半斤和八两哪个重:电解 - 大将军王电厂化学的日志 - 网易博客

电解

水化学基本知识 2009-05-30 17:11:42 阅读125 评论0 字号：大中小

电解质溶液在电流的作用下，发生电化学反应的过程称为电解。在电解过程中，溶液与电源的正负极接触部分同时发生氧化还原反应。当对某些废水进行电解时，废水中的有毒物质在阳极失去电子(或在阴极得到电子)而被氧化(或还原)成新的产物。这些新产物可能沉淀在电极表面或沉淀到反应槽底部，也有的情况下会形成气体逸出，从而降低了废水中有毒物质的浓度。这种利用电解的原理来处理某些废水的方法，就是废水处理中的电解法工艺。

(一)法拉第电解定律

实验证明，电解时电极上析出或溶解的物质质量与通过的电量成正比，且每通过96500C电量，在电极上发生任一电极反应而改变的物质质量均为1mol，这一规律称为法拉第电解定律，是1834年由英国人法拉第(Faraday)提出的。在电解的实际操作中，由于存在某些副反应，所以实际消耗的电量比上式计算的理论值大得多。

(二)分解电压与极化现象

电解过程中，当外加电压很小时，电解槽几乎没有电流通过和没有电解现象，电渐增加，电流十分缓慢地略有增加，当电压逐渐升到某一数值后，电流随电压增加几乎呈直线急剧增高，此时电解槽中的两极上才会出现明显的电解现象，电解过程随之开始。这种开始发生电解所需的最小外加电压称分解电压。存在分解电压的原因，首先是电解槽本身就是某种原电池，该原电池的电动势(由阳极指向阴极)与外加电压的电动势(由正极指向负极)方向正好相反，所以外加电压必须首先克服电解槽的这一反电动势。然而即使外加电压克服反电动势时，电解也不会发生，也就是说，分解电压常常比电解槽的反电动势大。这种分解电压超过电解槽反电动势的现象称为极化现象。

产生极化现象的原因主要有：

(1)浓差极化 电解时，离子的扩散运动不能立即完成，在靠近电极的薄层溶液内的离子浓度与主液体内的浓度不同，结果产生浓差电池．其电位差也与外加电压的方向相反，这种现象称浓差极化。浓差极化现象可采用搅拌使之减弱，但无法完全消除。

(2)化学极化 电解时在两极形成的产物也构成某种原电池，此原电池电位差与外加电压方向也相反，这就是化学极化现象。

(3)电解槽的内阻 电解槽中废水所含离子的运动会受到一定阻力，需要一定的外加电压予以克服。

此外，分解电压还与电极的性质、废水性质、电流密度(单位电极面积上流过的电流强度)以及温度等因素有关。

(一)电解法处理电镀废水

采用电解法处理电镀废水中的金属离子及氰化物的工程实例很多，其中含铬电镀废水的电解法最为成熟。处理设备的阳极和阴极均采用钢板，其反应方程式如下：

上述反应进行的同时，在阴极除氢离子获得电子生成氢外，废水中的六价铬还直接还原为三价格，其反应式为：

从上述反应中可以看出，随电解过程的进行，废水中的氢离子浓度越来越少，结果使废水碱性增强，在碱性条件下三价铬和三价铁都将形成氢氧化物沉淀：

在电解过程中，从阳极腐蚀严重可以知道，阳极溶解的Fe2＋是还原Cr6＋为Cr3＋的主体，因此，采用铁阳极在酸性条件下电解将有利于提高含铬废水电解的效率。但是阳极在产生Fe2＋的同时，要消耗H＋，使OH－相对浓度增大，造成OH－在阳极抢先放出电子形成氧，此初生态氮将氧化铁板而形成钝化层膜，这种钝化膜吸附一层棕褐色吸附层,主要是Fe(OH)3 而妨碍铁板继续溶解成Fe2＋，最终影响电解处理效果。 其反应式可表示为：

不溶性钝化膜的主要成分就是Fe2O3·FeO。为减小阳极钝化，可采取以下措施。

(1)定期用钢丝刷刷洗阳极。

(2)定期将阴、阳极换极使用。

(3)可投加 NaCI溶液。投加 NaCl不仅可减小内阻，节省能耗，而且 CI-在阳极失去电子时形成的Cl2。可取代钝化膜中之氧，生成可溶性的氯化铁而破坏钝化膜。

电解法处理含铭废水的工艺流程图如下所示，该工艺可以是间歇运行也可以连续运行。图中调节池的功能是调节含铬废水的水量和均化水质，以保证电解效果的稳定。

(二)电解法处理回用电子线路制板腐蚀液

随着电子工业的迅猛发展，电子线路板的使用量越来越大。在电子线路板的制版生产工艺中，通常都采用三氯化铁腐蚀法，按照设计要求，将版面上的铜复盖层不需要的部分腐蚀掉，保留下来的就成为所需的线路。

通常生产中配制的三氯化铁初始浓度一般在十几g／L，随着反应的进行，当腐蚀槽中三氯化铁的浓度降至3－4g／L时，由于反应产物浓度升高，抑制反应继续进行，这时就需要全部或部分排掉。废腐蚀液中含有残留的三氯化铁、大量的铜离子、亚铁离子及其他辅剂，该废液浓度很高，必须进行妥善处理。

