الکترولیز نمک چیست؟
الکترولیز نمک یا محلول مولتی اکسیدان (با نگارش انگلیسی Mixed-Oxidant Solution ) یک محلول ویژه برای گندزدا میباشد که برای ضدعفونی کردن ، گند زدایی کردن و از بین بردن میکرو ارگانیسم‌های بیماری زا در آب و در کاربردهای مختلف از جمله آشامیدنی، صنعتی، تصفیه فاضلاب و پساب، گندزدایی آب استخر و … مورد استفاده قرار می‌گیرد.
استفاده از محلول مولتی اکسیدان برای گندزدایی آب نسبت به سایر روش‌ها مانند هیپوکلریت سدیم و پرکلرین دارای مزایای مختلفی مانند بالاتر بودن قدرت گندزدایی، دارا بودن مقدار باقیمانده در آب و ایمنی بیشتر نسبت به روش‌هایی مانند کلر گازی و ازن‌زنی است.
محلول مولتی اکسیدان از الکترولیز محلول نمک طعام (کلرید سدیم) تولید شده و مخلوطی از ترکیبات گندزدا است. سهم اصلی این مواد گندزدا را ترکیبات کلر آزاد (ClO-، HClO و Cl2 محلول) تشکیل داده و مقادیر بالایی از ترکیبات دیگر مانند دی‌اکسید کلر (ClO2) محلول، ازن محلول، آب اکسیژنه و اکسیژن محلول در آن وجود دارد.
واکنش‌ها
تولید محلول مولتی اکسیدان در محل و به وسیله دستگاه الکترولیز انجام می‌شود. ورودی این دستگاه محلول آب و نمک کلرید سدیم است، به نحوی که pH محلول خروجی در محدوده خنثی (۷-۸/۴) بوده و غلظت گندزدای خروجی متناسب با غلظت نمک در ورودی، ولتاژ، جریان و زمان الکترولیز است.
دستگاه تولیدکننده محلول مولتی اکسیدان به روش الکترولیز دارای الکترودهای مقاوم در برابر خوردگی (DSA) بوده و به نحوی ساخته شده است که در قسمت‌های مختلف به طور همزمان ولتاژهای مختلفی برای الکترولیز ایجاد می‌شود. به این ترتیب واکنش‌های مختلفی در قطب‌های آند و کاتد رخ داده و بنابراین، مواد اکسنده مختلفی تولید می‌شود.[۴]
در این فرآیند ابتدا یون کلرید در آند به گاز کلر تبدیل شده و سپس سایر فرآیندهای مربوطه انجام می‌گیرد.
2Cl- ↔ Cl2 + 2e- ……… -۱/۳۶V
0/5Cl2 + H2O ↔ HClO + H+ + e- ……… -۱/۶۱ V
Cl- + H2O ↔ HClO + H+ + e- ……… -۱/۴۸ V
Cl- + 2OH- ↔ ClO- + H2O + 2e- ……… -۰/۸۱ V
NaCl + H2O + 2e- ↔ NaOCl + H2
با انجام مجموعه فرآیندهای مذکور، یون کلرید در الکترولیت کاهش می‌یابد. پس از کاهش غلظت یون کلرید و با حضور ترکیبات -ClO و (Cl2 (aq در محلول و اعمال شرایط لازم، ClO2 تولید می‌شود. با انجام این واکنش و خاتمهء تولید ClO2 فرآیند فرآوری تکمیل شده و محلول نهایی ذخیره می‌گردد.
HClO + H2O ↔ ClO2 + 3H+ + 3e-
برای تولید ازن ابتدا باید شرایط برای انجام واکنش الکترولیز آب مهیا شود. در این حالت نیم‌واکنش‌های زیر انجام می‌گیرد و در قطب کاتد گاز هیدروژن و در آند گاز اکسیژن تولید می‌شود.
