RO128016B1 - Sistem de vibrare a elementelor statice/electrozilor cu aplicaţii în procese chimice şi electrochimice - Google Patents

Description

Invenția se referă la un sistem de vibrare utilizat pentru vibrarea unor elemente statice, cu aplicabilitate în procese chimice și electrochimice, cu posibilitatea utilizării în cazul particular al vibrării electrozilorîn procese electrochimice de îndepărtare a ionilor metalici din soluții.

Scopul principal al tratării apelor uzate cu conținut de ioni de metal este cel al îndepărtării acestor ioni până se atinge concentrația impusă de legislație pentru ca apele respective să poată fi deversate. Costul procesului poate fi redus dacă metalul poate fi recuperat (mai ales în cazul metalelor valoroase).

La extracția unui metal din soluții diluate este de dorit intensificarea proceselor de electrod, adică utilizarea unor densități de curent cât mai mari și, implicit, obținerea unor randamente de curent cât mai bune.

în cazul reacției (1), după o anumită perioadă de timp, între metalul M și ionii săi din soluție se va stabili un echilibru dinamic:

M^z+ + ze - M (1) unde z reprezintă numărul de electroni implicați în reacție.

Grosimea stratului de difuzie, δ, este definită de modelul stratului de difuzie Nernst. Acest model presupune următorul fapt: concentrația ionilor M^z+ în masa soluției este c_a până la distanța δ de suprafața electrodului, și scade apoi liniar la c_s la suprafața electrodului. în acest model se presupune că stratul de lichid de grosime δ este practic staționar (static). La o distanță de la suprafață mai mare decât δ, concentrația reactantului se presupune a fi egală cu cea din masa soluției. Pentru a atinge suprafața electrodului, ionii M^z+ trebuie să treacă prin stratul de difuzie. La aceste distanțe devine eficientă agitarea soluției.

La valori ale densității de curent limită (maximă), speciile M^z+ se reduc pe măsură ce ating suprafața electrodului. în aceste condiții, concentrația reactantului M^z+ la electrod este nulă, iar viteza reacției de depunere este controlată de viteza de transport a reactantului M^z+ la electrod.

Din acest motiv, etapa care determină viteza procesului este transportul ionilor M^z+ din masa soluției la suprafața catodului. Viteza de desfășurare a acestui proces de transport depinde de grosimea stratului de difuzie Nernst (δ), care este inclus în coeficientul de transport de masă (k_m); cele două mărimi depind, la rândul lor, de viteza de agitare a soluției în apropierea electrodului. Astfel, viteza de agitare controlează densitatea de curent limită (i_L), adică densitatea de curent la care concentrația ionilor metalici la suprafața catodului tinde spre zero (c_1s - 0). Mărimile menționate anterior sunt corelate prin ecuațiile (2) și (3):

i = -zFD^Cia~^Cis (2) δ

i _L = -zFD = zFK_mc_la (3) δ unde: i este densitatea de curent;

_iL- valoarea limită a densității de curent;

D - coeficientul de difuzie al ionilor metalici;

k_m - coeficientul de transport de masă;

δ - grosimea stratului de difuzie Nernst;

c_a - concentrația în masa soluției;

c_s - concentrația la suprafața electrodului.

RO 128016 Β1

La trecerea curentului și descărcarea cationilor, spațiul din imediata vecinătate a 1 catodului sărăcește în ioni, apare un gradient de concentrație și începe difuziunea cationilor din interiorul soluției la suprafața catodului. Pentru o densitate de curent și o concentrație 3 dată, supratensiunea de transport este cu atât mai mică cu cât valoarea constantei _v zFD

K =---- este mai mare. 5 δ

Valoarea constantei K se poate mări fie prin creșterea coeficientului de difuziune D, fie prin scăderea grosimii stratului de difuziune. Creșterea coeficientului de difuziune se 7 poate face prin încălzirea soluției. Scăderea grosimii stratului de difuziune se realizează prin agitarea soluției. Deci, pentru o densitate de curent și o concentrație dată, atât încălzirea 9 soluției, cât și agitarea acesteia determină scăderea valorii supratensiunii de transport.

