elektrokemijsko uklanjanje metalnih iona …

ELEKTROKEMIJSKO UKLANJANJE METALNIH IONA UPOTREBOM PPROTOČNE ĆELIJE

ELECTROCHEMICAL REMOVAL OF METAL IONS USING A FLOW-THROUGH ELECTROCHEMICAL CELL

I v a n a S e v e r , M a r i j a n a K r a l j i ć R o k o v i ćF a k u l t e t k e m i j s k o g i n ž e n j e r s t v a i t e h n o l o g i j e , M a r u l i ć e v t r g 1 9 , 1 0 0 0 0 Z a g r e b

1 – okvir od pleksiglasa

2 – cijevi

3 – elektrode

4 – ploče od pleksiglasa

5 – vijci i matice

6 – gumeno brtvilo

Napon

(U)

oznaka

protoka W h W h kg-1 W h L-1

2,5 V

2 0,70 4937 3,50

5 1,03 3825 5,13

7 1,40 2740 7,00

2,7 V

2 1,76 6026 8,78

5 2,35 5130 11,70

7 2,57 5519 12,80

3 V

2 3,72 10282 18,60

5 3,84 8930 19,20

7 4,35 9088 21,75

naponoznaka

protokaη/%

2,5 V

2 86,2

5 99,5

7 98,8

2,7 V

2 90,3

5 99,7

7 98,6

3 V

2 96,5

5 97,5

7 99,9

-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4

-40

-20

0

20

40

-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4-8

-6

-4

-2

0

2

4

K2

A2

K1

I /

mA

cm

-2

E / V

Au

Pt

GC

celik

grafit*

olovo

A1

K2

A2

K1I /

mA

cm

-2

E / V

Au

Pt

GC

celik

grafit*

olovo

A1

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0

100

200

300

I /

mA

cm

-2

E / V

Au

GC

Pt

celik

grafit

Pb

UVOD Industrijske otpadne vode sadrže teške metale :

• krom

• bakar

• arsen

• nikal

• živa

• olovo...

Teški metali uzrokuju zdravstvene probleme :

• usporeni rast i razvoj

• rak

• oštećenja organa, živčanog sustava

• smrt

Metode obrade i pročišćavanja :

• taloženje

• koagulacija

• ionska izmjena

• elektrodijaliza

• elektrokoagulacija

• katodna elektrodepozicija

• depozija bakra pri naponima (U) 2,5 V; 2,7 V i 3,0 V uz protok elektrolita 5,2 mL s-1, 14,3 ml s-1 i 17 ml s-1.

KATODNA ELEKTRODEPOZICIJA METALA

Cu2+ + 2e- → Cu

SVRHA RADA • dizajnirati protočnu elektrokemijsku ćeliju sa pločastim

elektrodama koja će ukloniti bakrove ione iz modelne otopine

10 g L-1 CuSO4 u 0,5 mol dm-3 H2SO4

Ispitivani elektrodni materijali :

• zlato, staklasti ugljik, grafit, platina, čelik sa 18% kroma, ugljik i olovo

Korištena metoda :

• ciklička voltametrija

Iz rezultata dobivenih cikličkom voltametrijom proizlazida je olovo najpovoljnija podloga za depoziciju bakra,potom zlato i platina te čelik, dok su kao najlošijapodloga staklasti ugljik i grafit.

Iako su najmanji katodni prenaponi dobiveni na platini,zlatu i olovu izabran je čelik zbog visoke cijenu platine izlata te činjenicu da je na Pb prilikom redukcije bakraprisutan PbSO4 koji može onečistiti produkt.

Kao najpovoljnija podloga za reakciju razvijanjakisika pokazali su se zlato i platina, te olovo ičelik, a kao najlošija staklasti ugljik i grafit.Kao anodni materijal odabrano je olovo jer ukiseloj otopini nastaje sloj PbO2 koji katalizirareakciju razvijanja kisika dok se čelik kodpozitivnih potencijala djelomično otapaulaskom u transpasivno područje što možedodatno onečistiti elektrolit.

MneM n

22 HeH -I

-E

čvorovi,

dendriti

monokristali

polikristali

praškasti

Sloj bakra na elektrodi dobiven pri različitim naponima i brzinama protoka.

REZULTATI

Bakrena ruda

Bakreni listići

Ovisnost strukture prevlake o vrijednosti struje

0 20 40 60 80 100 120

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

brzina 2

brzina 5

brzina 7

c /

mg m

l-1

t / min

0 20 40 60 80 100 120

550

600

650

700

750

brzina 2

brzina 5

brzina 7

I / m

A

t / min

Promjena koncentracije Cu2+ s vremenom Promjena struje s vremenom

Kod različitih napona dobivene sukorelacijske jednadžbe koje omogućujuprocjenu vrijednosti struje u reaktoru uovisnosti o hidrodinamičkm uvjetima :

Djelotvornost uklanjanja bakra (η)

Potrošnja energije

km *103 / cm s-1

U / V 2,5 2,7 3 ,00

Ozn

aka

pro

toka

2 1,89 2,43 3,43

5 5,85 7,16 4,27

7 5,2 5,14 7,18

Određen je koeficijent prijenosa mase koji predstavlja odnos između difuzijskog koeficijenta i debljine difuzijskog graničnog sloja 𝐷0 / 𝛿𝑑𝑖𝑓

REAKTOR

PbO2ČELIK

OLOVOCu

2

51

36

4

Re-Reynoldsov broj, Sc-Schmidtov broj, Sh-Sherwoodov broj