Электроды для электролиза воды

Электроды для электролиза воды

Владельцы патента RU 2282679:

Изобретение относится к материалам для изготовления электродов, используемых при электролизе жидкости, преимущественно питьевой воды. Материал содержит порошкообразный кремний, порошкообразный графит и связующее при следующем соотношении компонентов, мас.%: порошкообразный графит — 20-79, порошкообразный кремний — 79-20, связующее — остальное. Технический эффект — улучшение качества обработки питьевой воды разного состава и обеспечение насыщения ее ионами кремния, что благоприятно сказывается на здоровье человека. 1 табл.

Изобретение относится к электрохимической технологии обработки жидкой среды и касается материала для изготовления электродов электролизера с целью получения экологически чистых растворов, которые могут быть использованы в здравоохранении. промышленности и сельском хозяйстве.

Известны электроды электролизера, изготовленные из нержавеющей стали (см. Маловичко А. "Очищение почек". Санкт-Петербург, ТОО "Респкс", 1998, С.183).

Недостатком данного материала является то, что анод из стали растворяется. В результате жидкость насыщается ионами железа, хрома и др. и как следствие этого ухудшается качество жидкости, особенно питьевой воды.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является материал для изготовления электродов электролизера, содержащий углерод (см. патент РФ на полезную модель №43542, кл. С 02 F 1/46, 27.01.2005 г.).

Этот материал является экологически чистым и не загрязняет жидкость вредными примесями, особенно если такая жидкость используется в качестве питьевой воды. Недостатком данного материала является то, что в процессе электролиза происходит его разрушение на молекулярном уровне. Продукты разрушения попадают в жидкость, загрязняют ее и делают темной.

Другим серьезным недостатком прототипа является активное разрушение анода, в результате чего сокращается срок его работы.

Технической задачей изобретения является повышение эксплуатационных качеств материала за счет снижения степени его разрушения и уменьшение загрязнения обрабатываемой в электролизе жидкости.

Поставленная техническая задача достигается тем, что материал для изготовления электродов электролизера, содержащий углерод, согласно изобретению дополнительно содержит порошкообразный кремний и связующее, а в качестве углерода — порошкообразный графит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Порошкообразный графит 20-79
Порошкообразный кремний 79-20
Связующее остальное

В качестве связующего может быть взят чистый крахмал, подсолнечное масло и др. экологически чистые вещества подобного назначения.

Данный материал может быть получен следующим образом.

Берут порошкообразный кремний или его разновидность — порошкообразный карбид кремния, графит в соответствующих пропорциях и связующее. Вся смесь тщательно перемешивается. Из этой смеси формуют методом прессования электроды (аноды, а в ряде случаев и катоды) и спекают их в печи при температуре 1800-2100°С.

При изготовлении материала и выборе ингредиентов исходят из следующего:

Так как материал применяется для изготовления электродов электролизера, то учитывается его электрохимическая стойкость (количество циклов электроактивации воды), электрическое сопротивление, минерализация или солесодержание обрабатываемой воды и степень насыщения воды ионами кремния. При этом учитывали, что с повышением содержания углерода в материале снижается электрическое сопротивление электрода и уменьшается электрохимическая стойкость электродов (анодов). Также при этом уменьшается насыщение воды ионами кремния. Такой материал наиболее подходит для воды с увеличенным солесодержанием — более 1000 мг/л. Материал с повышенным содержанием кремния и пониженным содержанием углерода имеет повышенное электрическое сопротивление, но высокую электрохимическую стойкость. В этом случае вода больше насыщается ионами кремния. Данный материал целесообразнее применять для вод со слабой минерализацией.

Сказанное подтверждается нижеприведенными примерами.

Материал готовили из 20 мас.% порошкообразного кремния и 79 мас.% порошкообразного графита. В качестве связующего использовали пищевой крахмал. Электрическое сопротивление материала не превышало 10 Ом, электрохимическая стойкость составила 1470 циклов. Содержание ионов кремния в воде составило 5,1 мг/л. Наиболее целесообразно применять такие электроды для воды с минерализацией больше 1000 мг/л.

