Экологическая безопасность при обработке конструкций кондиционеров - (диплом)

Определение воздействия присутствующих в сточной воде компонентов на вольт-амперные характеристики катодных и анодных процессов. Оценка величины поляризации электродных материалов при рабочих плотностях тока в электрофлотаторе. Эти исследования выполняются методом вольт-амперных характеристик (потенциодинамическим методом). Для снятия кривых используется потенциостат П-54.

Исследования проводятся на 3х электродной схеме. Скорость задания потенциала 5mВ/с В (стационарная кривая) . Исследуются компоненты, которые характерны для данного производства, и возможно их появление в высоких концентрациях.

    Описание установки.

Потенциостат П-5848 состоит из четырех функционально связанных блоков, работающих совместно с электрохимической ячейкой, КСП и миллиамперметром. БП-1-25 – блок питания – обеспечивает необходимыми постоянными и переменными напряжениями блоки БНЗ и БУ. На панели этого блока расположен тумблер «Сеть» и кнопка включения «60 – А и Б». БУ – блок усиления

    Переключатель
    Ячейка откл.
    /
    Ячейка вкл.
    в положении ячейка откл.

Переключатель - «род работы» - «потенциал-ток» - указывает на режим работы. Тумблеры mА1, mА2 с соответствующими клеммами для подключения внешнего миллиамперметра: включен – верхнее положение отключен – нижнее положение

переключатель «+ - » используется для перемены полюсности в случае отклонения стрелки внешнего миллиамперметра влево. Переключатели «диапазон тока, mА» и «множитель тока, mА/V» используются в зависимости от выбора режима работы. БЗН – блок задающих напряжений

    Левая сторона панели БНЗ – система развертки.
    Тумблеры
    Уст. 0

Используются при работе в режимах потенциодинамическом и гальванодинамическом с регистрацией на КСП

    0
    Подъем
    Сброс
    По шкале mА на блоке БЗН наблюдают развертку тока.

Переключатели «множитель скорости» и «амплитуда» используются при расчете скорости развертки. На правой стороне панели БНЗ

Переключатель U1 (U2) с соответствующими задатчиками диапазонов напряжения (1V; 0, 1V; mV), с помощью которых выставляются значения начальных и конечных задающих напряжений. Обратить внимание на положение тумблеров “+ -”, расположенных около задатчиков напряжений U1 (U2), которые указывают на знак рабочего электрода. БВВ – блок высокоомного вольтметра

    Тумблер «Сеть»
    Переключатель U3 Uраб. Uвн - в положении Uраб.

Переключатель “+ 0 -” – показывает на полюсность рабочего электрода mА – по шкале mА наблюдают величину, знак и развертку потенциала крайний правый переключатель – положение этого переключателя указывает на выбранную шкалу прибора. Переключатели 1V и 0, 1V не используются и находятся в положении “0”. На правой боковой панели потенциостата находятся:

    Тумблер «потенциал-ток» - указывает на режим работы
    Клеммы для подключения ячейки к потенциостату
    Схема подключения ячейки к потенциостату.
    БП-1-25 – блок питания
    БУ – блок усиления
    БЗН – блок задающих напряжений
    БВВ – блок высокоомного вольтметра
    КСП – контрольно-самопишущий потенциометр.
    Ячейка
    исследуемые вещества.

В работе исследовали растворы, содержащие веретенное масло, ПАВ «Брулин», скипидар, K2Cr2O7. Так же исследовали нержавеющую сталь в качестве катода и ОРТА.

