Bài báo cáo thực tập công nghệ điện hóa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA – TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HÓA HỌC NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT HĨA HỌC KHĨA 2018 BÀI BÁO CÁO THỰC TẬP CƠNG NGHỆ ĐIỆN HĨA Giảng viên: HUỲNH LÊ THANH NGUYÊN Thành phố Hồ Chí Minh, 04/2021 BÀI XÁC ĐỊNH ĐIỆN TRỞ PHÂN CỰC VÀ MẬT ĐỘ DÒNG ĂN MÒN Giới thiệu chung: 1.1 Giới thiệu ăn mịn: 1.1.1 Ăn mịn điện hóa gì? Ăn mịn điện hóa học tượng xảy phá hủy kim loại hợp kim tiếp xúc với dung dịch chất điện li để tạo nên dịng điện Thực chất, ăn mịn điện hóa học xác q trình oxy hóa khử, kim loại bị ăn mịn tác dụng dung dịch chất điện ly tạo nên dòng electron chuyển dời từ cực âm sang cực dương Cịn thực tế, tượng ăn mịn điện hóa thường xảy cặp kim loại hay hợp kim để bên ngồi khơng khí ẩm, chúng nhúng vào dung dịch axit, dung dịch muỗi nước khơng ngun chất 1.1.2 Điều kiện xảy ăn mịn điện hóa: Sự ăn mịn điện hóa xảy điều kiện sau: + Các điện cực cần phải khác chất, cặp hai kim loại khác cặp kim loiaj với phi kim + Các điện cực cần phải tiếp xúc trực tiếp gián tiếp với qua dây dẫn + Các điện cực tiếp xúc với dung dịch chất điện li dẫn đến tượng ăn mòn điện hóa kim loại Một số lưu ý cần nhớ: Nếu thiếu ba điều kiện khơng xảy ăn mịn điện hóa học Ở tự nhiên, ăn mịn điện hóa xảy vơ phức tạp, xảy đồng thời q trình ăn mịn điện hóa học ăn mịn hóa học 1.1.3 Cách phân biệt ăn mịn điện hóa ăn mịn hóa học: Ăn mịn điện hóa Hiện tượng xảy phá hủy kim loại hợp kim tiếp xúc với dung dịch chất điện li để tạo nên dịng điện Ăn mịn hóa học Chính q trình oxi hóa khử electron kim loại chuyển trực tiếp đến chất mơi trường Phân loại Ăn mịn hóa học Ăn mịn điện hóa học - Các điện cực phải khác nhau, cặp hai kim loại khác cặp kim loại Điều Thường xảy thiết phi kim cặp kim loại - hợp chất hóa kiện xảy bị lị đốt thiết bị học (như Fe3C) Trong kim loại ăn thường xuyên phải tiếp xúc điện cực chuẩn nhỏ cực âm mòn với nước khí oxi - Các điện cực phải tiếp xúc trực tiếp gián tiếp với qua dây dẫn, điện cực phải tiếp xúc với dung dịch chất điện li - Sự ăn mịn điện hóa vật gang (hợp kim Fe - C)(hoặc thép) mơi trường khơng khí ẩm có hịa tan khí CO2, SO2, O2 tạo lớp dung dịch điện Thiết bị Fe tiếp xúc với li phủ bên kim loại - Tinh Fe (cực âm), tinh thể C cực Cơ chế nước, khí oxi thường xảy dương ăn phản ứng: Ở cực dương: xảy phản ứng khử: mòn 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2↑ 2H+ + 2e → H2 ; O2 + 2H2O + 4e → 4OH3Fe + 2O2 Fe3O4 Ở cực âm: xảy phản ứng oxi hóa: Fe → Fe2+ + 2e Những Fe2+ tan vào dung dịch chứa oxi → Fe3+ cuối tạo gỉ sắt có thành phần Fe2O3.nH2O Là q trình oxi hóa - khử, Bản chất electron kim ăn loại chuyển trực tiếp mòn đến chất mơi trường, ăn mịn xảy chậm Là