NGHIấN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA pH VÀ NỒNG ĐỘ ION CLO CHO ĐẾN QUÁ TRèNH HOÀ TAN ANễT FE STUDY ON THE INFLUENCE OF pH AND CHLORIDE ION CONCENTRATION ON THE ANODIC DISSOLUTION OF IRON Lấ TỰ HẢ
Trang 1NGHIấN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA pH VÀ NỒNG ĐỘ
ION CLO CHO ĐẾN QUÁ TRèNH HOÀ TAN ANễT FE
STUDY ON THE INFLUENCE OF pH AND CHLORIDE ION
CONCENTRATION ON THE ANODIC DISSOLUTION OF IRON
Lấ TỰ HẢI
Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng
TểM TẮT
Ảnh hưởng của nồng độ ion clo và pH đến sự hũa tan anụt của Fe trong dung dịch nước đó được nghiờn cứu bằng phương phỏp đo đường cong phõn cực và phổ tổng trở điện húa (EIS) Cỏc kết quả thu được cho thấy rằng tốc độ hũa tan anụt tăng tuyến tớnh với sự tăng nồng độ ion Cl- Tốc độ hũa tan anụt giảm khi pH tăng và đạt giỏ trị cao nhất ở pH = 3,0 và thấp nhất tại pH = 11,0 Dạng đồ thị Nyquist của phổ tổng trở gồm một bỏn cầu Đường kớnh của bỏn cầu phụ thuộc vào pH dung dịch
ABSTRACT
The effect of chloride ion concentration and pH on the anodic dissolution of Iron in aqueous solutions has been studied by using electrochemical polarization curves and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) It has been discovered that the rate of anodic dissolution
dissolution decreased, being highest at pH 3.0 and lowest at pH 11.0
The Nyquist impedance plots consisted only of one semicircle The diameter of semicircle was dependent upon solution pH
1 Mở đầu
Phương pháp keo tụ điện hóa được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải chứa chất thải thực phẩm, kim loại nặng, các hợp chất hữu cơ và nước thải dầu [1,2] Keo tụ điện hóa cũng được
sử dụng để tách các hợp chất phôtphat và xử lý nước thải của nhà máy dệt [3] Trong phương pháp keo tụ điện hóa, chất keo tụ được tạo thành bằng phản ứng oxi hóa điện cực anôt hòa tan Quá trình hòa tan anôt kim loại ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình keo tụ điện hóa và chịu ảnh hưởng của một số yếu tố trong môi trường
Trong bài báo này, ảnh hưởng của ion clo và pH dung dịch đến quá trình hòa tan anôt sắt
được nghiên cứu bằng phương pháp đo đường cong phân cực anôt thế động và phương pháp phổ tổng trở điện hóa (EIS)
Trang 22 Phương pháp thực nghiệm
Phép đo phổ tổng trở và đường cong phân cực được tiến hành trong bình đo 3 điện cực:
Điện cực so sánh là điện cực calomen bão hòa (SCE), điện cực phụ là thanh graphit, điện cực làm việc là một đĩa sắt (Fe 99,7%) có diện tích 1cm2
Trước mỗi phép đo, bề mặt điện cực được tẩy cơ học bằng giấy nhám SiC (1200), tẩy mỡ trong axeton và rửa lại bằng nước cất
Đường cong phân cực anôt thu được bằng phương pháp quét thế tuyến tính với tốc độ quét thế 5mV/s từ -1V đến +1V so với (SCE) Phổ tổng trở được đo trong vùng tần số 10mHz - 10KHz với thế A.C là 10mV Tất cả các phép đo điện hóa được tiến hành trên thiết bị PAR-potentiostat- model 273A và 1025FRD (Frequency Response Detector) [4]
Quá trình hòa tan anôt Fe được nghiên cứu trong dung dịch NaCl có nồng độ 0,01M; 0,03M; 0,1M và 0,3M ở các giá trị pH khác nhau pH dung dịch được điều chỉnh bằng dung dịch HCl và NaOH đậm đặc
3 Kết quả và thảo luận
3.1.Đường cong phân cực anôt thế động
Kết quả đo đường cong phân cực của Fe trong các dung dịch NaCl tại giá trị pH= 3,0; 7,0; 11,0 được trình bày ở hình 1