    Окисно-рутениевый титановый анод (ОРТА)

Окисно-рутениевые титановые аноды получили широкое распространение в промышленности. Роль инертной основы в них играет титан, а активное покрытие состоит из смеси оксидов рутения и титана. Оксид рутения, входящий в состав композиции, обладает металлической проводимостью и достаточно высокой электрохимической активностью Оксид титана полупроводник n-типа, обладающий высокой коррозионной стойкостью. Свойства ОРТА зависят от соотношения оксидов рутения и титана в смеси. Оптимальным с точки зрения электрохимических и электрофизических свойств признано соотношение RuO2: ТiO2 и равное 30: 70 мол. %. Изменение содержания RuO2 в активном слое приводит к изменению потенциала ОРТА, что связано с ростом омического сопротивления активного слоя, а изменение сопротивления на границе между титаном и активным слоем с уменьшением содержания RuO2 в активной массе. ОРТА обычно получают путем термической обработки смеси хлоридов рутения и титана, нанесенной на титановую основу. Операцию повторяют многократно, получая покрытие необходимой толщины. Можно получать ОРТА путем гальванического осаждения рутения на основу с последующей пропиткой пористого покрытия солями титана и термической обработкой при температуре 580-600°С. Пленка, полученная таким образом представляет собой метастабильные дефектные с неполной степенью кристалличности твердые растворы состава RuхТi1-хО2. Перенос носителей заряда в пленках является электронным процессом, обеспечивающим высокие скорости анодной реакции. ОРТА имеет критический потенциал для электролиза водных растворов хлорида, равный 1, 45-1, 5 В, выше которого происходит окисление RuO2 до RuO4, сопровождающиеся разрушением композиционной пленки. Потенциал ОРТА при высоких плотностях тока возрастает вследствие окисления не только активной компоненты композиции, но и титановой основы, которая на границе с активным слоем, покрывается смесью оксидов, обладающих запорными свойствами. В некоторых случаях критических потенциал сдвинут в сторону более чем 1, 5 В положительных значений. Толщина композиционного слоя на поверхности титановой основы в несколько мкм обеспечивает эксплуатацию ОРТА на протяжении 4-6 лет. Титановая основа может быть повторно использована для нанесения композиций из RuO2Чи ТiO2. Наиболее удобен способ ремонта ОРТА после окончания тура работы, предусматривающий нанесение нового активного слоя без полного удаления остатков старого[28]. Опыт проводился в потенциодинамическом режиме.

    катод из нержавеющей стали.
    Молекулярная масса – 91, 873

Сталь – сплав железа с углеродом, светло-серый или серый с плотностью 5, 3 г/см3. Проводит тепло и электрический ток.

    Веретенное масло.

Представляет собой темную маслянистую жидкость. Плотность при 20оС не менее 0, 886 – 0, 896 г/л. Температура вспышки не ниже 155оС.

    Температура самовоспламенения 280оС.
    ПАВ – «Брулин».

Неионоактивное ПАВ. Представляет собой зелено-синюю темную жидкость, растворимую в воде. Разрушает жиры и подтравливает основу металла (удаляет оксидную поверхностную пленку). Биологически разлагаемое вещество. Разработано галандско-русской фирмой «ЭСТОС»

    электрод сравнения.

Хлорсеребряный электрод сравнения. Электрод состоит из серебряной пластинки или проволочки, впаянной в стеклянную трубку. На серебро наносят слой хлорида серебра. Способы нанесения соли различны. Осадок на поверхности металла можно получить, например, электролизом, если электролиз вести в растворе соляной кислоты, и серебряную проволочку (или пластинку) подключить к аноду. Катодом может быть платиновый электрод. Благодаря малой растворимости хлорида серебра небольшого слоя соли достаточно, чтобы раствор, содержащий ионы хлора, в который затем опускают электрод, был бы насыщен хлоридом.

    методика проведения опыта.
    потенциодинамический режим.

Работа с потенциостатом при использовании развертки потенциала проводится в следующем порядке: Перед началом работы необходимо посчитать и выставить скорость развертки потенциала, диапазон тока, скорость движения диаграммной ленты. Проверить включение потенциостата.

    Блок БП – тумблер «сеть»
    В верхнем положении
    Блок БВВ – тумблер «сеть»
    Блок БВВ – тумблер «анод»
    В верхнем положении
    Блок БП – кнопка «60 – А и Б»
    Нажата
    На блоке БУ
    Переключатель
    Ячейка откл.
    /
    Ячейка вкл.
    в положении ячейка откл.

