Экологическая экспертиза эффективности самоочистки сточных вод от формальдегида. Оценка экологического и экономического эффекта в зависимости от используемых металлических электродов-катализаторов

Задача 3. Экологическая экспертиза эффективности самоочистки сточных вод от формальдегида. Оценка экологического и экономического эффекта в зависимости от используемых металлических электродов-катализаторов

    Определить экономическую эффективность применения электродов-катализаторов из платинированной платины и электродов из углерода покрытых палладием для самоочистки водоёма от формальдегида, поступающего в него вместе со сточными водами. Объём сточных вод составляет 294 000 дм³, а концентрация формальдегида в сточных водах (по результатам контрольных замеров) равна – С_ст(в)=6∙10^-3 моль/л (С_ст(в)=0,192 г/л). Объём водоёма равен 31 млн дм³, вода которого в количестве 210 000 литров (дм³), используется для бытового потребления. Первоначальная концентрация формальдегида в воде равна нулю. Размеры электродов и их технические характеристики приведены в табл.1.

Табл.1

Исходные справочные данные

Материал электродов	Плотность, r кг/дм3	Производительность электродов по выходу продукта, %	Цена 1 грамма электрода, руб	Толщина, d м		Энергия активации, кДж/моль∙К		Температурный интервал, Т К
				основы	покрытия	кинетической области, Еакт(к)	диффузионной области, Еакт(к)
Платина платинорованная (Pt/Pt)	21,5	86	8000	9∙10-3	4∙10-7	143,96	18,34	273 – 313
Покрыт паладием углерод (Pd/С)	0,6	55	645	9∙10-3		189,78	19,98
Pd	8,9				4∙10-3

Эффективная константа скорости гетерогенного процесса k* в этом температурном
интервале, изменяется от 0,025 до 35,03.

Физико-химические основы протекания процесса самоочистки
воды от формальдегида следующие.

При гетерогенном катализе возможны процессы, которые
описываются следующими схемами:

1 стадия – распад пероксида водорода.

3H₂O₂ → 1,5O₂ + 3H₂O (быстрая стадия);

2 стадия (лимитирующая) – окисление формальдегида до муравьиной
 кислоты кислородом, образовавшимся в результате разложения пероксида.

2HCOH + O₂ → 2HCOOH (медленная).

3 стадия – окисление муравьиной кислоты кислородом,
образовавшимся в результате разложения пероксида с образованием промежуточного
соединения (гидроксо кислоты – CHOОOH).

Процесс протекает по следующей схеме:

HCOOH + 0,5O₂ → 2CHOOOH (быстрая),         или                

4 стадия – гидроксокислота, как нестойкое соединение образует углекислый газ и воду.

Процесс протекает по следующей схеме:

HCOOOH → CO₂ +H₂O (быстрая стадия).

Образования пероксида водорода в водоёме происходит при фотосинтезе (воздействие энергии солнечного света) с участием микроорганизмов. Данный процесс под воздействием внешней световой энергии можно представить следующей схемой:

Анодный процесс  (); процесс окисления;

Катодный процесс  (); процесс восстановления;

^{___________________________}

 – суммарное уравнение (уравнение самоокисления-самовосстановления).

Константа равновесия для данного процесса равна

.

Если  – потенциал катодного процесса,

а  – потенциал анодного процесса.

Тогда условие равновесия будет

= 

Преобразуя данное уравнение, как разницу между анодным и катодным процессами, возможно определить константу равновесия данного процесса:

,

.

Табл. 1

Определение константы скорости образования пероксида водорода под воздействием энергии солнца

lgKp	Анодный потенциал fанода	Катодный потенциал fкатода	Kp
36,88135593	1,776	0,688	7,609E+36

    Так как константа равновесия больше единицы, то процесс образования пероксида водорода вероятен: энергия Гиббса данного процесса равна :

Табл.2

Энергия  Гиббса данного процесса равна 

Энергияа				Постоянная	Частота светов.
Гиббса				Планка	излучения
∆G, Дж/мольК	R, Дж/мольК	Kp	lnKp	h	n,Гц
-1,8446E-16	-8,3140E+00	7,6095E+36	8,4922E+01	6,6260E-34	3,9430E+14
∆G<0	отрицательный знак ∆G указывает на возможность протекания процесса

где величина 2,612∙10^-19 соответствует температуре, которая эквивалентна энергии светового излучения Q=E=n∙h=3,943∙10¹⁴∙6,626∙10^-34=2,612∙10^-19 Дж/моль∙с∙К,

где n – частота светового потока, которая равна ; h=6,626∙10^-34 Дж∙с – постоянная Планка. Тогда масса образовавшегося пероксида от квант энергии будет равна , что соответствует 1,66057∙10^-27 кг∙2,903 а.е.м.= 4,8206∙10^-63 кг= 4,8206∙10^-60 г

    Результаты экспериментальных данных показали, что концентрация пероксида водорода в воде составляет  или .[1]*.

    При очистке сточных вод от примесей формальдегида (HCOH), который особенно опасен для микроорганизмов биологических очистных сооружений, применяется физико-химический метод очистки, основанный на окислении формальдегида пероксидом водорода, в присутствии катализаторов (Pt, Cd, С и т. д.), образующегося в процессе фотосинтеза, описанный выше (гетерогенно-каталитическая система). Гетерогенный катализ сложный физико-химический процесс, который протекает на границе раздела фаз, характеризующийся как диффузией вещества в зону взаимодействия, так и кинетикой (скоростью взаимодействием). Катализатор образует с одним из исходных, веществ промежуточные соединения, активируя данный реагент. В настоящее время нет единой теории, на основе которой можно выбрать для каждого процесса наиболее подходящий катализатор. Поэтому в работе поставлена задача подобрать наиболее подходящий электрод-катализатор с экологической и экономической оценкой его применения.

При гетерогенном катализе возможны процессы, которые
описываются следующими схемами:

1 стадия – распад пероксида водорода.

Результат стехиометрического расчёта показал, что

                                                                         3,4∙10^-5 г.        1,6∙10^-5 г

3H₂O₂ → 1,5O₂ + 3H₂O (быстрая стадия);

                                                                    102 г/моль          48 г/моль    54 г/моль

в результате данного процесса образовалось  кислорода.

2 стадия (лимитирующая) – окисление формальдегида до муравьиной кислоты кислородом,
образовавшимся в результате разложения пероксида.

Результат стехиометрического расчёта показал, что на окисление формальдегида по приведенной схеме, необходимо  кислорода.