ăn mòn kim loại tác dụng dung dịch chất điện li tạo nên dòng điện Mịn điện hóa xảy nhanh ăn mịn hóa học Bảng Bảng so sánh chi tiết ăn mịn điện hóa ăn mịn hóa học 1.1.4 Phản ứng ăn mịn: 1.2 Thế ăn mịn gì? Thế ăn mòn (Ecorr) điện cực mà tốc độ oxy hóa kim loại M (dịng anode Ia) tốc độ dòng khử Zx+ (dòng cathode Ic) 1.3 Phương pháp Tafel (Phân cực lớn): η> RT nF 1.3.1 Phương trình Tafel: η = a + b.log i 1.3.2 Phân cực anode lớn: i ~ ia 1.3.3 Phân cực cathode lớn: i ~ ic 1.3.4 Phương pháp Tafel: Cơ sở phương pháp áp dụng phương trình Butler-Volmer khoảng lớn (thường phân cực tới khoảng 300mV) η = a + b.log i Hình Sự phụ thuộc Log mật độ dịng Q Đường thẳng khơng liền nét hình đường ngoại suy từ vùng Tafel catot hoặc/và vùng Tafel catot đến ăn mòn dùng tính tốc độ ăn mịn 1.3.5 Ưu điểm nhược điểm phương pháp Tafel: Ưu điểm: Các đường Tafel sử dụng cho việc đo trực tiếp dòng ăn mòn hay tốc độ ăn mòn nhanh so với phương pháp trọng lượng, thuận tiện cho việc nghiên cứu chất ức chế, chất oxi hóa so sánh hợp kim khác tìm hiểu chế phản ứng, động học trình Nhược điểm: Mẫu dùng ghi đường Tafel không dùng lại cho phép đo khác 1.3.6 Xác định tốc độ ăn mòn: v (mm / year) vcorr = 3.15 × icorr × EW d • vcorr − tốc độ ăn mịn (mm year-1); • icorr – mật độ dịng ăn mịn (mA/cm2 ); • EW – đương lượng gram (g/mol) EWCT3=28 g mol-1 ; • d –khối lượng riêng kim loại (g cm-3) dCT3 = 7.8 g cm-3; Quy trình thực nghiệm: 2.1 Nghiên cứu ăn mịn điện hóa thép CT3: 2.1.1 Chuẩn bị dung dịch đo: + Dùng beaker 100 mL lấy 50 mL nước máy phòng LAB + Pha 100 mL dung dịch NaCl 10-2 M Ta cân 0,067g NaCl cho vào beaker 50 mL + Pha 100 mL dung dịch H2SO4 10-3 M: từ bình H2SO4 đậm đặc ≥ 95% Ta có: CM =10× C%×d 10×95%×1.83 = =17.74M M 98 Lại có: C1.V1 = C2 V2  10 100 = 17.74  V2 -2  V2 = 5,6mL 2.1.2 Chuẩn bị điện cực thép CT3: Ta mài điện cực thép CT3 (với đường kính 0,6 cm; đút nhựa Epoxy) loại giấy nhám theo thứ tự: P120; P400; P600; P800 P1000 Mài khoảng từ đến phút lớp oxide bong thấy độ bóng định điện cực Hình Hình ảnh điện cực thép CT3 2.1.3 Hệ đo ăn mòn điện cực CT3: Hệ đo gồm: + Điện cực CT3 + Điện cực so sánh Ag/AgCl + Điện cực đối Pt Hình Hệ đo ăn mịn điện cực CT3 2.1.4 Sử dụng phương pháp Tafel xử lý kết quả: + Quét khoảng ±250 mV so với cân với tốc độ quét mV/s + Trước quét thế, ta cần phải chờ 15 phút để ổn định đạt cân + Sau 15 phút, ta nhìn giá trị điện bao nhiêu, lấy số trừ cho 250 mV cộng cho 250 mV điền vào bảng ô “Lower bound Upper bound” + Ở ô “Start potential”, ta ghi giá trị giống với giá trị ô “Lower bound” vừa tính + Chỉnh thơng số lại theo đề yêu cầu chọn “Start cyclic voltammetry” để bắt đầu tiến hành + Chờ 30 phút tiến hành đổi sang dung dịch khác 2.1.4.1 Đồ thị bảng thông số nước máy: Hình Đường cong Tafel