giáo trình bài giảng môn điện hóa

PHẦN I. CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA Chương 1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐIỆN HÓA I.1. Một số khái niệm : - Điện hóa là tên gọi một lĩnh vực trong hóa học nghiên cứu về mối liên hệ giữa các quá trình hóa học và dòng điện. Một phản ứng hóa học xảy ra khi có dòng điện chạy qua, hay qua phản ứng hóa học có một hiệu điện thế, đây là những quá trình điện hóa. Trong các quá trình này luôn tồn tại đồng thời hai hiện tượng: ôxi hóa và ôxi hóa khử (phản ứng ôxi hóa khử) - Điện hóa học là khoa học nghiên cứu sự chuyển hóa tương hỗ giữa hóa năng và điện năng, tức là nghiên cứu mối quan hệ qua lại giữa phản ứng hóa học và dòng điện. Việc nghiên cứu sự chuyển hóa tương hỗ giữa hai dạng năng lượng được phát triển từ lâu và ngày càng có nhiều ứng dụng rộng rãi, hữu ích trong đời sống và trong công nghiệp. - Khi nghiên cứu đến các quá trình điện hóa, thường hay gặp các đại lượng sau đây : * Điện thế : ( V, mV) - Điện thế điện cực, điện thế điểm không tích điện - Điện thế oxy hóa- khử - Điện thế thoát kim loại, điện thế phóng điện - Phân cực - Quá thế * Dòng điện, mật độ dòng điện : (A,mA ; a/m2, mA/cm2 A/lit ) - Dòng A nốt; dòng Ca tốt; - Mật độ dòng anôt ; mật độ dòng catốt - Mật độ dòng thể tích ( A/lit) * Chất điện ly : - Thành phần chất điện ly - Anolic – dung dich ở vùng anôt; Catolic- Dung dịch vùng catốt * Dung lượng, Hiệu suất dòng * Điện cực trong kỹ thuật điện hóa : - Điện cực anôt ; điện cực phụ, điện cực làm việc - Điện cực catôt - Điện cực so sánh ; Điện cực so sánh điều khiển * Quá thế Quá thế là hiện tượng khi đặt vào điện cực một hiệu điện thế bằng thế điện cực nhưng không xãy ra quá trình điện phân mà cần một hiệu điện thế cao hơn. * Phân cực * Điện trở phân cực * Thụ động, hoạt động. * Đương lượng điện hóa * Định luật Faraday Định luật 1 Khối lượng chất thoát ra tỉ lệ với điện lượng qua bình điện phân. m = k.Q Trong đó, k là đương lượng điện hóa; về giá trị của nó bằng khối lượng chất thoát ra ở điện cực khi có một đơn vị điện lượng đi qua bình điện phân. Q là điện lượng có thể tính bằng đơn vị Faraday (F), 1F = 96.500 C = 26,8 A.h Định luật 2 Những điện lượng như nhau đi qua bình điện phân làm thoát ra cùng một số đương lượng gam chất. Cứ 1F điện lượng đi qua bình điện phân thoát ra 1 đương lượng gam chất bất kỳ. Thay Q = I.t và Đ = A/n thì biểu thức toán học của định luật là m = (A.I.t)/(n.F) Trong đó, I cường độ dòng điện (Ampe); t là thời gian (giây), F = 96500 Coulomb

Tài liệu tham khảo

PHẦN I CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓAChương 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐIỆN HÓA

I.1 Một số khái niệm :

- Điện hóa là tên gọi một lĩnh vực trong hóa học nghiên cứu về mối liên hệ giữa các quá trình hóa học và dòng điện Một phản ứng hóa học xảy ra khi có dòng điện chạy qua, hay qua phản ứng hóa học có một hiệu điện thế, đây là những quá trình điện hóa Trong các quá trình này luôn tồn tại đồng thời hai hiện tượng: ôxi hóa và ôxi hóa khử (phản ứng ôxi hóa khử)

- Điện hóa học là khoa học nghiên cứu sự chuyển hóa tương hỗ giữa hóa năng và điện năng, tức là nghiên cứu mối quan hệ qua lại giữa phản ứng hóa học và dòng điện Việc nghiên cứu sự chuyển hóa tương hỗ giữa hai dạng năng lượng được phát triển từ lâu và ngày càng có nhiều ứng dụng rộng rãi, hữu ích trong đời sống và trong công nghiệp