Материал готовили из 50 мас.% порошкообразного кремния, 49 мас.% порошкообразного графита и 1 мас.% подсолнечного масла. По результатам испытаний стойкость электродов, изготовленных из этого материала, составила 1820 циклов, а электрическое сопротивление — 10-30 Ом. Содержание ионов кремния в воде составило 6,5 мг/л. Данные электроды могут быть использованы при обработке питьевой воды с минерализацией 500-1000 мг/л.

Материал готовили из порошкообразных веществ — 20 мас.% графита и 79 мас.% кремния и связующего — пищевого крахмала 1 мас.%. Из данного материала были изготовлены аноды для электролизеров питьевой воды. По результатам испытаний электрохимическая стойкость этого материала составила не менее 2500 циклов электроактивации воды (см. табл.1). Электрическое сопротивление этого материала составило 30-50 Ом. Данные электроды могут быть применены при обработке питьевой воды (или других жидкостей) с минерализацией не больше 500 мг/л. Максимальное содержание ионов кремния в воде составило 8,2 мг/л.

Оптимальный состав материала установлен в ходе длительных испытаний. Результаты испытаний обобщены и приведены в таблице 1.

Использование предлагаемого материала позволяет улучшить качество обработки питьевой воды разного состава и обеспечить насыщение ее ионами кремния. Это благоприятно сказывается на здоровье человека.

Таблица 1
п/п Содержание инград., мас.% Эл. хим. стойкость, кол. циклов Электр. сопр-е, Ом Минер-ция воды, мг/л Содерж. Si в воде, мг/л
Si С
1. 20 79 1500 5-10 Больше 5,1
2. 50 49 1800 10-30 500/1000 6,5
3. 70 20 2500 30-50 Меньше 8,2
Читайте также:  Что такое prime на амазоне

Материал для изготовления электродов электролизера, содержащий углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит порошкообразный кремний и связующее, а в качестве углерода — порошкообразный графит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Владельцы патента RU 2282679:

Изобретение относится к материалам для изготовления электродов, используемых при электролизе жидкости, преимущественно питьевой воды. Материал содержит порошкообразный кремний, порошкообразный графит и связующее при следующем соотношении компонентов, мас.%: порошкообразный графит — 20-79, порошкообразный кремний — 79-20, связующее — остальное. Технический эффект — улучшение качества обработки питьевой воды разного состава и обеспечение насыщения ее ионами кремния, что благоприятно сказывается на здоровье человека. 1 табл.

Изобретение относится к электрохимической технологии обработки жидкой среды и касается материала для изготовления электродов электролизера с целью получения экологически чистых растворов, которые могут быть использованы в здравоохранении. промышленности и сельском хозяйстве.

Известны электроды электролизера, изготовленные из нержавеющей стали (см. Маловичко А. "Очищение почек". Санкт-Петербург, ТОО "Респкс", 1998, С.183).

Недостатком данного материала является то, что анод из стали растворяется. В результате жидкость насыщается ионами железа, хрома и др. и как следствие этого ухудшается качество жидкости, особенно питьевой воды.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является материал для изготовления электродов электролизера, содержащий углерод (см. патент РФ на полезную модель №43542, кл. С 02 F 1/46, 27.01.2005 г.).

Этот материал является экологически чистым и не загрязняет жидкость вредными примесями, особенно если такая жидкость используется в качестве питьевой воды. Недостатком данного материала является то, что в процессе электролиза происходит его разрушение на молекулярном уровне. Продукты разрушения попадают в жидкость, загрязняют ее и делают темной.

Другим серьезным недостатком прототипа является активное разрушение анода, в результате чего сокращается срок его работы.

Технической задачей изобретения является повышение эксплуатационных качеств материала за счет снижения степени его разрушения и уменьшение загрязнения обрабатываемой в электролизе жидкости.