CT3 nước máy Ecorr (V) Slopeanode Slopdecathode Log(icorr) -0.317054264 -5.62111 9.4499 -5.76457272 Bảng Các thông số xác định từ việc ngoại suy đồ thị đường cong Tafel CT3 nước máy 2.1.4.2 Đồ thị bảng thông số NaCl 10-2 M: Hình Đường cong Tafel CT3 NaCl Ecorr(V) Slopeanode Slopdecathode Log(icorr) -0.31370269 -4.77375 22.22967 -5.94736842 Bảng Các thông số xác định từ việc ngoại suy đồ thị đường cong Tafel CT3 NaCl 2.1.4.3 Đồ thị bảng thông số H2SO4 10-3 M: Hình Đường cong Tafel CT3 H2SO4 E corr(V) Slope anode Slopdecathode Log(icorr) -0.586046512 -4.13738 4.34643 -4.58064516 Bảng Các thông số xác định từ việc ngoại suy đồ thị đường cong Tafel CT3 H2SO4 BÀI 3: TỔNG HỢP MnO2 VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT ĐIỆN HĨA Giới thiệu chung Mangan(IV) oxit, thường gọi mangan đioxit hợp chất vơ có cơng thức hóa học MnO2 Hợp chất chất rắn có màu đen nâu tồn tự nhiên dạng khoáng sản pyrolusit, quặng kim loại mangan Hình Trạng thái rắn, màu đen Mangan Dioxide Một số dạng đa hình MnO2 khẳng định, dạng ngậm nước Giống nhiều dioxit khác, MnO2 kết tinh cấu trúc tinh thể rutil (dạng đa hình gọi pyrolusit β-MnO2), với tâm kim loại ba tọa độ hình bát diện MnO2 có đặc điểm khơng cân bằng, bị thiếu oxy Hóa học trạng thái rắn phức tạp vật liệu có liên quan đến truyền thuyết MnO2 "mới điều chế" tổng hợp hữu Dạng đa hình α MnO2 có cấu trúc mở với "kênh" chứa nguyên tử kim loại như bạc bari α MnO2 thường gọi hollandite, theo tên khống chất có liên quan chặt chẽ MnO2 sử dụng làm chất tạo màu tiền thân hợp chất mangan khác, chẳng hạn KMnO4 Nó cịn sử dụng làm chất xúc tác tổng hợp hữu cơ, ví dụ, q trình oxy hóa rượu allylic Bên cạnh đó, MnO2 ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực hấp phụ, công nghiệp lưu trữ lượng đặc biệt để sản xuất loại pin tiểu Mặc dù có nhiều dạng thù hình γ-MnO2 sử dung rộng rãi làm vật liệu cathode loại pin tiểu Điện phân phương pháp hữu ích để tổng hợp MnO2 Sản phẩm MnO2 hình thành nhờ phản ứng oxy hóa-khử dung dịch Mn2+ Phản ứng anode: Mn2+ + 2H2O → MnO2 + 4H+ + 2ePhản ứng cathode: 2H+ + 2e- → H2 Quy trình thực nghiệm 2.1 Chuẩn bị dung dịch điện phân: - 250 mL Mn(NO3)2 0.3 M (pH = 1, sử dụng H2SO4) - 250 mL Mn(NO3)2 0.3 M Na2SO4 0.9 M (pH = 1) 2.2 Chuẩn bị điện cực than: Ta mài điện cực giấy nhám P800 Mài lớp oxide bong thấy độ bóng định điện cực Sau đó, ta chọn đầu điện cực, đo từ đầu điện cực khoảng cách 1cm, sau dùng băng keo cách điện dán từ khoảng cách 1cm đo xuống kín hết điện cực, chừa chỗ trống với diện tích cm2 làm trước Sau hồn thành bước chuẩn bị điện cực trên, ta cân khối lượng điện cực Hình Điện cực than sau chuẩn bị xong 2.3 Giới thiệu hệ thống điện phân: - Bao gồm điện cực: điện cực làm việc, điện cực so sánh điện cực đối - Máy tính