- Khi nghiên cứu đến các quá trình điện hóa, thường hay gặp các đại lượng sau đây :

* Điện thế : ( V, mV)

- Điện thế điện cực, điện thế điểm không tích điện

- Điện thế oxy hóa- khử

- Điện thế thoát kim loại, điện thế phóng điện

- Anolic – dung dich ở vùng anôt; Catolic- Dung dịch vùng catốt

* Dung lượng, Hiệu suất dòng

* Điện cực trong kỹ thuật điện hóa :

- Điện cực anôt ; điện cực phụ, điện cực làm việc

Cứ 1F điện lượng đi qua bình điện phân thoát ra 1 đương lượng gam chất bất kỳ.

Thay Q = I.t và Đ = A/n thì biểu thức toán học của định luật là

m = (A.I.t)/(n.F)

Trong đó, I cường độ dòng điện (Ampe); t là thời gian (giây), F = 96500 Coulomb

I.2 Một số ứng dụng kỹ thuật điện hóa

I.2.1 Tách và tinh luyện kim loại bằng điện phân

Tinh luyện Zn, Tinh luyện Đồng

Tinh luyện Zn bằng điện phân

Luyện Zn thông dụng nhất là điện phân dung dịch ZnSO4 Sản phẩm Zn thu được có thể đạt 99,99%

Phản ứng ở cathode, kết tủa Zn:

Zn2+ + 2e → Zn

Oxi thoát ra trên điện cực không tan: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e

- Do quá thế của H2 trên Zn rất cao nên Zn có thể kết tủa trong môi trường acid với hiệu suất rất cao Thế khử của Zn+ âm hơn điện thế khử của H+ Có mặt các tạp chất khác, chúng sẽ kết tủa đồng thời với Zn Trên cathode, có những vị trí có quá thế hiđro thấp

- Tinh luyện Zn bằng điện phân

Quá trình thoát hiđro xảy ra mạnh, đồng thời với hòa tan Zn đã được kết tủa (theo cơ chế pin cục bộ) Các tạp chất như Cu, Bi, Ge và Sb không chỉ làm giảm hiệu suất dòng

mà còn ngăn không cho Zn kết tủa Vì vậy mục đích xử lý quặng Zn để tạo ra dung dịch kẽm sunfat không có tạp chất ảnh hưởng không tốt đến phản ứng cathode

- Tinh luyện Zn bằng điện phân

Tinh luyện Đồng

Đồng sản xuất bằng các quá trình luyện kim chứa nhiều tạp chất, thường 0,5 – 2% Tạp chất ảnh hưởng xấu đến tính chất cơ, điện của Cu 0,15% P hoặc 0,5 % As sẽ giảm đáng kể độ dẫn điện Vì vậy, cải thiện tính chất điện của Cu là lý do chính của điện phân tinh luyện Lý do thứ hai của tính luyện điện hoá là tách các kim loại quý như Au,

Zn2+ trong dung dịch song chúng không bị khử ở cathode tại thế khử đồng Các kim loại có thế dương điện hơn như vàng, bạc không bị oxi hóa anode và đọng lại ở đáy bình điện phân khi anode đồng bị hòa tan Bằng cách này đồng đạt độ ròng là 99,5%.

I.2.2 Mạ kim loại

- Lớp mạ anode là lớp mạ mà kim loại có điện thế âm hơn điện thế kim loại nền trong môi trường ăn mòn

- Lớp mạ anode phổ biến trong thực tế: lớp mạ kẽm, cadimi, thiếc trên thép

- Lớp mạ cathode là lớp mạ mà kim loại mạ có điện thế dương điện hơn điện thế kim loại nền trong môi trường ăn mòn Lớp mạ cathode bảo vệ hiệu quả kim loại nền nếu là lớp mạ liên tục, không bong, tróc, nứt nẻ hoặc có lỗ xốp

* Lớp mạ trang trí, bảo vệ

Lớp mạ vừa có tính bảo vệ có hiệu quả kim loại nền vừa có tính trang trí cao Chỉ có lớp mạ cathode mới thỏa mãn được các đặc tính trên của lớp mạ trang trí bảo vệ Các lớp mạ sau đây thường đóng vai trò lớp mạ trang trí bảo vệ:

- Lớp mạ làm phục hồi các trục, các chi tiết bị mài mòn

- Trong công nghiệp bán dẫn (transitor, diot,…) người ta dùng lớp mạ vàng để mạ các tiếp điện, các linh kiện điện tử,…

- Tạo lớp mạ crom vi rãnh trong pittong, xylanh để thấm dầu, chống ma sát

I.2.3 Đánh bóng điện hóa

Nhiều kim loại khó đánh bóng đặc biệt là nhôm và các loại thép không gỉ, có thể đánh bóng bằng phương pháp điện hóa một cách dễ dàng, hiệu quả cao, giá thành hạ Có ba nhóm kim loại thường được đánh bóng điện hóa:

- Nhôm và các hợp kim của nó.

- Đồng và các loại hợp kim của nó

- Các loại thép

Chỉ các hợp kim một pha (dung dịch rắn) và kim loại nguyên chất mới có thể đánh bóng điện hóa

I.2.4 Tẩy dầu mỡ điện hóa

Trong kỹ thuật mạ kim loại người ta cần phải làm sạch dầu mỡ trên bề mặt các chi tiết Phương pháp điện hóa làm sạch bề mặt có tác dụng tốt nhất, có thể tiến hành tẩy dầu

mỡ anode, cathode và tẩy dầu hỗn hợp

Các phương pháp tẩy dầu mỡ điện hóa: tẩy dầu mỡ cathode; tẩy dầu mỡ anode; tẩy dầu

mỡ hỗn hợp

I.3 Điện phân sản xuất háa chất

I.3.1 sản xuất Xut-Clo

I.3.2 sản xuất MnO 2…

I.3.3.Tổng hợp các chất hữu cơ bằng phương pháp điện hóa

I.4 Nguồn điện hóa học : Pin, Ắc Quy

I.5 Xử lý môi trường bằng phương pháp điện hóa

I.6 Ăn mòn - chống ăn mòn kim loại

Ăn mòn kim loại

Chống ăn mòn kim loại

Phương pháp bảo vệ điện hóa: gồm phương pháp bảo vệ cathode bằng điện cực anôt “hy sinh” và phương pháp bảo vệ cathode bằng dòng điện ngoài

Chương 2 MẠ ĐIỆN

II.1 Cơ sở lý thuyết:

Kỹ thuật mạ điện là của quá trình điện hóa phủ lớp kim loại lên một vật

Trong quá trình mạ điện, vật cần mạ được gắn với cực âm catôt, kim loại mạ gắn với cực dương anôt của nguồn điện trong dung dịch điện môi Cực dương của nguồn điện

sẽ hút các electron e- trong quá trình ôxi hóa và giải phóng các ion kim loại dương, dưới tác dụng lực tĩnh điện các ion dương này sẽ di chuyển về cực âm, tại đây chúng nhận lại e- trong quá trình ôxi hóa khử hình thành lớp kim loại bám trên bề mặt của vật được mạ Độ dày của lớp mạ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện của nguồn và thời gian mạ

Ví dụ: mạ đồng trong dung dịch điện môi SO42-, tại cực dương:

Hình II.1 Sơ đồ nguyên tắc bể mạ đồng

Kim loại mạ thường là vàng, bạc, đồng, niken và được dùng trong việc sản xuất đồ trang sức, linh kiện điện tử, tế bào nhiên liệu, đồ gia dụng không gỉ,

Hình II.2 Sơ đồ nguyên tắc bể mạ đồng

II.2 Điều kiện tạo thành lớp mạ điện

Mạ điện là một công nghệ điện phân Quá trình tổng quát là:

- Trên anot xảy ra quá trình hòa tan kim loại anot :

sẽ tạo thành mầm tinh thể mới, hoặc tham gia nuôi lớn mầm tinh thể đã hình thành trước đó Mọi trở lực của các quá trình trên đều gây nên một độ phân cực catot, (quá thế catot ), tức là điện thế catot dịch về phía âm hơn một lượng so với cân bằng :

ηc = φcb - φ = ηnđ + ηđh + ηkt

Trong đó :