(a) (b)
Trang 3(c) Hình 1 Đường cong phân cực anôt Fe trong dung dịch các NaCl
ở các môi trường: a- pH=3,0; b- pH = 7,0; c- pH = 11,0
Các kết quả đo cho thấy Fe dễ bị hòa tan ở vùng thế anôt trong dung dịch trung tính và axit; đồng thời không có màng thụ động hình thành trên bề mặt điện cực Trong dung dịch kiềm (pH = 11,0), trên bề mặt điện cực có tạo màng thụ động trong vùng thế thụ động
Tốc độ hòa tan anôt Fe trong các môi trường pH khác nhau tăng khi nồng độ NaCl tăng Nguyên nhân này là do ion Cl
tương tác với màng và phá hủy nó theo các phản ứng sau: FeOOH + Cl
FeOCl + OH-
(1) FeOCl + H2O Fe3+
+ Cl + 2OH
(2)
ảnh hưởng của pH đến đường cong phân cực anôt Fe trong các dung dịch NaCl được trình bày ở hình 2
(a) (b)
Trang 4( c ) (d)
Hình 2 Đường cong phân cực anôt Fe trong dung dịch NaCl có nồng độ:
a- 0,01M; b- 0,03M; c- 0,1M; d- 0,3M
Tốc độ hòa tan anôt Fe tăng khi pH giảm Phản ứng hòa tan Fe trong các môi trường như sau:
Fe Fe2+
+ 2e (3) Tuy nhiên, do ảnh hưởng của phản ứng khử catôt trong các môi trường khác nhau, nên tốc độ hòa tan anôt Fe cũng thay đổi
Theo [5] trong dung dịch trung tính (pH = 7,0) có một màng oxit Fe hai xốp hình thành trên bề mặt và oxi bị khử theo phương trình sau:
O2 + H2O + 4e 4OH
Trong dung dịch axit ( pH = 3,0) màng oxit Fe hai bị hòa tan và tốc độ hòa tan anôt tăng lên Ion H+
trong môi trường bị khử theo phương trình:
2H+ + 2e H2 (5)
ở môi trường pH = 11,0 tốc độ hòa tan anôt chậm do bởi sự hình thành lớp màng oxit
Fe3+
với sự có mặt của oxi hòa tan
3.2 Phổ tổng trở điện hóa (EIS)
Hình 3 trình bày phổ tổng trở dạng Nyquist của Fe trong dung dịch NaCl 0,1M ở giá trị pH = 3,0; 7,0 và 11,0
Trang 5a b
Hình 3 Đồ thị tổng trở dạng Nyquist của Fe trong dung dịch NaCl 0,1M
trong các môi trường: a- pH 3.0; b- pH 7.0; c- pH 11.0
Các phổ Nyquist thu được chỉ gồm một bán cầu Đồng thời đường kính của bán cầu lớn nhất trong môi trường pH = 11,0 và nhỏ nhất trong môi trường pH = 3,0 Điều này cho thấy tốc độ hòa tan anôt Fe lớn nhất trong môi trường pH =3,0 và nhỏ nhất trong môi trường pH = 11,0 Kết quả này phù hợp với kết quả đo đừơng cong phân cực
Từ các số liệu phổ tổng trở và sử dụng chương trình ZSimp Win, mạch điện hóa tương
đương của phản ứng ăn mòn Fe trong dung dịch nghiên cứu như hình sau:
Cdl
RS RP
R: Điện trở phân cực R: Điện trở dung dịch C : Điện dung lớp kép
Trang 64 Kết luận
- Tốc độ hòa tan anôt Fe trong dung dịch NaCl giảm khi tăng giá trị pH, lớn nhất ở pH
= 3,0 và thấp nhất ở pH = 11,0 Trong các môi trường khác nhau, tốc độ hòa tan anôt tăng khi tăng nồng độ NaCl
- Trong môi trường axit và trung tính Fe không thể hiện tính thụ động Trong môi trường kiềm màng thụ động xuất hiện trong vùng thế thụ động
- Các kết quả đo phổ tổng trở cho thấy đồ thị Nyquist chỉ gồm một bán cầu và mạch
điện hóa tương đương của phản ứng hòa tan anôt Fe là mạch Randle
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] E C Beck, A P Giannini, Food Technol, 18 – 19, 22, 1974
[2] D R Jenke and F E Diebold, Water Research, 18, 855, 1984
[3] J S Do and M L Chen, J Appl Electrochem, 24 785 – 790, 1994
[4] J R Macdonal, Impedance Spectroscopy, Chapel Hill, New York, 1987
[5] Denny A Jones, Principles and prevention of corrosion, Prentice Hall, London –
Sydney, 1996