chạy phần mềm ghi nhận tín hiệu Hình Hệ thống điện phân 2.4 Giới thiệu phương pháp Qt vịng tuần hồn – CV: 2.4.1 Nguyên lý phương pháp: Đây kỹ thuật quét tuyến tính Tuy nhiên, sau khoảng thời gian định, λ, chiều quét đảo chiều Eλ Hình Biểu diễn phụ thuộc Thế Dòng 2.4.2 Phản ứng thuận nghịch: Các đặc tính: + ∆EP nhỏ, khơng phụ thuộc vào tốc độ quét + ∆EP không phụ thuộc nhiều vào α + ip,a/ip,c không phụ thuộc vào v, D Hình Đồ thị phản ứng thuận nghịch 2.4.3 Phản ứng bất thuận nghịch: Các đặc tính: + ∆EP tăng + ip,a/ip,c giảm + Dịng peak phụ thuộc vào α Hình Đồ thị phản ứng bất thuận nghịch 2.4.4 Một số ứng dụng: + Khảo sát tính chất điện hóa hệ oxy hóa khử + Phân tích định tính chất có hoạt tính điện hóa + Nghiên cứu tổng hợp hữu phương pháp điện hóa + Nghiên cứu tính chất vật liệu điện cực + Đo phân cực vòng nghiên cứu ăn mịn điểm 2.5 Tiến hành thí nghiệm: - Điện phân dung dịch với mật độ dòng 2.5 mA/cm2 30 phút hai dung dịch - Sau điện phân, ta sấy điện cực 15 phút cân lại điện cực - Thực tính tốn Lấy ví dụ cho TN1, ta tính được: m thucte = msau - m bandau = 2.4220 - 2.4155 = 6.5×10-3 m lythuyet = M MnO2 ×I×t 87×2.5×(30×60) = =2.0285 10 −3 z×F 2×96500 1000 6.5×10-3 ×100=320.4% → H= 2.0285×10-3 - Tương tự với TN2, TN3 TN4: 4.3×10-3 ×100=105.9% + TN2: → H= 4.057×10-3 3.7×10-3 ×100=182.4% + TN3: → H= 2.0285×10-3 + TN4: → 2.3×10-3 H= ×100=56.7% 4.057×10-3 TN1 TN2 TN3 TN4 Điện cực Khối lượng điện cực trước phản ứng (mban đầu)gam 2.4155 g 4.1576 g 2.4937 g 4.2802 g Khối lượng điện cực sau phản ứng (msau)gam 2.4220 g 4.1619 g 2.4974 g 4.2825 g Khối lượng thực tế (mthucte )gam 6.5 x 10-3 4.3 x 10-3 3.7 x 10-3 2.3 x 10-3 Khối lượng lý thuyết (mlythuyet )gam 2.0285 x 10-3 4.057 x 10-3 Mật độ dòng (A) 2.5 x 10-3 Hiệu suất (%) 320.4% 2.0285 x 103 4.057 x 10-3 x 10-3 2.5 x 10-3 x 10-3 105.9% 182.4% 56.7% Bảng Bảng trình bày kết tính tốn hiệu suất 3.Kết biện luận: 3.1 Đồ thị CV bảng Result Log: 3.1.1 Điện phân dung dịch H2SO4 2.5 – 10mV/s (TN1-10) Hình 7.1 Đồ thị biểu diễn theo dịng lần đo H2SO4 2.5 – 10mV/s Hình 7.2 Đồ thị biểu diễn theo dòng lần đo H2SO4 2.5 – 10mV/s Hình 7.3 Kết tính diện tích lần đo H2SO4 2.5 – 10mV/s 3.1.2 Điện phân dung dịch H2SO4- 2.5- 25 mV/s (TN1-25) Hình 8.1 Đồ thị biểu diễn theo dòng lần đo H2SO4- 2.5- 25 mV/s (TN1-25) Hình 8.2 Đồ thị biểu diễn theo dòng lần đo H2SO4- 2.5- 25 mV/s (TN1-25) Hình 8.3 Kết tính diện tích lần đo H2SO4- 2.5- 25 mV/s (TN1-25) 3.1.3 Điện phân dung dịch H2SO4- - 10 mV/s (TN2-10) Hình 9.1 Đồ thị biểu diễn theo dịng lần đo H2SO4- - 10 mV/s (TN2-10) Hình 9.2 Đồ thị biểu diễn theo dòng lần đo H2SO4- - 10 mV/s (TN2-10) Hình 9.3 Kết tính diện tích lần đo H2SO4- - 10 mV/s (TN2-10) 3.1.4 Điện phân dung dịch H2SO4- - 25 mV/s (TN2-25) Hình 10.1 Đồ thị