ηc : quá thế tổng cộng ở catot

φcb: điện thế cân bằng của catot

φ: điện thế phân cực catot (đã có dòng i)

ηnđ: quá thế nồng độ (phụ thuộc vào quá trình khuếch tán)

ηđh: quá thế chuyển điện tích

ηkt : quá thế kết tinh

Do đó, điện kết tủa kim loại trên catot sẽ chỉ diễn ra khi nào điện thế catot dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng về phía âm một lượng đủ để khắc phục các trở lực nói trên

• Điều kiện xuất hiện tinh thể

Trong điều kiện điện kết tủa kim loại trong dung dịch, yếu tố quyết định tốc độ tạo mầm tinh thể là tỷ số giữa mật độ dòng điện catot Dc và mật độ dòng trao đổi i0 :

β = Dc / i0

Mặt khác, theo phương trình Tafel :

η = a + b.log Dc

Suy rộng ra, mọi yếu tố làm tăng phân cực catot đều cho lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn,

và ngược lại Các mầm tinh thể ban đầu mới xuất hiện được ưu tiên tham gia vào mạng lưới tinh thể của kim loại nền ở vị trí có lợi nhất về mặt năng lượng Đó là những chỗ tập trung nhiều nguyên tử láng giềng nhất, vì ở đó năng lượng dư bề mặt lớn nhất, các mối liên kết chưa được sử dụng là nhiều nhất Nếu kim loại nền và kim loại kết tủa có cấu trúc mạng khá giống nhau về hình thái, kích thước thì cấu trúc của kim loại nền được bảo tồn và kim loại kết tủa sẽ phát triển theo cấu trúc đó (cấu trúc lai ghép (epitaxy)), xảy ra ở những lớp nguyên tử đầu tiên Sau đó sẽ dần chuyển về cấu trúc vốn có của nó ở những lớp kết tủa tiếp theo Trường hợp này cho lớp kim loại mạ

có độ gắn bám rất tốt, xấp xỉ với độ bền liên kết của kim loại nền Nếu thông số mạng của chúng khác khá xa nhau, hoặc bề mặt chúng có tạp chất hay chất hấp phụ, thì

sự lai ghép sẽ không xảy ra Đấy là một trong những nguyên nhân gây nên ứng suất nội

và làm lớp mạ dễ bong

• Thành phần chất điện giải

Chất điện giải dùng trong mạ điện thường là dung dịch nước của muối đơn hay muối phức Dung dịch muối đơn còn gọi là dung dịch axit Cấu tử chính của dung dịch này là muối của các axit vô cơ hòa tan nhiều trong nước và phân ly hoàn toàn trong dung dịch thành các ion tự do Ở dung dịch này, phân cực nồng độ và phân cực hóahọc không lớn lắm nên lớp mạ thu được thô, to, dày mỏng không đều, rất dễ bị lỏi Mặt khác dung dịch muối đơn cho hiệu suất dòng điện cao, và càng cao khi mật độ dòng lớn Thường được dùng để mạ những chi tiết có hình thù đơn giản như dạng tấm, dạng hộp… Dung dịch muối phức dược tạo thành khi pha chế dung dịch từ các cấu

tử ban đầu ion kim loại mạ sẽ tạo phức với các ligan thành ion phức hoạt độ của ion

kim loại tự do giảm đi rất nhiều do đó điện thế tiêu chuẩn dịch về phía âm rất nhiều điều này giúp cho lớp mạ mịn, phủ kín, dày đều… được dùng để mạ các chi tiết có hình thù phức tạp… Để tăng độ dẫn điện cho dung dịch, thường pha thêm các chất điện giải trơ Các chất này không tham gia vào quá trình catot và anot mà chỉ đóng vai trò chuyển điện trong dung dịch, làm giảm điện thế bể mạ Các chất dẫn điện thường dùng là Na2SO4, H2SO4, Na2CO3… Để ổn định pH cho dung dịch mạ, cần phải thêm vào dung dịch chất đệm pH thích hợp để tạo môi trườngthích hợp nhất cho phản ứng điện kết tủa xảy ra Các chất hoạt động bề mặt bao gồm các chất bóng loại I, loại

