سعی بر آن است که مطالب مرجع تخصصی آب و فاضلاب شامل مسایل ، مقالات و اخبار عمران آب و فاضلاب,آب و فاضلاب و به صورت تخصصی فرآیند های تصفیه آب و فاضلاب،مهندسی آب و فاضلاب و صنعت آب و فاضلاب باشد.
دانشنامه آنلاین آب و فاضلاب
رشته های مرتبط:مهندسی عمران آب و فاضلاب،مهندسی تکنولوژی آب و فاضلاب،مهندسی آب و فاضلاب،محیط زیست،مهندسی بهداشت محیط،مهندسی آب،مهندسی شیمی و...
امیرحسین ستوده بیدختی
,.
الکترولیز
۱۳۹۰/۰۴/۱۴
16:33
|
الکترولیز آب
● تاریخچه برای اولین بار در سال ۱۸۰۰، آب بوسیله کارلسیل و نیکولسن ، الکترولیز شد که منجر به آزاد شدن هیدروژن در کاتد و اکسیژن در آند شد.
● الکترولیز آب خالص در الکترولیز آب خالص ، از آنجا که آب خالص رسانا نیست، می‌بایستی الکترولیتی به آن اضافه کرد که نه آنیون آن قادر به ترکیب شدن با الکترودها باشد و نه کاتیون آن. برای این منظور ، می‌توان خواه از یک اسید مثلا اسید سولفوریک (H۲SO۴) ، خواه یک باز ، مانند هیدروکسید سدیم (NaOH) ، و حتی یک نمک (Na۲SO۴) استفاده کرد. برعکس ، به‌علت آزاد شدن کلر آندی ، شایسته است که از مصرف کلریدها خودداری شود.
● اختلاف پتانسیل لازم برای الکترولیز آب اصولا ، اختلاف پتانسیل لازم برای تجزیه آب ، چیزی جز اختلاف پتانسیل الکتریکی یک الکترود اکسیژنی و یک الکترود هیدروژنی نیست که در PH برابر ۱.۲۳ ولت است. در عمل ، بایستی اضافه پتانسیل الکتریکی آندی و کاتدی را که موجب افزایش اختلاف پتانسیل تحمیلی و بنابراین مصرف انرژی می‌شود، به حساب آورد. الکترودهای لازم برای الکترولیز آب و اختلاف پتانسیل نتیجه شده این اضافه پتانسیلهای الکتریکی ، بستگی اندکی به نوع الکترولیت انتخاب شده دارند، اما به‌شدت به ماهیت الکترودها وابسته‌اند. بهترین نتایج را می‌توان با کاتد پلاتینی و آند نیکلی بدست آورد. اما بدلیل قیمت بسیار بالای چنین وسایلی و نظر به برتری اندکی که نتیجه می‌شود، در صنعت ترجیح داده می‌شود تا با الکترودهای آهنی در محلول سود یا پتاس سوزان کار کنند. [بزرگ‌نمایی تصویر] بنابراین ، اختلاف پتانسیل حداقل الکترولیز در حدود ۱.۷ ولت است. بایستی افت اهمی پتانسیل الکتریکی در حمام را به آن اضافه کرد. با وجود دیافراگم ، مقدار افت بیشتر می‌شود. در مجموع ، اختلاف پتانسیل حقیقی ، اندکی بیشتر از ۲ ولت است.
● چگونگی بدست آوردن گازهای خالص برای بدست آوردن گازهای خالص ، بایستی قسمتهای آندی و کاتدی را از یکدیگر جدا کرد. برای این منظور ، خواه از یک ظرف استوانه‌ای شیشه‌ای که کاتد را احاطه می‌کند و خواه از یک دیافراگم آزبستی استفاده می‌شود. لیکن ، گاز خالص بدست آمده نسبی است و هر یک از گازهای اکسیژن و هیدروژن می‌توانند تا ۲ الی ۳ درصد از دیگری را در خود داشته باشند، ولی عمل پالایش شیمیایی بعدی آسان است..