Поставленная техническая задача достигается тем, что материал для изготовления электродов электролизера, содержащий углерод, согласно изобретению дополнительно содержит порошкообразный кремний и связующее, а в качестве углерода — порошкообразный графит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Порошкообразный графит 20-79
Порошкообразный кремний 79-20
Связующее остальное

В качестве связующего может быть взят чистый крахмал, подсолнечное масло и др. экологически чистые вещества подобного назначения.

Данный материал может быть получен следующим образом.

Берут порошкообразный кремний или его разновидность — порошкообразный карбид кремния, графит в соответствующих пропорциях и связующее. Вся смесь тщательно перемешивается. Из этой смеси формуют методом прессования электроды (аноды, а в ряде случаев и катоды) и спекают их в печи при температуре 1800-2100°С.

При изготовлении материала и выборе ингредиентов исходят из следующего:

Так как материал применяется для изготовления электродов электролизера, то учитывается его электрохимическая стойкость (количество циклов электроактивации воды), электрическое сопротивление, минерализация или солесодержание обрабатываемой воды и степень насыщения воды ионами кремния. При этом учитывали, что с повышением содержания углерода в материале снижается электрическое сопротивление электрода и уменьшается электрохимическая стойкость электродов (анодов). Также при этом уменьшается насыщение воды ионами кремния. Такой материал наиболее подходит для воды с увеличенным солесодержанием — более 1000 мг/л. Материал с повышенным содержанием кремния и пониженным содержанием углерода имеет повышенное электрическое сопротивление, но высокую электрохимическую стойкость. В этом случае вода больше насыщается ионами кремния. Данный материал целесообразнее применять для вод со слабой минерализацией.

Сказанное подтверждается нижеприведенными примерами.

Материал готовили из 20 мас.% порошкообразного кремния и 79 мас.% порошкообразного графита. В качестве связующего использовали пищевой крахмал. Электрическое сопротивление материала не превышало 10 Ом, электрохимическая стойкость составила 1470 циклов. Содержание ионов кремния в воде составило 5,1 мг/л. Наиболее целесообразно применять такие электроды для воды с минерализацией больше 1000 мг/л.

Материал готовили из 50 мас.% порошкообразного кремния, 49 мас.% порошкообразного графита и 1 мас.% подсолнечного масла. По результатам испытаний стойкость электродов, изготовленных из этого материала, составила 1820 циклов, а электрическое сопротивление — 10-30 Ом. Содержание ионов кремния в воде составило 6,5 мг/л. Данные электроды могут быть использованы при обработке питьевой воды с минерализацией 500-1000 мг/л.

Материал готовили из порошкообразных веществ — 20 мас.% графита и 79 мас.% кремния и связующего — пищевого крахмала 1 мас.%. Из данного материала были изготовлены аноды для электролизеров питьевой воды. По результатам испытаний электрохимическая стойкость этого материала составила не менее 2500 циклов электроактивации воды (см. табл.1). Электрическое сопротивление этого материала составило 30-50 Ом. Данные электроды могут быть применены при обработке питьевой воды (или других жидкостей) с минерализацией не больше 500 мг/л. Максимальное содержание ионов кремния в воде составило 8,2 мг/л.

Читайте также:  Как активировать интернет на мегафоне на телефоне

Оптимальный состав материала установлен в ходе длительных испытаний. Результаты испытаний обобщены и приведены в таблице 1.

Использование предлагаемого материала позволяет улучшить качество обработки питьевой воды разного состава и обеспечить насыщение ее ионами кремния. Это благоприятно сказывается на здоровье человека.