II, các chất thấm ướt, chất chống thụ động anot thường là những hợp chất hữu cơ, có tác dụng hấp phụ lên bề mặt phân chia pha, tham gia vào một số quá trình mong muốn, làm cho lớp mạ thu được có chất lượng tốt hơn

II.3 Gia công bề mặt trước khi mạ

• Gia công cơ học

Gia công cơ học là quá trình giúp cho bề mặt vật mạ có độ đồng đều và độ nhẵn cao, giúp cho lớp mạ bám chắc và đẹp có thể thực hiện gia công cơ học bằng nhiều cách : mài, đánh bóng (là quá trình mài tinh), quay xóc đối với các vật nhỏ, chải, phun tia cát hoặc tia nước dưới áp suất cao Quá trình gia công cơ học làm lớp kim loại bề mặt sản phẩm bị biến dạng, làm giảm độ gắn bám của lớp mạ sau này Vì vậy trước khi mạ cần phải hoạt hóa bề mặt trong axit loãng rồi đem mạ ngay

• Tẩy dầu mỡ

Bề mặt kim loại sau nhiều công đoạn sản xuất cơ khí, thường dính dầu mỡ, dù rất mỏng cũng đủ để làm cho bề mặt trở nên kị nước, không tiếp xúc được với dung dịch tẩy, dung dịch mạ… Có thể tiến hành tẩy dầu mỡ bằng các cách sau: Tẩy trong dung môi hữu cơ như tricloetylen C2HCl3, tetracloetylen C2C14, cacbontetraclorua CCl4… chúng có đặc điểm là hòa tan tốt nhiều loại chất béo, không ăn mòn kim loại, không bắt lửa Tuy nhiên, sau khi dung môi bay hơi, trên bề mặt kim loại vẫn còn dính lại lớp màng dầu mỡ rất mỏng => không sạch, cẩn phải tẩy tiếp trong dung dịch kiềm Tẩy trong dung dịch kiềm nóng NaOH có bổ sung thêm một số chất nhũ tương hóa như Na2SiO3, Na3PO4… Với các chất hữu cơ có nguồn gốc động thực vật sẽ tham gia phản ứng xà phòng hóa với NaOH và bị tách ra khỏi bề mặt Với những loại dầu mỡ khoáng vật thì sẽ bị tách ra dưới tác dụng nhũ tương hóa của Na2SiO3 Tẩy trong dung dịch kiềm bằng phương pháp điện hóa, dưới tác dụng của dòng điện, oxy và hidro thoát ra

có tác dụng cuốn theo các hạt mỡ bám vào bề mặt tấy bằng phương pháp này dung dịch kiềm chỉ cần pha loãng hơn so với tẩy hóa học đã đạt hiệu quả Tẩy dầu mỡ siêu

âm là dùng sóng siêu âm với tần số dao động lớn tác dụng lên bề mặt kim loại, những rung động mạnh sẽ giúp lớp dầu mỡ tách ra dễ dàng hơn

• Tẩy gỉ

Bề mặt kim loại nền thường phủ một lớp oxit dày, gọi là gỉ tẩy gỉ hóa học cho kim loại đen thường dùng axit loãng H2SO4 hay HCl hoặc hỗn hợp của chúng Khi tẩy thường diễn ra đồng thời 2 quá trình: hòa tan oxit và kim loại nền Tẩy gỉ điện hóa là tẩy gỉ

hóa học đồng thời có sự tham gia của dòng điện Có thể tiến hành tẩy gỉ catot hoặc tẩy

gỉ anot Tẩy gỉ anot lớp bề mặt sẽ rất sạch và hơi nhám nên lớp mạ sẽ gắn bám rất tốt Tẩy gỉ catot sẽ sinh ra H mới sinh, có tác dụng khử một phần oxit Hidro sinh ra còn góp phần làm tơi cơ học màng oxit và nó sẽ bị bong ra Tẩy gỉ bằng catot chỉ áp dụng cho vật mạ bằng thép cacbon, còn với vật mạ Ni, Cr thì không hiệu quả lắm