اصول رسانش الکترولیتی
این اصول رسانش الکترولیتی با بررسی الکترولیز NaCl مذاب بین الکترودهای بی‌اثر بهتر متصور می‌گردد. منبع جریان ، الکترونها را به الکترود سمت چپ می‌راند. بنابراین ، می‌توان گفت که این الکترود ، بار منفی پیدا می‌کند. این الکترونها ، از الکترود مثبت سمت راست کشیده می‌شوند. در میدان الکتریکی که بدین ترتیب بوجود می‌آید، یونهای سدیم ( کاتیونها ) به طرف قطب منفی ( کاتد ) و یونهای کلرید ( آنیونها ) به طرف قطب مثبت ( آند ) جذب می‌شوند.
در رسانش الکترولیتی ، بار الکتریکی بوسیله کاتیونها که به طرف کاتد و بوسیله آنیونها که در جهت عکس ، به طرف آند حرکت می‌کنند، حمل می‌شود. برای آنکه یک مدار کامل تشکیل شود، حرکت یونها باید با واکنشهای الکترودی همراه باشد. در کاتد ، اجزای شیمیایی معینی ( که لازم نیست حتما حامل بار باشند ) باید الکترونها را بپذیرند و کاهیده شوند و در آند ، الکترونها باید از اجزای شیمیایی معینی جدا شده ، در نتیجه آن اجزا اکسید شوند.
یونهای سدیم در کاتد کاهیده می‌شوند:
● تاریخچه برای اولین بار در سال ۱۸۰۰، آب بوسیله کارلسیل و نیکولسن ، الکترولیز شد که منجر به آزاد شدن هیدروژن در کاتد و اکسیژن در آند شد.
● الکترولیز آب خالص در الکترولیز آب خالص ، از آنجا که آب خالص رسانا نیست، می‌بایستی الکترولیتی به آن اضافه کرد که نه آنیون آن قادر به ترکیب شدن با الکترودها باشد و نه کاتیون آن. برای این منظور ، می‌توان خواه از یک اسید مثلا اسید سولفوریک (H۲SO۴) ، خواه یک باز ، مانند هیدروکسید سدیم (NaOH) ، و حتی یک نمک (Na۲SO۴) استفاده کرد. برعکس ، به‌علت آزاد شدن کلر آندی ، شایسته است که از مصرف کلریدها خودداری شود.
● اختلاف پتانسیل لازم برای الکترولیز آب اصولا ، اختلاف پتانسیل لازم برای تجزیه آب ، چیزی جز اختلاف پتانسیل الکتریکی یک الکترود اکسیژنی و یک الکترود هیدروژنی نیست که در PH برابر ۱.۲۳ ولت است. در عمل ، بایستی اضافه پتانسیل الکتریکی آندی و کاتدی را که موجب افزایش اختلاف پتانسیل تحمیلی و بنابراین مصرف انرژی می‌شود، به حساب آورد. الکترودهای لازم برای الکترولیز آب و اختلاف پتانسیل نتیجه شده این اضافه پتانسیلهای الکتریکی ، بستگی اندکی به نوع الکترولیت انتخاب شده دارند، اما به‌شدت به ماهیت الکترودها وابسته‌اند. بهترین نتایج را می‌توان با کاتد پلاتینی و آند نیکلی بدست آورد. اما بدلیل قیمت بسیار بالای چنین وسایلی و نظر به برتری اندکی که نتیجه می‌شود، در صنعت ترجیح داده می‌شود تا با الکترودهای آهنی در محلول سود یا پتاس سوزان کار کنند. [بزرگ‌نمایی تصویر] بنابراین ، اختلاف پتانسیل حداقل الکترولیز در حدود ۱.۷ ولت است. بایستی افت اهمی پتانسیل الکتریکی در حمام را به آن اضافه کرد. با وجود دیافراگم ، مقدار افت بیشتر می‌شود. در مجموع ، اختلاف پتانسیل حقیقی ، اندکی بیشتر از ۲ ولت است.
● چگونگی بدست آوردن گازهای خالص برای بدست آوردن گازهای خالص ، بایستی قسمتهای آندی و کاتدی را از یکدیگر جدا کرد. برای این منظور ، خواه از یک ظرف استوانه‌ای شیشه‌ای که کاتد را احاطه می‌کند و خواه از یک دیافراگم آزبستی استفاده می‌شود. لیکن ، گاز خالص بدست آمده نسبی است و هر یک از گازهای اکسیژن و هیدروژن می‌توانند تا ۲ الی ۳ درصد از دیگری را در خود داشته باشند، ولی عمل پالایش شیمیایی بعدی آسان است..