Переключатель «род работы» - в положении «ток», а на правой боковой панели потенциостата тумблер «ток-потенциал» - в положении «ток» К клеммам mA1 подключен внешний миллиамперметр, тумблер – в верхнем положении, шкала прибора на mА устанавливается в положении 7, 5 А с постепенным повышением чувствительности шкалы прибора в процессе работы. Переключатель «множитель тока» - не используется и находится в крайнем правом положении. Скорость развертки потенциала равна произведению значения «амплитуды» на «множитель скорости» (блок БЗН). Скорость движения диаграммной ленты указана в работе и выставляется на КСП. Диапазон тока выставляется для каждой задачи конкретно (блок БУ). На блоке БНЗ:

    Уст. 0
    работа
    - в положении «работа»
    +
    устанавливается в положении «+», если снимается
    0
    анодная поляризационная кривая; «-» - если снимется
    катодная поляризационная кривая
    подъем
    сброс
    - в положении «сброс»
    Подключить ячейку.

По шкале mА на блоке БВВ определяем знак и начальное значение ЭДС (система рабочий электрод – электрод сравнения), с которого будет начат эксперимент. Обратить внимание на положение «шкала прибора», V (крайний правый переключатель). Переключатель напряжений установить в положение U2 (блок БНЗ). Выставить с помощью переключателей задатчиков напряжений U2 величину значения ЭДС (система рабочий электрод – электрод сравнения). Величина начального напряжения выставляется тремя задатчиками напряжения в диапазонах 1V; 0, 1V; mV. Численное значение ЭДС получается сложением всех трех величин. Подать напряжение на ячейку, для чего переключатель «род работы» на блоке БУ установить в положение «ячейка вкл. ». На блоке БЗН включить тумблер «подъем-сброс» в полложение «подъем». Должны наблюдать развертку тока. На внешнем миллиамперметре, подключенном к клеммам mА1 (mА2) на блоке БУ. Развертку потенциала должны наблюдать на миллиамперметре (блок БВВ). По окончании работы необходимо произвести выключение потенциостата в следующем порядке: тумблер «подъем / сброс» в положении «сброс»

    переключатель на блоке БУ
    Ячейка откл.
    /
    Ячейка вкл.
    в положении ячейка откл.
    выключить тумблер движения диаграммной ленты на КСП.

Снимаются кривые, для получения характеристик, в частности, величины перенапряжения при выделении газа на катоде и аноде. Из полученных экспериментальных данных проводится расчет энергетических и тепловых затрат.

    результаты снятия вольт-амперных характеристик.
    Анод. Электролит Na2SO4 2г/л
    Катод. Электролит Na2SO4 2г/л
    Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + 0, 05 мл масла

Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + замасливание анода 0, 1 мл масла в 10 мл ССl4. Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + замасливание анода 0, 2 мл масла в 10 мл ССl4. Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + замасливание анода 1 мл масла в 10 мл ССl4.

    1. Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + 0, 1 мл ПАВ
    2. Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + 0, 15 мл ПАВ
    3. Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + 0, 5 мл ПАВ
    4. Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + 1, 5 мл ПАВ
    5. Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + 3 мл ПАВ
    6. Катод. Электролит Na2SO4 2г/л + 3 мл ПАВ
    7. Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + 0, 01 мл скипидара

8. Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + 0, 01 мл скипидара + 0, 05мл масла + 3мл ПАВ 9. Анод. Электролит Na2SO4 2г/л + 0, 01 мл скипидара + 0, 05мл масла + 3мл ПАВ + K2Cr2O7 2 мг/л Растворы выбирались с учетом компонентов, присутствующих в сточных водах данного машиностроительного предприятия. Сточные воды содержат маслосодержащие компоненты, ПАВ из ванн промывки, скипидар и масло из камеры окраски, K2Cr2O7 из гальванического цеха хроматирования. Так же они были выбраны с максимально приближенными концентрациями, соответствующими концентрациям веществ, находящихся в сточной воде предприятия. В модельных растворах присутствуют компоненты, содержащиеся в сточной воде.