采用隔膜电解法对上述制版废液进行处理是一种非常理想的工艺。

由于三氯化铁具有较强的腐蚀性，所以处理中需要采用石墨电极或钛涂钌电极。在阴极可以得到品质优良的电解铜。而废液经电解后三氯化铁的浓度可以恢复到 7－8 g／L，完全可返回腐蚀槽重复使用，这样就大大节省了药剂费用。这项处理工艺不仅能解决腐蚀液的污染问题，而且还能得到非常可观的经济效益。

(三)电絮凝(气浮)处理工艺

电絮凝或电气浮是近年来出现在水处理方面的新工艺。其原理是将废水作为可电解的介质，通过正负电极导以电流进行电解，这时可能将产生三方面的作用：第一，当采用铁板或铝板作为阳极时，则铁或铝失去电子后将逐步溶解在水中成为铁或铝离子，并与水中的氢氧根结合起到混凝作用，有效地去除废水中的悬浮物与胶体杂质；第二，在电解过程中，阴极和阳极还会不断地产生H2和O2气体，有时还会产生其他气体(例如电解法处理含氰废水时会产生 CO2和 N2气体等)，这些气体以微小气泡形式逸出，可以起到类似气浮中的溶气作用，使废水中的微粒杂质附着在气泡上浮至水面，而后成为较易去除的浮渣得以去除；第三，重金属离子及其他一些污染物将直接被电解氧化还原成重金属或其他一些无害的或沉淀的物质得到去除。大多数情况下，使用电絮凝或电气浮工艺中会同时产生以上三种效应。在实际使用中，可以根据处理的废水水质和希望去除的主要污染物目标而人为地强化以上三种效应中的某一种或两种。例如某些印染废水处理工程中，希望加强混凝作用时，这时采用铁板或铝板作为阳极效果很好；而当希望加强气浮作用时，则应选用惰性材料电极，如石墨、不锈钢及钛电极等。国内某炼油厂采用电气浮法处理含乳化油废水取得良好的试验结果。采用碳电极，电压10V，处理时间10～15min，进水乳化油150～300mg／L，处理后除油率可达96％～97％。同时投加聚合铝 13 mg／L时，除油效果可达98.7％～99.7％。

(一)电解槽

电解槽多为矩形，按废水流动方式分为回流式和翻腾式，如下图所示。回流式水流流程长，离子易于向水中扩散，容积利用率高；但施工和检修较困难。翻腾式的极板采用悬挂方式固定，极板与池壁不接触而减少了漏电的可能，更换极板也较方便。极板间距应适当，一般约为30～40mm，过大则电压要求高，电耗大；过小不仅安装不便，而且极板材料耗量高。所以极板间距应综合考虑多种因素确定。

(1)回流式电解槽

(2)翻腾式电解槽

电解需要直流电源，整流设备可根据电解所需要的总电流和总电压选用。

(二)极板电路

极板电路有两种：单极板电路和双极板电路，如图所示。生产上双极板电路应用较普遍，因为双极板电路极板腐蚀均匀，相邻极板接触的机会少，即使接触也不致发生电路短路而引起事故，因此双极板电路便于缩小极板间距，提高极板有效利用率，减小投资和节省运行费用等。

(1)采用电解法处理电镀废水应用的实例比较多。由于电镀废水的水量一般较小，所处理设备经常可以采用聚氯乙烯塑料相制作，运行中可以连续运行，也可以根据水量情况取间接运行。电解槽结构如图所示。

电解槽中空气管的目的是供给空气进行搅拌，以增加铁离子与六价格离子的碰撞机会以加速六价铬的还原速度，同时也为防止电解槽内氢氧化物的沉淀。一般空气用量为0．2－0.3m3／(m3·min)，空气压力可采用 96-98kPa。为增加废水导电能力，减少电能消耗和用氯离子去除极板上的钝化膜，需向电解槽中投加食盐(NaCI)，投量一般为l-2g/L。电解槽的重要运行参数是极水比，即浸入水中的有效极板面积与槽中有效水容积(有电流通过的废水体积)之比，此值取决于极板距，在总电流强度一定的条件下，极水比大(极板距小)时，放电面积大，电流密度小，超电势也小，因而可提高电解的效率；但极水比过大，极板材料的耗量也会增加很多，所以极水比一般采用 2～3dm2／L。

流程中的沉淀地是用以分离在电解过程形成的Cr(OH)3和Fe(OH)3，电解处理过程中产生的含铬污泥含水率高，密度小，经24h沉淀后，含水率仍在99％左右，相对密度约为1.01。沉淀池的沉淀时间一般按1.5～2.0h设计。电解处理含铬废水操作简单，处理效果稳定，Cr6＋通常可降至0.1mg／L以下。

(2)在前些年研究开发的基础上，目前国内一些环保设备厂家已能够生产用于电镀废水处理的电解装置，及用于印染废水处理等所需的电絮凝装置。在设计这类工程时，一般可根据具体水质水量情况和处理要求予以选用。下图示出了另一处理电镀含氰、含铬废水处理的工艺流程图。

含铬废水中包括镀铬、钝化及电抛光槽排出的洗涤水。水量约6m3／h，含六价铬大于50mg／L。

含氰废水中包括氰化镀锌、氰化镀铝和氰化镀银等工艺的镀槽排水及洗涤水。水量约为3m3/h，含游离氰大于25mg/L。

该设计中采用了 GJH－01型含铬污水电解设备(处理水量6m3/h，直流电压36V，300A)和 QJH－01型合氰污水处理装置(处理水量 6m3/h，直流电压36V，300A)。经过多年运行，废水经过处理后，六价铭和游离氰浓度均低于0.5mg/L，达到国家规定的排放标准。