Рис. 1. Потенціал-енергетична схема утворення нерозчинного з'єднання типу «Me^+(n+k)An^-(n+k)»

електрохімічний очищення шахтний вода

Поряд з цим, враховуючи теоретичні передумови ТАК, по відношенню до елементарних перетворень немолекулярних сполук, параметр (А) можливо представити , тобто, через енергію активованого комплексу, що є більш точним відображенням природи елементарних стадій перетворень в нерозчинні сполуки йонів металів при електрохімічному очищенні води.

 (3)

При , виходячи з правил підрахунку активностей, для елементарної стадії утворення нерозчиних координаційних з'єднань металу у воді, рівняння (3) набуде вигляду:

(4)

Рівняння (4) в інтерпретації рівноважності води, як часткового випадку загального закону стабільності системи, виражає собою вираз термодинамічного потенціалу (Eh). Цей параметр знайшов широке застосування при електрохімічному очищені води, пояснені та можливості зміни фазово-дисперсного стану домішок, що містяться у воді. При цьому виникає складність визначення самого термодинамічного потенціалу (Eh), при підведені електрики до електродів, що призводить до перенапруги на електродах, зміни ентропії реакційного середовища і тим самим, до різної множини значень роботи координацій. З іншого боку, визначення необхідної напруги координації використовуючи рівняння (4), при зміні предмету розгляду «вода»-«нерозчинна сполука у воді», не представляє математичної складності, за рахунок незначних змін в температурі реакційного середовища, тим самим можливості прийняття умови сталості значень ентропій та ентальпій їх утворення.

При цьому, приймаючи концентрації вихідних елементів, в елементарній стадії координації, [reag₁]…[reag₃] та їх коефіціенти активності, в загальному випадку рівняння (4) прийме вигляд:

(5)

де ч_1… ч₃- коефіціенти активності вихідних елементів координації,

Враховуючи, що

(6)

складаємо три матриці виду (7), (8) та (9):

(7) (8)

(9)

З урахуванням (7), (8), (9) рівняння (6) набуде вигляд матриці виду (10).

(10)

Виходячи з того, що визначення необхідної напруги для очищення шахтних вод електрохімічним методом є задачею оптимізації, то повинно бути максимальним, тоді

(11)

Приймаючи до уваги умову (11), рівняння (5) можна записати:

(12)

Отже, рівняння (12) в загальному випадку відображає необхідну напругу координації йонів металу в нерозчинні сполуки при електрохімічному очищенні води, враховуючи при цьому хімічний склад води, термодинамічно-кінетичну характеристику елементів координації.

Аналітична залежність необхідної напруги координації в нерозчинні сполуки від концентрації металів у воді наведена на рис. 2, рис.3. та рис. 4, без лінеарізації додатковою теоретичною затратою напруги на забезпечення процесу, як в [1].

Рис. 2. Аналітична залежність напруги координації від концентрації для Феруму в воді

1. Графік напруги, як функції від концентрації Феруму в воді, при 10⁰С.

2. Теж саме, при 15⁰С. 3. Теж саме, при 25⁰С. 4. Теж саме, при 30⁰С.

Рис. 3. Аналітична залежність напруги координації від концентрації магнію в воді

1. Графік напруги, як функції від концентрації Магнію в воді, при 10⁰С.

2. Теж саме, при 15⁰С. 3. Теж саме, при 25⁰С. 4. Теж саме, при 30⁰С.

Рис. 4 Аналітична залежність напруги координації від концентрації для Мангану в воді

1. Графік напруги, як функції від концентрації Мангану в воді, при 10⁰С. 2. Теж саме, при 15⁰С. 3. Теж саме, при 25⁰С. 4. Теж саме, при 30⁰С.

Використовуючи принципи теорії активованого комплексу, термохімічні особливості перебігу елементарних стадій очищення води електрохімічним методом, узагальнено та запропоновано методику визначення необхідних чисельних величин напруги. При цьому, враховується акцесорність хімічного складу води. На підставі наведеної методики розрахунку напруги були визначені чисельні величини напруги для переведення йонів Феруму, Магнію та Мангану в нерозчинні у воді сполуки.

Бібліографія

1. Саблій Л.А., Россінський В.М. Спосіб та установка для очищення шахтних вод вугільно-видобувних підприємств електрохімічним методом // Збірка доповідей Міжнародного конгресу ЕТЕВК-2007, Ялта, 2007.- с. 289-292

2. V.S. Bagotsky Fundamentals of electrochemistry, 2-nd ed.// Wiley-Interscience, 2005, 752 р.

3. Прикладная электрохимия // Учеб. для вузов. Под ред. докт. техн. наук, проф. А.П. Томилова. - 3-е изд., перераб. М.: Химия, 1984 - 520 с.

4. Кубасов А.А., Химическая кинетика и катализ. Часть 2 // М. Изд-во МГУ. - 2005, с. 37-59

5. Шахтные и карьерные воды. Кондиционирование, использование, обессоливание и комплексная переработка // Ю.Н. Резников, В.Г. Львов, В.В. Кульченко.- Донецк: Каштан, 2003. - 242 с.

6. Россінський В.М., Саблій Л.А. Інтенсифікація очищення шахтних вод вугільно-видобувних підприємств електрохімічним способом // Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів. Збірка доповідей VI Міжнародної конференції аспірантів та студентів. Т.1- Донецьк: ДонНТУ, ДонНУ, 2007.- с. 58- 59.

7. Электрохимия в процессах очистки воды // Л.А. Кульский, В.Д. Гребенюк, О.С. Савлук. - К.: Техніка, 1987. - 220с.

Размещено на allbest.ru