• Tẩy bóng điện hóa và hóa học

Tẩy bóng điện hóa cho độ bóng cao hơn gia công cơ học lớp mạ trên nó gắn bám tốt, tinh thể nhỏ, ít lỗ thủng và tạo ra tính chất quang học đặc biệt Khi tẩy bóng điện hóa thường mắc vật tẩy với anot đặt trong một dung dịch đặc biệt Do tốc độ hòa tan của phần lồi lớn hơn của phần lõm nên bề mặt được san bằng và trở nên nhẵn bóng Cơ chế tẩy bóng hóa học cũng giống tẩy bóng điện hóa Khi tẩy bóng hóa học cũng xuất hiện lớp màng mỏng cản trở hoặc kìm hãm tác dụng xâm thực của dung dịch với kim loại tại chỗ lõm

• Tẩy nhẹ

Tẩy nhẹ hay còn gọi là hoạt hóa bề mặt, nhằm lấy đi lớp oxit rất mỏng, không nhìn thấy được, được hình thành trong quá trình gia công ngay trước khi mạ khi tẩy nhẹxong, cấu trúc tinh thể của nền bị lộ ra, độ gắn bám sẽ tăng lên

Hình II.3 Sơ đồ nguyên lý bể mạ bạc

II.4 Ứng dụng xử lý , đánh bóng bề mặt bằng điện hoá, gia công cắt gọt bằng phương pháp điện hóa

Đánh bóng , xử lý bề mặt vật thể kim loại được ứng dụng phổ biến để gia công các chi tiết cần có độ bóng cao, bề mặt đẹp, có thể tạo bón trên vật thể phức tạp, không cho phép gia công

Trong gia công cơ khí chính xác, có thể dùng để cắt gọt kim loại, hợp kim cứng với độ chính xác cao mà phương pháp gia công cơ học bị hạn chế

* Nguyên lý:

- Vật thể cần xử lý đánh bóng được nối vào cực (+) của hệ thống đánh bóng,

- Dung dịch đánh bóng có thành phần thích hợp cho từng loại vật liệu

- Chọn mật độ dòng điện, điện thế , thời gian xử lý thích hợp cho vật liệu đánh bóng,

- Khi có dòng điện trong mạch qua vật cần đánh bóng thì sẽ có hòa tan những chỗ gồ ghề làm cho bề mặt phẳng Có thể dùng dòng điện có biến đổi để hòa tan chỗ lồi, san phẳng bề mặt, đánh bóng bề mặt vật thể

- Đối với việc đánh bóng kim loại bằng chất điện phân, người ta cố gắng đạt được bề mặt có độ phẳng cao và có khả năng phản chiếu lớn Để tiến hành đánh bóng, người ta nhúng sản phẩm cần đánh bóng vào bên cạnh một điện cực trong bể chất điện phân và nối vào nguồn điện 1 chiều, trong đó sản phẩm cần đánh bóng là cực anốt Các thử nghiệm cho thấy, nhiệt độ chất điện phân vào khoảng -30oC sẽ cho hiệu quả đánh bóng cao nhất Nhiệt độ càng cao, hiệu quả đánh bóng càng phụ thuộc vào sự ổn định của điện thế Do đó cần duy trì ổn định nhiệt độ chất điện phân ở nhiệt độ thấp là rất cần thiết Tốc độ đánh bóng phụ thuộc không những nhiệt độ của bể mà còn phụ thuộc vào loại chất điện phân sử dụng Chất điện phân trên cơ sở cồn mêtyl cho tốc độ đánh bóng cao nhất

* Anốt hóa nhôm

Anôt hóa nhôm là phương pháp được ứng dụng khá nhiều trong công nghệ nhiệt luyện, chế tạo chi tiết có yêu cầu độ bền bề mặt cao Phương pháp này tạo ra màng sản phẩm trên

bề mặt nhôm bền, có tính chất cơ lý tốt, độ bền cao

Khi anôt hóa (anodizing- điện phân các anôt) nhôm trở nên cứng và bền hơn

Anodizing bao gồm nhúng nhôm tấm vào bể Anodized, hóa chất aceton, tấm nhôm sẽ trở thành tập hợp các ca nốt cực dương và bề mặt hóa chât là tập hợp của các anode cực dương Dòng điện chạy qua bể anoot hóa làm cho bề mặt nhôm bị oxy hóa Nó tạo thành lớp vỏ bọc cứng thay cho lớp oxit nhôm Hnhf thành một lớp sản phẩm có kiên kết cực mạnh gọi là nhôm anốt hóa