Таблица 1
п/п Содержание инград., мас.% Эл. хим. стойкость, кол. циклов Электр. сопр-е, Ом Минер-ция воды, мг/л Содерж. Si в воде, мг/л
Si С
1. 20 79 1500 5-10 Больше 5,1
2. 50 49 1800 10-30 500/1000 6,5
3. 70 20 2500 30-50 Меньше 8,2

Материал для изготовления электродов электролизера, содержащий углерод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит порошкообразный кремний и связующее, а в качестве углерода — порошкообразный графит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Подготовка к ЕГЭ по химии и олимпиадам

Химические реакции, сопровождающиеся переносом электронов (окислительно-восстановительные реакции) делятся на два типа: реакции, протекающие самопроизвольно и реакции, протекающие при прохождении тока через раствор или расплав электролита.

Раствор или расплав электролита помещают в специальную емкость — электролитическую ванну .

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц — ионов, электронов и др. под действием внешнего электрического поля. Электрическое поле в растворе или расплаве электролита создают электроды .

Электроды — это, как правило, стержни из материала, проводящего электрический ток. Их помещают в раствор или расплав электролита, и подключают к электрической цепи с источником питания.

При этом отрицательно заряженный электрод катод — притягивает положительно заряженные ионы — катионы . Положительно заряженный электрод ( анод ) притягивает отрицательно заряженные частицы ( анионы ). Катод выступает в качестве восстановителя, а анод — в качестве окислителя.

Различают электролиз с активными и инертными электродами. Активные (растворимые) электроды подвергаются химическим превращениям в процессе электролиза. Обычно их изготавливают из меди, никеля и других металлов. Инертные (нерастворимые) электроды химическим превращениям не подвергаются. Их изготавливают из неактивных металлов, например, платины , или графита .

Электролиз растворов

Различают электролиз раствора или расплава химического вещества. В растворе присутствует дополнительное химическое вещество — вода, которая может принимать участие в окислительно-восстановительных реакциях.

Катодные процессы

В растворе солей катод притягивает катионы металлов. Катионы металлов могут выступать в качестве окислителей. Окислительные способности ионов металлов различаются. Для оценки окислительно-восстановительных способностей металлов применяют электро-химический ряд напряжений :

Каждый металл характеризуется значением электрохимического потен-циала. Чем меньше потенциал , тем больше восстановительные свойства металла и тем меньше окислительные свойства соответствующего иона этого металла. Разным ионам соответствуют разные значения этого потенциала. Электрохимический потенциал — относительная величина. Электрохимический потенциал водорода принят равным нулю.

Также около катода находятся молекулы воды Н2О. В составе воды есть окислитель — ион H + .

При электролизе растворов солей на катоде наблюдаются следующие закономерности:

1. Если металл в соли — активный ( до Al 3+ включительно в ряду напряжений ), то вместо металла на катоде восстанавливается (разряжается) водород , т.к. потенциал водорода намного больше. Протекает процесс восстановления молекулярного водорода из воды, при этом образуются ионы OH — , среда возле катода — щелочная:

2H2O +2ē → H2 + 2OH —

Например , при электролизе раствора хлорида натрия на катоде будет вос-станавливаться только водород из воды.

2. Если металл в соли – средней активности (между Al 3+ и Н + ) , то на катоде восстанавливается (разряжается) и металл , и водород , так как потенциал таких металлов сравним с потенциалом водорода:

Me n+ + nē → Me 0

2 H + 2O +2ē → H2 0 + 2OH —

Например , при электролизе раствора сульфата железа (II) на катоде будет восстанавливаться (разряжаться) и железо, и водород:

Fe 2+ + 2ē → Fe 0

2 H + 2O +2ē → H2 0 + 2OH —

3. Если металл в соли — неактивный (после водорода в ряду стандартных электрохимических металлов) , то ион такого металла является более сильным окислителем, чем ион водорода, и на катоде восстанавливается только металл:

Me n+ + nē → Me 0

Например, при электролизе раствора сульфата меди (II) на катоде будет восстанавливаться медь:

Cu 2+ + 2ē → Cu 0

4. Если на катод попадают катионы водорода H + , то они и восстанавливаются до молекулярного водорода:

2H + + 2ē → H2 0

Анодные процессы

Положительно заряженный анод притягивает анионы и молекулы воды. Анод – окислитель. В качестве восстановителей выступаю либо анионы кислотных остаток, либо молекулы воды (за счет кислорода в степени окисления -2: H 2 O -2 ).