în general, pentru un electrolit dat, creșterea gradului de depunere este favorizat de 11 creșterea curentului limită prin utilizarea unor concentrații ridicate de metal dizolvat, a unor temperaturi ridicate, sau prin mișcare relativă electrod-electrolit. 13

Primele două variante sunt limitate în practică deoarece: creșterea concentrației metalului este restricționată de solubilitate, de costul metalului (în cazul metalelor prețioase) 15 și de considerente privind depozitarea (evacuarea) și tratarea efluenților; temperaturile prea ridicate pot agrava problemele asociate coroziunii echipamentelor folosite în proces, 17 pierderilor prin evaporare, descompunere chimică (de exemplu, în cazul folosirii aditivilor chimici), duratei prelungite de răcire, costuri energetice ridicate pentru încălzire. 19 în concluzie, este mult mai avantajoasă intensificarea mișcării electrod-electrolit care, pe lângă faptul că, prin folosirea unei densități de curent mai ridicate, determină creșterea 21 productivității, datorită îmbunătățirii regimului de curgere, poate contribui și la îndepărtarea aerului oclus sau a hidrogenului gazos generat la electrod, și la asigurarea unui pH și a unei 23 temperaturi mai stabile în zona catodului.

Procedeele cele mai importante pentru crearea unei viteze relative a electrolitului față 25 de electrozi sunt: agitarea mecanică a electrolitului, recircularea, ultrasonarea, mișcarea electrozilor prin rotire sau vibrare. 27

Dintre aceste metode una dintre cele mai eficiente este vibrarea electrodului, care se definește ca inițierea și susținerea unei mișcări periodice cu parametri mecanici bine 29 definiți (amplitudine, frecvență) între suprafața activă a electrodului și electrolit. Există două variante pentru generarea câmpului oscilator la interfața electrod-electrolit: vibrarea 31 suprafeței electrodice sau vibrarea întregului volum de electrolit. Deși, ca mișcare relativă, ambele procedee realizează același lucru, consumul energetic specific este mai scăzut în 33 cazul vibrării electrodului, deoarece energia aferentă vibrării se manifestă în stratul limită adiacent suprafeței electrodului, și nu în volumul soluției, cum este cazul celei de-a doua 35 variante.

în cazul vibrării prin procedeul clasic, mișcarea electrodului nu se face paralel cu 37 contraelectrodul, astfel distanța interelectrodică pe parcursul electrolizei nu se menține constantă, existând riscul de scurtcircuitare în timpul funcționării. 39

Problema pe care o rezolvă invenția este aceea de a intensifica transferul speciei reactante la electrod cu ajutorul sistemului de vibrare a elementului static/electrodului, 41 asigurând astfel intensificarea proceselor de electrod, prin utilizarea unor densități de curent cât mai mari și, implicit, obținerea unor randamente de curent cât mai bune. 43

Sistemul de vibrare a elementului static/electrodului conform invenției realizează mișcarea de oscilație la interfața electrod-electrolit după următorul principiu: semnalul electric 45 generat cu ajutorul generatorului de semnal este amplificat de amplificatorul de putere, apoi

RO 128016 Β1 traductorul electromagnetic este conectat la ieșirea amplificatorului de putere, transformând semnalul electric amplificat în lucru mecanic sub forma unei mișcări oscilatorii cu frecvență prestabilită, care este transmisă elementului static/electrodului atașat traductorului electromagnetic printr-un dispozitiv de prindere.

Prin aplicarea invenției se obțin următoarele avantaje:

- flexibilitate foarte mare pentru diferite procese, datorită posibilității vibrării elementului static (electrodului) atât longitudinal, în plan orizontal sau vertical, cât și transversal;

- amplitudine și frecvență extrem de facil de modificat;

- sistemul acoperă un domeniu larg de frecvențe, având o rezoluție foarte bună, de minimum 1 Hz;

- posibilitatea utilizării unei game largi de forme de undă (sinusoidală, dreptunghiulară, triunghiulară, dinți de ferăstrău etc.);

- posibilitatea suprapunerii mai multor frecvențe simultan;

- posibilitatea baleierii frecvenței între două valori prestabilite;

- posibilitatea realizării vibrării pentru perioade de timp prestabilite, prin funcționare continuă sau discontinuă, având predefinite intervalele de repaus și de funcționare;

- menținerea sub control a distanței interelectrodice pe întreg parcursul desfășurării procesului;

- creșterea productivității celulei de electroliză prin creșterea densității de curent;

- randamente de curent și de substanță superioare;

- reproductibilitate foarte bună a rezultatelor;

- deoarece favorizează creșterea densității de curent, se poate aplica și la soluții foarte diluate;

- versatilitate foarte mare - sistemul poate fi adaptat pentru orice proces electrochimie în care este necesară mișcarea relativă electrod-electrolit, dar poate fi utilizat și în cazul oricărui proces care necesită vibrarea oricărui element static.

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției în legătură cu figura ce reprezintă schema de principiu a sistemului de vibrare a elementelor statice/electrozilor conform invenției, în cazul unui proces electrochimie.

