АВТОМАТИЧЕСКИЕ МИКРОДОЗАТОРЫ ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ ЭЛЕКТРОЛИЗА И ЕГО ПРИМЕНЕНИИ ДЛЯ МИКРОДОЗИРОВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ

Процесс электролиза воды является наиболее, простым методом получения водорода и кислорода. Разложение воды электрическим током на водород и кислород впервые было осуществлено в 1789 г [Л. 24]. Однако практическое значение электролиза воды начинает приобретать только после изобретения в 1870 г. динамомашины. В 1888 г. Д. А. Лачинов сконструировал первый аппарат для элект­ролитического. получения водо­рода и кислорода. В своих работах Д. А. Лачинов изложил методику получения водорода и кислорода не только при нормальном, но и при повышенном - давлении.

Анализ возможности применения кислорода и водорода для микродозирования жидкостей требует изучения их фи­зико-химических свойств.

В воде и в других раство­рителях водород растворяется в очень незначительном коли­честве. Растворимость водоро­да и кислорода в воде в зависимости от температуры пока - что кислород в воде растворяет-

зана на рис. 25, из которого видно, ся незначительно.

В обычных условиях молекулярный водород в химическом отношении малоактивен і[Л. 27—29]. Реакция водорода с кислородом при температуре ниже 700°С происходит весьма медленно и чем ни­же температура, тем медленнее идет реакция. Вычислено, что при обыкновенной комнатной температуре требуется около 106* 109 лег, чтобы 15 см3 смеси водорода и кислорода превратились в воду. Это свойство смеси газов электролиза воды позволяет непосредственно применять их для микродозирования жидкостей [Л. 30].

Для нормального протекания электролиза воды немаловажную роль играет также выбор электролита.

Известно, что дистиллированная вода имеет. электрическую проводимость от 1-Ю-6 до 4-Ю-8 Ом-1 • см-1, т. е. 1 мм3 такой воды обладает сопротивлением, равным сопротивлению медной про­волоки сечением 1,0 мм# и длиной 200—400 тыс. км |[Л. 25]. Вследствие такой малой электрической проводимости чистая вода непри­годна для процесса электролиза Но вода, подкисленная или содержащая растворенные соли или гидроокиси щелочных металлов, хорошо проводит ток.

В современной практике электролиза воды в качестве электро­лита применяют исключительно растворы едкого калия или натрия, так как кислые электролиты вызывают сильную коррозию аппаратуры. Выбор щелочи зависит от условия работы микродозатора.

Обычно, когда электролиз ведут при более низких температурах, применяют едкий калий, так как в этих условиях он имеет
большую электрическую проводимость, чем едкий натрий. При ВЫ­СОКИХ температурах едкий калий вызывает сильную коррозию аппаратуры, и стоимость его выше, чем стоимость едкого натрия. По­этому при высокой температуре в процессе электролиза применяют едкий натрий.

Для уменьшения потери напряжения в электролите немаловажную роль играет также выбор концентрации раствора, обладающего минимальным сопротивлением.

Известно, что удельное сопротивление водных растворов едких щелочей зависит от концентрации электролита и температуры элект­ролиза.

іКак видно из данных табл. 1 [Л. 25], с повышением температу­ры значение минимального удельного электролитического сопротив­ления перемещается в сторону более концентрированных растворов. Следовательно, концентрацию раствора, обладающего минимальным сопротивлением, необходимо выбирать в соответствии с предпола­гаемой температурой процесса электролиза.

Свойства растворов едкого калия и едкого натрия, а также низ­кие пределы температур (25—30°С) протекания электролиза обусло­вили применение в микродозаторе в качестве электролита 30,0%- ного раствора едкого калия с удельным электрическим сопротивле­нием 1,042 Ом-см.

На нормальное протекание процесса электролиза боДы - cytuecf - венно влияют следующие факторы: перенапряжение водорода и

кислорода, плотность тока, газонаполнение электролита, расход энергии.

Перенапряжение газов (разность между равновесным и наблю­даемым потенциалом разряда иона) электролиза не является посто­янным, а зависит от температуры электролита, материала электро­да, времени электролиза. При оценке перенапряжения водорода и кислорода приходится пользоваться опытными данными. Но и они дают лишь приблизительную оценку перенапряжения.