biểu diễn theo dòng lần đo H2SO4- - 25 mV/s (TN2-25) Hình 10.2 Đồ thị biểu diễn theo dòng lần đo H2SO4- - 25 mV/s (TN2-25) Hình 10.3 Kết tính diện tích lần đo H2SO4- - 25 mV/s (TN2-25) 3.1.5 Điện phân dung dịch Na2SO4 - 2.5 – 10 mV/s (TN3-10) Hình 11.1 Đồ thị biểu diễn theo dòng lần đo Na2SO4 - 2.5 – 10 mV/s (TN3-10) Hình 11.2 Đồ thị biểu diễn theo dòng lần đo Na2SO4 - 2.5 – 10 mV/s (TN3-10) Hình 11.3 Kết tính diện tích lần đo Na2SO4 - 2.5 – 10 mV/s (TN3-10) 3.1.6 Điện phân dung dịch Na2SO4 - 2.5 – 25 mV/s (TN3-25) Hình 12.1 Đồ thị biểu diễn theo dòng lần đo Na2SO4 - 2.5 – 25 mV/s (TN3-25) Hình 12.2 Đồ thị biểu diễn theo dòng lần đo Na2SO4 - 2.5 – 25 mV/s (TN3-25) Hình 12.3 Kết tính diện tích lần đo Na2SO4 - 2.5 – 25 mV/s (TN3-25) 3.1.7 Điện phân dung dịch Na2SO4 - – 10 mV/s (TN4-10) Hình 13.1 Đồ thị biểu diễn theo dòng lần đo Na2SO4 - – 10 mV/s (TN4-10) Hình 13.2 Đồ thị biểu diễn theo dòng lần đo Na2SO4 - – 10 mV/s (TN4-10) Hình 13.3 Kết tính diện tích lần đo Na2SO4 - – 10 mV/s (TN4-10) 3.1.8 Điện phân dung dịch Na2SO4 - – 25 mV/s (TN4-25) Hình 14.1 Đồ thị biểu diễn theo dòng lần đo Na2SO4 - – 25 mV/s (TN4-25) Hình 14.2 Đồ thị biểu diễn theo dòng lần đo Na2SO4 - – 25 mV/s (TN4-25) Hình 14.3 Kết tính diện tích lần đo Na2SO4 - – 25 mV/s (TN4-25) 3.2 Xử lý số liệu để tính điện dung riêng Csp - Lấy ví dụ cho TN1, ta tính tốn được: → Csp = 0.00635 =48.84615 2×0.01×0.0065×1 → Csp = 0.0125 =38.46154 2×0.025×0.0065×1 - Tương tự cho TN2, TN3 TN4, ta bảng sau: TN1 TN1 TN2 TN2 TN3 TN3 TN4 TN4 mthucte (g) 0,0065 0,0065 0,0043 0,0043 0,0037 0,0037 0,0023 0,0023 Delta E (V) 1 1 1 1 V (V/s) 0,01 0,025 0,01 0,025 0,01 0,025 0,01 0,025 Area 0,00635 0,0125 0,00544 0,01077 0,00649 0,01382 0,00591 0,01016 Csp 48,84615 38,46154 63,25581 50,09302 87,7027 74,7027 128,4783 88,34783 Bảng Bảng trình bày kết tính tốn điện dung riêng Csp Kết luận: + Hồn thành mục tiêu thí nghiệm tổng hợp MnO2 đánh giá tính chất điện hóa + Xác định điện dung riêng thí nghiệm + Từ bảng giá trị tính tốn được, ta thấy thí nghiệm, điện dung riêng tốc độ quét 10 (mV/s) lớn tốc độ quét 25 (mV/s) Và tổng thể giá trị điện dung riêng tăng dần từ TN1 đến TN4 ... mịn điện hóa học ăn mịn hóa học 1.1.3 Cách phân biệt ăn mịn điện hóa ăn mịn hóa học: Ăn mịn điện hóa Hiện tượng xảy phá hủy kim loại hợp kim tiếp xúc với dung dịch chất điện li để tạo nên dòng điện. .. chất điện li tạo nên dòng điện Mịn điện hóa xảy nhanh ăn mịn hóa học Bảng Bảng so sánh chi tiết ăn mịn điện hóa ăn mịn hóa học 1.1.4 Phản ứng ăn mịn: 1.2 Thế ăn mịn gì? Thế ăn mòn (Ecorr) điện. .. Các điện cực tiếp xúc với dung dịch chất điện li dẫn đến tượng ăn mịn điện hóa kim loại Một số lưu ý cần nhớ: Nếu thiếu ba điều kiện khơng xảy ăn mịn điện hóa học Ở tự nhiên, ăn mịn điện hóa