Sistemul de vibrare a elementului static/electrodului 4, conform invenției, propune realizarea unui sistem compus dintr-un generator 1 de semnal (funcții), un amplificator de putere 2 și un traductor electromagnetic 3, la care se atașează elementul static/electrodul 4 printr-un sistem de prindere.

Generatorul 1 de semnal (funcții) are următoarele caracteristici: domeniul minim de frecvență este între 5 și 300 Hz, cu o rezoluție de minimum 1 Hz; forma de undă poate fi sinusoidală, dreptunghiulară, triunghiulară, dinți de ferăstrău etc.

Generatorul 1 de semnal poate fi hardware sau software. în cazul generatorului 1 de semnal software, acesta rulează pe un computer compatibil, iar semnalul se culege de la ieșirea Line Out a plăcii de sunet.

Amplificatorul 2 de putere trebuie să fie cât mai liniar pe domeniul 5...300 Hz.

Traductorul 3 electromagnetic este conectat la ieșirea amplificatorului 2 de putere, și produce o mișcare oscilatorie a cărei frecvență este dictată de generatorul 1 de semnal.

Elementul static/electrodul 4 se atașează la traductorul 3 electromagnetic prin intermediul unui sistem de prindere.

Amplitudinea mișcării oscilatorii A depinde de puterea de la ieșirea amplificatorului 2 P și de frecvența semnalului generat v.

Frecvența mișcării periodice v poate fi prestabilită prin generatorul 1 de semnal.

RO 128016 Β1 în funcție de modul de prindere a elementului static/electrodului 4, vibrarea se poate realiza 1 atât longitudinal, în acest caz mișcarea are loc paralel cu suprafața activă în plan orizontal sau vertical, cât și transversal, caz în care mișcarea are loc perpendicular pe suprafața 3 activă.

Exemplu5

Se prepară o soluție de CuSO₄ cu concentrația 0,05 M. 50 ml soluție CuSO₄ 0,05 M se introduc în celula de electroliză, care este legată la un potențiostat.7

Se trasează curba de polarizare în condiții staționare. Parametrii de lucru ai celulei sunt:9

- electrod de lucru: electrod de cupru cu suprafața activă de 0,05 cm²;

- electrod de referință: Ag/AgCI (sat.KCI);11

- electrod auxiliar cu suprafața de 0,25 cm²;

- viteza de baleiere: 20 mV/s;13

- domeniul de potențial: de la +100 mV la -1100 mV.

Se conectează apoi sistemul de vibrare și se trasează curba de polarizare în regim 15 de vibrare a electrodului, păstrând aceiași parametri de lucru ai celulei.

Se pornește generatorul de semnal 1, și pentru sistemul de vibrare se setează 17 următorii parametri: frecvența mișcării oscilatorii la 30 Hz, tipul formei de undă sinusoidală.

Pe amplificatorul de putere 2 se alege o valoare a puterii de 25 W.19

Semnalul electric este generat de generatorul de semnal 1, apoi este amplificat de amplificatorul de putere 2, iar prin traductorul electromagnetic 3, conectat la ieșirea21 amplificatorului 2, semnalul electric amplificat este transformat în mișcare oscilatorie transmisă electrodului 4.23

Se suprapun cele două curbe de polarizare obținute în regim staționar și în regim de vibrare, și se observă o dublare a valorii densității de curent în cazul vibrării față de regimul 25 staționar, trăgându-se concluzia că densitatea de curent crește prin utilizarea vibrării, conducând la îmbunătățirea randamentului de curent. 27

Pentru aceeași soluție de CuSO₄ 0,05 M se setează valoarea frecvenței la 40 Hz și se fac aceleași determinări. Se schimbă apoi forma de undă - se setează forma 29 dreptunghiulară. Pentru fiecare variantă se trasează curbele polarografice.

Există astfel posibilitatea efectuării unui număr mare de determinări, prin modificarea 31 câte unui parametru pe rând, și menținerea constantă a celorlalți parametri, pentru diferite concentrații ale soluției, din care se poate în final concluziona care este varianta optimă la 33 care electrodepunerea ionilor metalici se realizează în condițiile cele mai avantajoase.

Claims (5)

1 Revendicare

3 Sistem de vibrare a elementelor statice/electrozilor, cu aplicații în procese chimice și electrochimice, caracterizat prin aceea că, pentru realizarea unei mișcări de oscilație

5 determinată de un semnal electric, este constituit dintr-un generator (1) de semnal, amplificat de un amplificator de putere (2), și transformat apoi de către un traductor

7 electromagnetic (3) conectat la ieșirea amplificatorului (2) de putere, în lucru mecanic, sub forma unei mișcări oscilatorii care este transmisă unu element static (4), atașat traductorului

9 electromagnetic (3) printr-un sistem de prindere.