    Обсуждение результатов.

За эталон был принят раствор электролита, не содержащий примесей. Как видно из кривых 1 и 2 анодная и катодная поляризация мало отличаются друг от друга, к тому же при электрофлотации с нерастворимыми электродами наиболее важен анодный процесс выделения кислорода, а катодный является только усиливающим, поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать только анодные кривые. Кривая 3 (с полностью растворенным маслом) так же не сильно отличается от эталона. При замасливании электродов (кривые 4, 5 и 6) перенапряжение на электроде увеличивается и качество очистки резко уменьшается с повышением замасливания и степень очистки уменьшается, но при добавлении ПАВ (кривые 1. , 2. , 3. , 4. и 5. ) эффективность увеличивается, т. к. ПАВ предотвращает замасливание, и степень очистки так же увеличивается. Присутствие растворителя (кривая 7) ухудшает процесс очистки, по сравнению с эталонной кривой, однако как видно на кривой 8, перенапряжение на аноде при совместном присутствии всех, рассматриваемых ранее, компонентов степень очистки достаточно высокая. Как видно из кривой 9, присутствие хрома в сточной воде не вызывается большой степени перенапряжения, и степень очистки при совместном присутствии компонентов достаточно высока.

    расчет основного оборудования и основных операций.
    Расчет электрофлотатора.
    Материальные потоки в электрофлотаторе.
    Исходные данные:
    I = 50 А - токовая нагрузка на аппарат;
    tоэл=25оС – температура электролита;
    Вт=98%;
    Расстояние между электродами 5 – 10 мм

Экспериментальные данные по составу воды, поступающей в аппарат: Na2SO4=2000 мг/л, Скипидар=0, 01 мг/л, Масло веретенное=5 мг/л, ПАВ «Брулин»=30 мг/л, K2Cr2O7 =0, 02 мг/л рН=8, 5

    Катодные реакции
    H2O>H2 + ОН- - 2з
    Анодные реакции
    2H2O>O2+4H++4з
    Определение расхода воды при электрофлотации, GH2O

где GH2O кг/ч - количество воды, вступившее в электрохимическую реакцию на электроде; Вт - выход по току, доли единицы;

    М = 18 - молекулярная масса воды;
    26. 8 - количество электричества, равная 1 Р, А-ч;

n = 4, 2 соответственно - количество электронов, участвующих в электрохимической реакции. G1H2O = 0, 0082 кг/ч - количество воды, вступившее в реакцию на аноде. G2H2O = 0, 0165 кг/ч - количество воды, вступившее в реакцию на катоде. GH2O = G1H2O + G2H2O

    GH2O = 0, 0247 кг/ч
    Определение количества образовавшихся газов
    где кг/ч- количество образовавшегося водорода,
    МН2 = 2 - молекулярная масса водорода;

n = 2 - количество электронов, участвующих в электрохимической реакции. = 0, 0019 кг/ч

    где кг/ч- количество образовавшегося кислорода,
    МO2 = 32 - молекулярная масса кислорода.
    = 0, 2195 кг/ч

Определение количества растворителя (воды), уносимого с газообразными продуктами а) Определение количества растворителя, уносимого с водородом

    где t0эл = 25 - температура электролита, °С;
    22, 4 л - объем одного г-моль газа при нормальных условиях;

р = 23, 76 мм. рт. ст. = 23, 76133 = 3167, 2 Па = 31, 672 - упругость водяного пара при температуре электролита, гПа; ср = 0, 02304 - плотность паров растворителя при t0эл, г/л.

    = 5, 5246 10-4 кг/ч

б) Определение количества растворителя, уносимого с кислородом

    где - количество образовавшегося кислорода, кг/ч.
    = 2, 7623 10-4 кг/ч
    Таким образом суммарный расход воды на электролиз:
    =0, 0503 кг/ч
    Энергетический баланс электрофлотатора.
    Общая формула для расчета напряжения на электрофлотаторе:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5