2H2O + 2e- ↔ H2 + 2OH- ……… -۰/۸۲۷۷ V
2H2O ↔ O2 + 4H+ + 4e- ……… -۱/۲۲۹ V
با افزایش ولتاژ سیستم، نیم‌واکنش آند به شکل زیر تغییر می‌یابد:
3H2O ↔ O3 +6H+ +6e- ……… -۱/۵۳ V
این پدیده از سایر اصول و شرایط اعمال شده در الکترولیز تاثیرپذیر است. در این فرآیند و در زمان تولید ازن، بوی نافذ ازن در ناحیهء خروجی راکتور مشخص است. با ادامهء این فرآیند و حفظ ثبات شرایط تا حداکثر میزان انحلال ازن در آب می‌توان تولید ازن را ادامه داد. میزان حلالیت ازن در آب ۲۰ درجهء سانتی‌گراد، ۵۷۰ میلی‌گرم بر لیتر و در آب صفر درجهء سانتی‌گراد ۱۰۵۰ میلی‌گرم بر لیتر است.[۵] در مرحلهء بعدی با تغییرات اندکی در شرایط واکنش و سطح ولتاژ و پتانسیل، فرآیند تولید آب اکسیژنه به وقوع می‌پیوندد.
2H2O ↔ H2O2 + 2H+ + 2e- ……… -۱/۷۷۶ V
لازم به ذکر است که برای تولید ازن و آب اکسیژنه نیم‌واکنش‌های متفاوتی با سطوح پتانسیل کاهشی متفاوت وجود دارد و در عمل ممکن است هر یک از آن‌ها به وقوع بپیوندد.
O2 + H2O ↔ O3 + 2H+ + 2e- ……… -۲/۰۷۶ V
O2 + 2OH- ↔ O3 + H2O + 2e- ……… -۱/۲۴ V
3H2O ↔ O3 + 6H+ + 6e- ……… -۱/۵۳ V
O2 + 2H+ + 2e- ↔ H2O2 ……… ۰/۷ V
2H2O ↔ H2O2 + 2H+ + 2e- ……… -۱/۷۷۶ V
HO2 + H+ + e- ↔ H2O2 ……… -۱/۴۹۵ V
اعمال شرایط مختلف از جمله تغییرات ولتاژ، جریان، غلظت، pH، دما، دبی و فشار موجب جابجایی نسبی پتانسیل‌های کاهش استاندارد و تغییر در تمایل واکنشی مواد می‌شود. از طرفی گستردگی سطح الکترودها در راکتور (مثلا ۱۲۰۰۰ سانتیمتر مربع)، پدیده‌های ایجاد لایه‌های چندگانه الکترولیتی و شرایط غیریکسان در سطوح الکترودها، باعث تغییرات عمده‌ای از حالت استاندارد در نیم واکنش‌ها می‌گردد.
اساس عمکرد سل تولید مولتی اکسیدان بر الکترولیز نمک کلرید سدیم و آب استوار است. در این فرآیند آنیون‌ها به سمت آند و کاتیون‌ها به سمت کاتد رفته و واکنش‌های مربوطه انجام می‌گیرد.
برای تولید محلول مولتی اکسیدان، انواع مختلف سل الکترولیز از جمله غشایی و بدون غشا (دارای انواع تک‌قطبی و دوقطبی) مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ادامه دربارهء هر یک از این سل‌ها توضیحاتی ارائه می‌شود.
سل غشایی
این سل شامل الکترودهای آند و کاتد است که بین آن‌ها یک غشای تعویض یونی قرار گرفته است. این غشا قادر است آنیون‌ها را از خود عبور داده و آن‌ها را به سمت آند هدایت کند. در این سل دو ورودی و دو خروجی آب وجود دارد که یک جفت آن‌ها در سمت کاتد و دیگری در سمت آند است.
