Электродные процессы в разбавленных хромсодержащих растворах и пути повышения эффективности электрохимической очистки
3.3 Исследование кинетики анодного поведения титанового, стального и графитового электродов в разбавленном растворе К2Сг207.
Потенциостатические исследования кинетики анодных процессов на титановом, стальном и на электроде, выполненном из фольги "Графлекс", были проведены при потенциалах, предшествующих потенциалам преимущественного выделения кислорода (рис.5).
Характер i - 1
- кривых позволяет проанализировать начальные участки спада тока в координатах i - 1/V7, с целью выяснения лимитирующей стадии процесса. То, что в начальный момент поляризации (1 - 1,5 с) зависимости i - 1/V7 не идут в начало координат, свидетельствует о протекании на границе раздела фаз электрод - раствор К2Сг207 гетерогенной химической реакции. Такой реакцией может быть конкурирующая адсорбция бихромат-ионов, молекул воды и продуктов взаимодействия бихромат-ионов с поверхностью электрода. На поверхности стального электрода в области потенциалов от 0,2 В до 0,75 В возможно протекание реакций, связанных с переходом железа в оксидное и гидроксидное состояния.
Оксиды и гидроксиды железа (П) взаимодействуют с адсорбированными бихромат-ионами, происходит восстановление Сг (VI) до Сг (III) с потреблением образующихся в реакциях, о чем свидетельствует подщелачивание приэлектродного слоя при изменении потенциалов стального электрода от 0,1 до 1,0 В (pH составляет 5,5-7,1).
На титановом электроде в интервале потенциалов от 0,9 до 1,55 В (до потенциалов выделения кислорода) возможно протекание двух процессов: образование кислородных соединений титана (IV), а также окислительно-восстановительные реакции, происходящие в хроми-хроматной адсорбированной пленке. Исходя из представлений об адсорбции перечисленных частиц на поверхности электрода, был произведен расчет величины адсорбции (ПГ) по уравнению;
Величина адсорбции (пГ) растет с увеличением электродного потенциала. Максимально наблюдаемые величины ПГЕ на стальном и титановом электродах в области потенциалов от 0,65 до 1,2 В могут быть связаны с большей гидрофильностью указанных электродных материалов по сравнению с фольгой "Графлекс". Данные результаты указывают на значительное участие молекул воды в анодных процессах на поверхностях исследуемых электродов.
С увеличением времени поляризации происходит накопление продуктов анодных реакций на поверхности электрода и соответственно меняется лимитирующая стадия процесса: начинают сказываться диффузионные ограничения. Так, анализ потенциостатических кривых в координатах i~t (рис.5, б) на отрезке времени от 1 до 5 с показал, что на титановом и стальном электродах наблюдается замедленность стадии твердофазной диффузии. Согласно представлениям, развиваемым в работах Алексеева, Колотыркина, Попова, анодное растворение металлов протекает за счет диффузии ионов металлов и диффузии ионов кислорода в пассивной пленке, образованной на поверхности электрода Преобладание одного из механизмов диффузии зависит от свойств и состава образующейся пленки. Учитывая, что раствор К2Сг207 разбавлен, и в начальный момент поляризации (1,5 - 5 с) Сг (Ш) присутствует в адсорбционной пленке в малых количествах, можно предположить, что диффузионные процессы связаны с переносом ионов титана в твердой фазе, о чем свидетельствует расчетная величина ZCQ^D, лежащая в пределах (8 - 17) - 10с. При электродном потенциале более (1,2 - 1,55) В (для различных электродных материалов) происходит преимущественное выделение кислорода, сопровождающееся повышением кислотности приэлектродного слоя. Одновременно усиливается окисление поверхности анода. Электрод, выполненный из фольги "Графлекс", обладает меньшей гидрофильностью, чем исследуемые металлические электроды, поэтому диффузионные ограничения скорости анодных процессов на графите в первую очередь связаны с окислительно-восстановительными реакциями, протекающими между анионами Сг (VT) и кислородными соединениями Сг (Ш), адсорбированными на поверхности электрода. Замедленный отвод продуктов реакций приводит к уменьшению количества бихроматионов, способных адсорбироваться на электродах. В результате снижается скорость процесса.
Анализ начальных участков гальваностатических кривых позволил рассчитать величину поляризационной емкости (Спол) анодного процесса на различных электродных материалах согласно уравнению.
Величина С лежит в пределах от 0,3 до 2,7 мФ/см2 и зависит от концентрации электролита, материала анода, плотности поляризующего тока и связана с изменением адсорбции на поверхности электрода под действием указанных факторов. Уменьшение плотности поляризующего тока приводит к снижению поляризационной емкости, что может служить косвенным подтверждением электрохимического механизма адсорбционных процессов на границе раздела фаз.
3.4 Влияние природы раствора и плотности тока на состояние поверхности изучаемых анодных материалов.
Изучение анодного поведения исследуемых материалов показало наличие на их поверхности пассивирующих пленок, которые были проанализированы с помощью микроструктурного анализа и методом вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС). Согласно полученным микрофотографиям, состояние пассивирующей пленки зависит от материала электрода, плотности тока поляризации, концентрации электролита и наличия в электролите посторонних анионов (промывная вода, содержащая ионы).
Методом ВИМС показано наличие в составе поверхностной пассивирующей пленки соединений хрома различной валентности и оксидов металлов. Наибольшее содержание соединений хрома сосредоточено на поверхности электрода. По мере продвижения в глубь пленки количество соединений хрома уменьшается и к толщине пленки примерно 0,5 мкм достигает постоянного значения. При анодной поляризации электрода в промывной воде в пассивной пленке, образующейся на поверхности, наблюдается увеличение количества хрома по мере продвижения в глубь пленки. Это может быть связано с разрыхлением пассивного слоя за счет высокой растворяющей способности кислого электролита, которым является промывная вода.
Глава 4. Катодное поведение металлов и графита в разбавленных Cr-содержащих растворах.
Повышение эффективности электрохимического способа очистки промывных и сточных вод от ионов Сг (VI) предусматривает изучение как анодных, так и катодных процессов в разбавленных хромсодержащих электролитах.Т. к. электровосстановление Сг (VI) на графитовом материале протекает легко, то его использование в качестве катода наиболее целесообразно. Изучались кинетические закономерности электровосстановления Сг (VI) на фольге "Графлекс" в разбавленных растворах К - Характер i, t - кривых парциального выделения водорода и электровосстановления Сг (VI) позволил проанализировать начальные участки потенциостатических кривых в координатах i - 1/л и сделать предположение о протекании химической реакции. Применительно к электровосстановлению водорода и анионов хрома это может быть адсорбция соответствующих ионов. В соответствии с уравнением (8) был произведен расчет величин адсорбции реагентов (ПГЕ). Адсорбция ионов водорода и атомарного водорода на поверхности графитового катода зависит от электродного потенциала и лежит в пределах (1,0 - 10,6) - 10"8 г-экв/см2. При наиболее отрицательном потенциале наблюдается тенденция к уменьшению, что, вероятно, связано с проникновением разрядившихся ионов водорода в глубь материала, насыщением поверхностных слоев, и как, следствие, уменьшением (ПГЕ) и скорости процесса выделения водорода. Величины (ПГЕ) ДЛЯ процесса неполного восстановления Сr (VI) на фольге "Графлекс" составляют (1,1 - 10,6) - 10"8 г-экв/см2. Они сопоставимы с результатами адсорбции СrО) 2' (17,76-10"7 г-экв/см2).
Скачать реферат