● انرژی لازم برای الکترولیز آب مصرف انرژی در حدود ۶ کیلووات ساعت (KWh) ، برای بدست آوردن یک متر مکعب هیدروژن و نیم متر مکعب اکسیژن ، مقدار زیادی است و علاوه بر آن ، اکسیژن غالبا محل فروش هم ندارد. بدین ترتیب ، این روش اغلب در مناطقی که دارای انرژی الکتریکی فراوان هستند (نروژ) و بویژه به‌منظور تهیه هیدروژن متراکم که در سیلندر به فروش می‌رسد، استفاده می‌شوند. اما این هیدروژن بخش اندکی از کل گاز هیدروژن تولید شده است. اما با این وجود ، دستگاههای الکترولیز در فرانسه یا به منظور ایجاد موازنه تولید یا برای استفاده از کارخانجات مخصوص که هیدروژن خالص را به‌عنوان کاهنده بکار می‌برند، بکار برده می‌شوند. در این قبیل موارد ، اغلب اکسیژن در فضا رها می‌شود.
رسانایی الکترولیتی هنگامی صورت می‌گیرد که یونهای الکترولیت بتوانند آزادانه حرکت کنند، چون در این مورد ، یونها هستند که بار الکتریکی را حمل می‌کنند. به همین دلیل است که رسانش الکترولیتی ، اساسا توسط نمکهای مذاب و محلولهای آبی الکترولیتها صورت می‌گیرد. علاوه بر این ، برای تداوم جریان در یک رسانای الکترولیتی ، لازم است که حرکت یونها با تغییر شیمیایی همراه باشد.
اصول رسانش الکترولیتی
این اصول رسانش الکترولیتی با بررسی الکترولیز NaCl مذاب بین الکترودهای بی‌اثر بهتر متصور می‌گردد. منبع جریان ، الکترونها را به الکترود سمت چپ می‌راند. بنابراین ، می‌توان گفت که این الکترود ، بار منفی پیدا می‌کند. این الکترونها ، از الکترود مثبت سمت راست کشیده می‌شوند. در میدان الکتریکی که بدین ترتیب بوجود می‌آید، یونهای سدیم ( کاتیونها ) به طرف قطب منفی ( کاتد ) و یونهای کلرید ( آنیونها ) به طرف قطب مثبت ( آند ) جذب می‌شوند.
در رسانش الکترولیتی ، بار الکتریکی بوسیله کاتیونها که به طرف کاتد و بوسیله آنیونها که در جهت عکس ، به طرف آند حرکت می‌کنند، حمل می‌شود. برای آنکه یک مدار کامل تشکیل شود، حرکت یونها باید با واکنشهای الکترودی همراه باشد. در کاتد ، اجزای شیمیایی معینی ( که لازم نیست حتما حامل بار باشند ) باید الکترونها را بپذیرند و کاهیده شوند و در آند ، الکترونها باید از اجزای شیمیایی معینی جدا شده ، در نتیجه آن اجزا اکسید شوند.
یونهای سدیم در کاتد کاهیده می‌شوند:
Na+ + e→Na
یونهای کلرید در آند ، اکسید می‌شوند:
2Cl-→Cl2 + 2e
از جمع این دو معادله جزئی ، واکنش کلی سلول بدست می‌آید:
(2NaCl(l)→2Na(l) + Cl2(g
مسیر جریان الکترونها در الکترولیز
الکترونها از منبع جریان خارج شده ، به طرف کاتد روانه می‌شوند. در آنجا یونهای سدیمی که به طرف این الکترود منفی جذب شده‌اند، الکترونها را می‌گیرند و کاهیده می‌شوند. یونهای کلرید از کاتد دور و به آند کشیده می‌شوند و در نتیجه ، بار منفی را در این جهت حمل می‌کنند. در آند ، الکترونها از یونهای کلرید جدا شده ، بوسیله منبع جریان به طرف خارج سلول رانده می‌شوند، بدین طریق ، مدار کامل می‌شود. البته ، یونهای کلرید با از دست دادن الکترون اکسید شده ، به‌صورت گاز کلر درمی‌آیند.