При электролизе растворов солей на аноде наблюдаются следующие закономерности:

1. Если на анод попадает бескислородный кислотный остаток , то он окисляется до свободного состояния (до степени окисления 0):

неМе n- – nē = неМе 0

Например : при электролизе раствора хлорида натрия на аноде окисляют-ся хлорид-ионы:

2Cl — – 2ē = Cl2 0

Действительно, если вспомнить Периодический закон: при увеличении электроотрицательности неметалла его восстановительные свойства уменьшаются. А кислород – второй по величине электроотрицательности элемент. Таким образом, проще окислить практически любой неметалл, а не кислород. Правда, есть одно исключение . Наверное, вы уже догадались. Конечно же, это фтор. Ведь электроотрицательность фтора больше, чем у кислорода. Таким образом, при электролизе растворов фторидов окисляться будут именно молекулы воды, а не фторид-ионы :

Читайте также:  Коробка передач logitech g25

2H2 O -2 – 4ē → O2 0 + 4H +

2. Если на анод попадает кислородсодержащий кислотный остаток, либо фторид-ион , то окислению подвергается вода с выделением молекулярно-го кислорода:

2H2 O -2 – 4ē → O2 0 + 4H +

3. Если на анод попадает гидроксид-ион, то он окисляется и происходит выделение молекулярного кислорода:

4 O -2 H – – 4ē → O2 0 + 2H2O

4. При электролизе растворов солей карбоновых кислот окислению под-вергается атом углерода карбоксильной группы, выделяется углекислый газ и соответствующий алкан.

Например , при электролизе растворов ацетатов выделяется углекислый газ и этан:

2 CH3 C +3 OO – –2ē → 2 C +4 O2+ CH3-CH3

Суммарные процессы электролиза

Рассмотрим электролиз растворов различных солей.

Например , электролиз раствора сульфата меди. На катоде восстанавливаются ионы меди:

Катод (–): Cu 2+ + 2ē → Cu 0

На аноде окисляются молекулы воды:

Анод (+): 2H2 O -2 – 4ē → O2 + 4H +

Сульфат-ионы в процессе не участвуют. Мы их запишем в итоговом уравнении с ионами водорода в виде серной кислоты:

2 Cu 2+ SO4 + 2H2 O -2 → 2 Cu 0 + 2H2SO4 + O2 0

Электролиз раствора хлорида натрия выглядит так:

На катоде восстанавливается водород:

Катод (–): 2 H + 2O +2ē → H2 0 + 2OH –

На аноде окисляются хлорид-ионы:

Анод (+): 2 Cl – – 2ē → Cl2 0

Ионы натрия в процессе электролиза не участвуют. Мы записываем их с гидроксид-анионами в суммарном уравнении электролиза раствора хлорида натрия :

2 H + 2O +2Na Cl – → H2 0 + 2NaOH + Cl2 0

Следующий пример : электролиз водного раствора карбоната калия.

На катоде восстанавливается водород из воды:

Катод (–): 2 H + 2O +2ē → H2 0 + 2OH –

На аноде окисляются молекулы воды до молекулярного кислорода:

Анод (+): 2H2 O -2 – 4ē → O2 0 + 4H +

Таким образом, при электролизе раствора карбоната калия ионы калия и карбонат-ионы в процессе не участвуют. Происходит электролиз воды:

2 H2 + O -2 → 2 H2 0 + O2 0

Еще один пример : электролиз водного раствора хлорида меди (II).

На катоде восстанавливается медь:

Катод (–): Cu 2+ + 2ē → Cu 0

На аноде окисляются хлорид-ионы до молекулярного хлора:

Анод (+): 2 Cl – – 2ē → Cl2 0

Таким образом, при электролизе раствора карбоната калия происходит электролиз воды:

Cu 2+ Cl2 – → Cu 0 + Cl2 0

Еще несколько примеров: электролиз раствора гидроксида натрия.