سل‌های غشایی از نظر نوع غشا دارای مدل‌های مختلفی است. در برخی از آن‌ها غشای تعویض یونی به کار رفته که قادر است کاتیون یا آنیون را از یک طرف به طرف دیگر منتقل کند. در این نوع سل‌ها از یک طرف محلول آب و نمک و از سمت دیگر آب وارد می‌شود. در انواع دیگر غشا تنها به صورت یک دیافراگم بوده و اجازه عبور همهء انواع یون‌ها را از یک طرف به طرف دیگر می‌دهد. در این نوع سل‌ها غشا تنها مانع از اختلاط سیال موجود در دو طرف شده و در هر دو سمت محلول آب و نمک وارد می‌شود. به همین دلیل در خروجی محصول این نوع سل، حدود ۳۰ تا ۴۰٪ سدیم در محصول باقیمانده و تنها ۶۰ تا ۷۰٪ آن در آب دورریز باقی می‌ماند. در هر دو نوع سل یون‌های کلرید بوسیلهء غشا به سمت آند رفته و یون‌های سدیم در سمت کاتد باقی می‌ماند.[۴]
نیم‌واکنش انجام شده در نیم‌سل کاتد به صورت زیر است:
2NaCl + 2H2O + 2e– → 2NaOH + 2Cl– + H2
در سمت آند بخشی از یون کلرید اکسید شده و به صورت‌های Cl2، HOCl و مقادیر جزئی ClO2 در آب عبوری در نیم‌سل حل می‌شود. همچنین به علت الکترولیز آب، مقادیر جزئی O3 و O2 در سمت آند تولید می‌شوند. نیم‌واکنش اصلی در سمت آند عبارت است از:
2Cl– → 2e– + Cl2
Cl– + H2O → HClO + H+ + 2e–
کلر و ترکیبات آن در آب عبوری از نیم‌سل سمت آند به صورت محلول درآمده و با تزریق این محلول به میزان لازم به آب، می‌توان آن را گندزدایی کرد. لازم به ذکر است محلول خروجی نیم‌سل آند در راکتورهای غشایی اسیدی و pH آن در حدود ۳-۲ میباشد. در این شرایط قسمت بیشتری از ترکیبات کلر از نوع گاز کلر محلول در آب بوده و به همین علت محلول دارای بوی شدید و نافذ کلر بوده و سرعت زوال آن بالاست.
برای این نوع سل الکترولیز می‌توان از الکترودهای تیتانیومی ابعاد ثابت استفاده کرد تا از عدم خوردگی در سمت آند اطمینان حاصل شود. به منظور افزایش راندمان و بالا بردن ظرفیت، می‌توان از چند سل غشایی به صورت موازی استفاده نمود.
سل بدون غشا
ساختار سل بدون غشا همانند سل غشایی است، با این تفاوت که در آن غشا وجود نداشته و بنابراین، دارای یک ورودی آب و نمک و یک خروجی محصولات است. در این حالت محصولات سمت آند و کاتد با یکدیگر مخلوط بوده و از خروجی سل خارج می‌شود. این نوع سل می‌تواند در انواع تک‌قطبی و دوقطبی مورد استفاده قرار گیرد. در ادامه ساختار سل از این نظر شرح داده می‌شود.
انواع چینش سل
سل‌های الکترولیز دارای بیش از یک جفت آند و کاتد دارای دو نوع چینش هستند که شامل چینش تک‌قطبی و دوقطبی است.
چینش تک‌قطبی: در این حالت سل‌ها به صورت موازی چیده شده و بنابراین دارای اختلاف پتانسیل یکسان در هر جفت آند-کاتد هستند. جریان کل سل برابر جمع جریان هر جفت بوده و ولتاژ برابر ولتاژ یک جفت الکترود است. در این حالت ولتاژ کل سیستم کم و جریان آن زیاد است.
چینش دوقطبی: در این نوع چینش فقط الکترود اول و آخر به جریان برق متصل می‌شوند. قطب الکترودهای دیگر متضاد قطبی است که در مقابل آن‌ها است و ولتاژ هر جفت الکترود، بخشی از کل ولتاژ سل است.
در مقاله بعدی به مقایسه سل غشایی و بدون غشا خواهیم پرداخت .
منبع این مقاله سایت ویکی پدیا میباشد
دیدگاه خود را ثبت کنید
تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟در گفتگو ها شرکت کنید.