عوامل موثر بر رسانش الکترولیتی
از آنچه گفته شد، مشخص می‌شود که رسانش الکترولیتی به تحرک یونها مربوطه می‌شود و هر چیز که این یونها را از حرکت باز دارد، موجب ایجاد مقاومت در برابر جریان می‌شود. عواملی که بر رسانش الکترولیتی محلولهای الکترولیت اثر دارند، عبارتند از: جاذبه‌های بین یونی ، حلالپوشی یونها و گرانروی حلال. این عوامل به‌ترتیب به جاذبه‌های بین ذرات ماده حل شده ، جاذبه‌های بین ذرات حلال و ماده حل شده و جاذبه‌های بین ذرات حلال مربوط می‌شوند.
انرژی جنبشی متوسط یونهای ماده حل شده با افزایش دما زیاد می‌شود. و بنابراین ، مقاومت رساناهای الکترولیتی به‌طور کلی با افزایش دما کاهش می‌یابد (یعنی رسانایی زیاد می‌شود). به‌علاوه ، اثر هر یک از سه عامل مذکور با زیاد شدن دما ، کم می‌شود.
باید توجه داشته باشیم که در هر زمان ، تمام قسمتهای محلول الکترولیت از نظر خنثی می‌ماند، زیرا بار مثبت کلی همه کاتیونها برابر با بار منفی همه آنیونها است.
استوکیومتری الکترولیز
روابط کمی میان الکتریسیته و تغییر شیمیایی برای نخستین بار در سالهای 1832 و 1833 بوسیله “مایکل فارادی” بیان شد. برای درک کار فارادی ، بهترین راه مراجعه به نیم واکنشهایی است که به هنگام عمل الکترولیز صورت می‌گیرد. به هنگام الکترولیز سدیم کلرید مذاب ، تغییر در کاتد:
Na+ + e→Na
نشان می‌دهد که برای تولید یک اتم سدیم ، یک الکترون لازم است. پس برای تولید یک مول سدیم فلزی ( 22.9898g Na ) ، یک مول الکترون ( عدد آووگادرو الکترون ) لازم است. مقدار بار معادل با یک مول الکترون ، فارادی (F) نامیده می‌شود. یک فارادی برابر با 96485 کولن است که برای مسائل معمولی ، آن را گرد کرده، برابر با 96500C در نظر می‌گیریم:
1F=96500C
اگر 2F الکتریسیته مصرف شود، 2 مول Na تولید می‌شود. در همان زمان که عده الکترونهایی معادل 1F الکتریسیته به کاتد اضافه شود، همان عده الکترون از آند جدا می‌شود:
2Cl→Cl2(g) + 2e
نتیجه جدا شدن 1mol الکترون (1F) از آند ، تخلیه بار یک مول یون -Cl و تولید 0.5mol گاز کلر است. اگر 2F الکتریسیته در سلول جریان یابد، 2 مول یون تخلیه می‌شود و 1mol گاز Cl2 آزاد می‌شود. بنابراین واکنشهای الکترودی را می‌توان بر حسب مول و فارادی تفسیر کرد. مثلا ، اکسایش آندی یون هیدروکسید:
4OH-→O2(g) + 2H2O + 4e
را می‌توان این طور بیان کرد که وقتی 4F الکتریسیته از سلول می‌گذرد، 4 مول یون -OH ، یک مول گاز O2 و دو مول H2O تولید می‌کند. روابط میان مولهای ماده و فارادی های الکتریسیته ، مبنای محاسبات استوکیومتری مربوط به الکترولیز است. به خاطر داشته باشید که یک آمپر (1A) برابر آهنگ جریان یک کولن (1C) در ثانیه است.