На. перенапряжение влияет не толь­ко материал, но также и состояние по­верхности электрода. На шероховатых поверхностях перенапряжения меньше, чем на гладких и блестящих. Это объясняется тем, что действительная рабо­чая поверхность шероховатых электро­дов значительно больше, чем геометрическая, вследствие чего на шероховатых поверхностях плотность тока, приходя­щегося на единицу (площади электрода, меньше, чем на гладких. Снизить пере­напряжение можно уменьшением плот­ности тока, выбором материала электрода й повышением температуры элек­тролита. Однако повышение температу­ры электролита при нормальном атмосферном давлении ограничено температурой кипения Тк электролита и усиливающейся» коррозией железных частей электролизера (рис. 26) [Л. 25]. Выбор материала электрода ограничивается его экономиче­ской доступностью. Учитывая это, в качестве материала для элект­рода и корпуса электролизера авторами выбрана сталь марки Х18Н9Т.

Плотность тока является одним из основных факторов, влияю­щих на рациональное и нормальное протекание процесса электро­лиза. Она должна находиться в пределах от 200 до 300 А/м2|[Л. 24].

В зависимости от конструктивных размеров электрода и вели­чины микродозирования жидкости в разработанном автором микро­дозаторе расчетная плотность тока изменяется в пределах 20— 30 мА/см2.

Газонаполнение электролита определяется отношением объема газовых пузырьков к общему объему (в процентах) электролита (жи д кость + газ) в процентах 1[Л. 24]. При большой плотности тока электролит при электролизе наполнен поднимающимися пузырьками газов, которые уменьшают свободное сечение электролита. Газона­полнение зависит от плотности тока, температуры электролита, его вязкости, размеров газовых пузырьков, конструкции электролизера и определяется опытным путем. Уменьшение газонаполнения путем увеличения расстояния между электродами и снижения плотности тока нецелесообразно, так как увеличение омического сопротивле­ния электролита соответственно увеличивает расход электроэнергии и снижает производительность электролизеров.

Газонаполнение надо уменьшать, строго придерживаясь рас­четной плотности тока, подбором формы электродов и удалением газовых пузырьков в направлении движения тока. Кроме того, при­
меняют некоторые добавки к электролиту, например тонкий поро­шок графита, в присутствии которого мелкие пузырьки газа соеди­няются в более крупные и быстрее удаляются из электролита.

На расход электроэнергии весьма существенное влияние оказы­вает перенапряжение газов на электроде, газонаполнение электро­лита и сопротивление электролита.

Теоретический расход электрической энергии на 1 м3 водорода и 0,5 м3 кислорода при температуре 0° и давлении 760 мм рт. ст. составляет 2,95 кВт-ч.

Количество электричества, затраченного на электролиз, опреде­ляют умножением среднего значения тока / (в амперах) на дли­тельность электролиза t (в секундах).

Один кулон при нормальных условиях (0°С, 760 мм рт. ст.)

теоретически выделяет 0,1741 см3 газовой смеси. Таким образом,

теоретическое значение объема газа, выделяющегося при нормаль­

ных условиях [Л. 26],

у = 0,1741 (1)

где /1, h — соответственно ток в начале и конце электролиза; t — время электролиза.

Для образования 1,0 м3 водорода и 0,5 м3 кислорода при нор­мальных условиях теоретически расходуется 805 г воды [Л. 25].

Если газы, выходящие из электролизера, уносят с собой водя­ные пары, то действительный расход воды увеличивается. Количе­ство водяных паров, уносимых газами, зависит от температуры электролита, давления насыщенных водяных паров и давления вы­деляющихся газов.

В промышленных условиях для компенсации расхода воды на разложение и унос ее газами в виде водяных паров в электролизер непрерывно или периодически добавляют новые порции воды.

В отличие от промышленных установок в разработанном элект­ролизере микродозатора не требуется непрерывное добавление новых порций воды в связи с тем, что температура электролита изменя­ется в пределах от 25 до 30°С и образование водяных паров пренебрежимо мало. Количество воды, заполняющей электролизер, до­статочно для длительного времени работы микродозатора. Ниже дается принцип действия разработанного микродозатора жидкости непрерывного действия.