На катоде восстанавливается водород из воды:

Катод (–): 2 H + 2O +2ē → H2 0 + 2OH –

На аноде окисляются гидроксид-ионы до молекулярного кислорода:

Анод (+): 4 O -2 H – – 4ē → O2 0 + 2H2O

Таким образом, при электролизе раствора гидроксида натрия происходит разложение воды, катионы натрия в процессе не участвуют:

2 H2 + O -2 → 2 H2 0 + O2 0

Электролиз расплавов

При электролизе расплава на аноде окисляются анионы кислотных остатков, а на катоде восстанавливаются катионы металлов. Молекул воды в системе нет.

Например: электролиз расплава хлорида натрия. На катоде восстанавли-ваются катионы натрия:

Катод (–): Na + + ē → Na 0

На аноде окисляются анионы хлора:

Анод (+): 2 Cl – – 2ē → Cl2 0

Суммарное уравнение электролиза расплава хлорида натрия:

2 Na + Cl → 2 Na 0 + Cl2 0

Еще один пример: электролиз расплава гидроксида натрия. На катоде восстанавливаются катионы натрия:

Катод (–): Na + + ē → Na 0

На аноде окисляются гидроксид-ионы:

Анод (+): 4 OH – – 4ē → O2 0 + 2H2O

Суммарное уравнение электролиза расплава гидроксида натрия:

4 Na + OH → 4 Na 0 + O2 0 + 2H2O

Многие металлы получают в промышленности электролизом расплавов.

Например , алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия в расплаве криолита. Криолит – Na3[AlF6] плавится при более низкой температуре (1100 о С), чем оксид алюминия (2050 о С). А оксид алюминия отлично растворяется в расплавленном криолите.

В растворе криолите оксид алюминия диссоциирует на ионы:

На катоде восстанавливаются катионы алюминия:

Катод (–): Al 3+ + 3ē → Al 0

На аноде окисляются алюминат-ионы:

Анод (+): 4Al O 3 3 – – 12ē → 2Al2O3 + 3 O2 0

Общее уравнение электролиза раствора оксида алюминия в расплаве криолита:

2 Al 2 О 3 = 4 Al 0 + 3 О 2 0

В промышленности при электролизе оксида алюминия в качестве электродов используют графитовые стержни. При этом электроды частично окисляются (сгорают) в выделяющемся кислороде:

C 0 + О2 0 = C +4 O2 -2

Электролиз с растворимыми электродами

Если материал электродов выполнен из того же металла, который присут-ствует в растворе в виде соли, или из более активного металла, то на аноде разряжаются не молекулы воды или анионы, а окисляются частицы самого металла в составе электрода.

Например , рассмотрим электролиз раствора сульфата меди (II) с медными электродами.

На катоде разряжаются ионы меди из раствора:

Катод (–): Cu 2+ + 2ē → Cu 0

На аноде окисляются частицы меди из электрода :

Анод (+): Cu 0 – 2ē → Cu 2+

Ссылка на основную публикацию
Что такое адрес сервера на телефоне
Блог о модемах, роутерах и gpon ont терминалах. Частенько пользователи планшетов и смартфонов на Андроид сталкиваются с тем, что подключившись...
Что значит загрузочная флешка
Что такое загрузочная флешка / 8 способов создать загрузочную флешку Что такое загрузочная флешка / 8 способов создать загрузочную флешку...
Что значит заблокировать сообщение в телефоне
Текстовые сообщения очень удобны – ведь с их помощью вы можете получить информацию от другого абонента даже в тот момент,...
Что такое аккумулятор слайдер
Кроме достоинств, у литий-ионных аккумуляторов имеется немало минусов: Не выносят перезаряда. Подача тока на элемент питания должна быть прекращена, когда...
Adblock detector