پمپ (تلمبه) - سه شنبه بیست و چهارم اسفند 1389
د.د.ت D.D.T - دوشنبه بیست و سوم اسفند 1389
فضای سبز شهری - دوشنبه بیست و سوم اسفند 1389
مدیریت اسید شویی در سیستم های آبیاری قطره ای - دوشنبه بیست و سوم اسفند 1389
فاضلاب "تلخه‌رود" را از نفس انداخت - دوشنبه بیست و سوم اسفند 1389
تغییر اقلیم و خشکسالی - دوشنبه بیست و سوم اسفند 1389
اشاره ای به سیل قم - دوشنبه بیست و سوم اسفند 1389
مشکل بالکینگ در سیستم لجن فعال - دوشنبه بیست و سوم اسفند 1389
کروژن چیست؟ - دوشنبه بیست و سوم اسفند 1389
آب سنگین و کاربرد آن - یکشنبه بیست و دوم اسفند 1389
مشکل کف کردگی یا فومینگ در تصفیه خانه های لجن فعال - یکشنبه بیست و دوم اسفند 1389
تصفیه خانه آب شرب کوثر - یکشنبه بیست و دوم اسفند 1389
مهمترین علل رایج تخریب سدهای خاکی - یکشنبه بیست و دوم اسفند 1389
آب ها آلوده می شوند و انسان ها به خطر می افتند - یکشنبه بیست و دوم اسفند 1389
باران اسیدی ره آورد كم توجهی به آلاینده ها - یکشنبه بیست و دوم اسفند 1389
آب در فرهنگ ایرانیان - یکشنبه بیست و دوم اسفند 1389
بازدارنده های رسوب در آب شیرین کن ها - شنبه بیست و یکم اسفند 1389
فناوری نانو و فیلتراسیون - شنبه بیست و یکم اسفند 1389
مقایسه بین روش های مختلف شیرین سازی آب - شنبه بیست و یکم اسفند 1389
اساس اسمز معکوس و نانوفیلتر - شنبه بیست و یکم اسفند 1389
دستگاه تهیه آب آشامیدنی از هوا ساخته شد - شنبه بیست و یکم اسفند 1389
انتقال و توزیع آب - شنبه بیست و یکم اسفند 1389
مخازن (tanks) - شنبه بیست و یکم اسفند 1389
لوله و اتصالات - جمعه بیستم اسفند 1389
دوره‌ی طرح در سیستم های انتقال و توزیع آب - جمعه بیستم اسفند 1389
ادامه خشکسالی و صرفه جویی در مصرف آب - جمعه بیستم اسفند 1389
روشهای عمده بهره برداری مصنوعی از آب زیرزمینی - پنجشنبه نوزدهم اسفند 1389
ايستگاه پمپاژ كهنه خانه پیرانشهر - پنجشنبه نوزدهم اسفند 1389
استفاده از سیستم فتو ولتائیک - پنجشنبه نوزدهم اسفند 1389
نصب و اجراي پمپ خورشيدي - پنجشنبه نوزدهم اسفند 1389
دانلود مقالات فصلنامه آب و فاضلاب از1383تا1387 - پنجشنبه نوزدهم اسفند 1389
مصرف تجاری و صنعتی آب - پنجشنبه نوزدهم اسفند 1389
تصفيه آب - پنجشنبه نوزدهم اسفند 1389
پتانسیل و ظرفیت اکسیداسیون ، معیاری برای تعیین آلودگی فاضلابها - چهارشنبه هجدهم اسفند 1389
چرا آب، عجيب‌ترين مايع جهان است؟ - چهارشنبه هجدهم اسفند 1389
قارچها وانواع آن - چهارشنبه هجدهم اسفند 1389
طراحی تصفیه خانه - چهارشنبه هجدهم اسفند 1389
تصفیه خانه فاضلاب اکباتان - چهارشنبه هجدهم اسفند 1389
شوری و سدیمی بودن خاک - چهارشنبه هجدهم اسفند 1389
فلوئور - چهارشنبه هجدهم اسفند 1389
مس - چهارشنبه هجدهم اسفند 1389
جیوه - چهارشنبه هجدهم اسفند 1389
سرب - چهارشنبه هجدهم اسفند 1389
سیانور - چهارشنبه هجدهم اسفند 1389
دسته بندی روش های تصفیه ی فاضلاب - چهارشنبه هجدهم اسفند 1389
فرآیند لجن‌فعال (Activated Sludge) - چهارشنبه هجدهم اسفند 1389
استفاده از پرمنگنات پتاسیم جهت گندزدایی آب - چهارشنبه هجدهم اسفند 1389
مشکل H2S در شبکه های فاضلاب - چهارشنبه هجدهم اسفند 1389
تاریخچه تصفیه ی آب - چهارشنبه هجدهم اسفند 1389
راکتور بسته ی متوالی Sequencing Batch Reactor - چهارشنبه هجدهم اسفند 1389