Nhôm anôt hóa có độ cứng rất cao, có thể gần bằng kim cương

Nhôm được sử dụng rộng rãi trong thực tế, có độ dẫn tốt có thể kết hợp anôt hóa để tạo màu cho bề mặt nhôm theo yêu cầu: màu đen, đồng thiếc và các màu kim loại khác Anôt hóa thường được thực hiện ở nhiệt độ rất thấp, có thể đến -400C

Nhờ tính liên kết mạnh và bền mà nhôm anot có thể sử dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau Các linh kiện trong vệ tinh nhân tao, vỏ xe,đồ gia dụng, máy tính , điện thoại cao cấp, các kết cấu khung cho công trình lộ thiên, ngành điện chiếu sáng, vật trang trí Lớp màng anot hóa Al ( gỉ nhôm) là một phần cấu trúc của nhôm nền nguyên bản Nó rất bền, không dẽ dàng mất đị khi có tác động cơ học

Anốt hóa cứng đã được biết đến như là một qui trình hiệu quả để tạo ra lớp phủ cứng

và chịu mài mòn trên Al và hợp kim của nó Lớp phủ này có bề dày khoảng (75-100 m) lớn hơn các lớp phủ anốt hóa thông thường Tuy nhiên qui trình anốt hóa cứng lại đòi hỏi một số điều kiện riêng biệt như nhiệt độ rất thấp, mật độ dòng cao và dung dịch điện phân đặc biệt Các đòi hỏi này gây khó khăn cho việc thiết kế và vận hành qui trình

II.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ

1 Bề mặt vật mạ, xử lý bề mặt trước khi mạ, công nghệ mạ

2 Thành phần dung dịch mạ, tạp chất có trong dung dịch

3 Phụ gia dung dịch mạ

4 Mật độ dòng điện Da,

5 Nhiệt độ, độ pH, độ nhớt, chế độ khuất trộn

5 Thời gian mạ

6 Phân bố điện cực, khoảng cách giữa các điện cực

II.6 Xử lý , đánh bóng bề mặt bằng điện hoá, gia công cắt gọt bằng phương pháp điện hóa

Đánh bóng , xử lý bề mặt vật thể kim loại được ứng dụng phổ biến để gia công các chi tiết cần có độ bóng cao, bề mặt đẹp, có thể tạo

Trong gia công cơ khí chính xác, có thể dùng để cắt gọt kim loại, hợp kim cứng với độ chính xác cao mà phương pháp gia công cơ học bị hạn chế

* Cơ sở hóa lý:

- Vật thể cần xử lý đánh bóng được nối vào cực (+) của hệ thống đánh bóng,

- Dung dịch đánh bóng có thành phần thích hợp cho từng loại vật liệu

- Chọn mật độ dòng điện, điện thế thích hợp cho vật liệu đánh bóng,

- Khi có dòng điện trong mạch qua vật cần đánh bóng thì sẽ có hòa tan những chỗ gồ ghề làm cho bề mặt phẳng Có thể dùng dòng điện có biến đổi để hòa tan chỗ lồi, san phẳng bề mặt, đánh bóng bề mặt vật thể

Chương 3 ĐIỆN PHÂN SẢN XUẤT KIM LOẠI

III.1 Điện phân trong dung dịch:

Điện phân thu hồi kim loại trên điện cực catốt là phương pháp ứng dụng từ lâu Phương pháp này cho phép thu được kim loại có độ tinh khiết cao, là công nghệ luyện kim loại sạch

Cơ chế như sau: Men+ + ne  Me

Ion kim loại dương chuyển đến cức âm, kết tủa trên bề mặt điện cực âm Vì với mỗi kim loại có điện thế phóng điện nhất định, trong dung dịch ở điều kiện đã chọn nên sẽ thu được kim loại tinh khiết trong thực tế đã ứng dụng nguyên lý này để sản xuất kim loại bột

* Sản xuất đồng, bột đồng:

Dung dịch CuSO4,

Điện cực anốt: Cu kim loại;

Điện cực Catốt: Cu kim loại; sản phẩm thu được là bột Cu trên catốt

* Tinh chế đồng từ quặng, phế thải bằng phương pháp điện hóa

- Hòa tan trích ly quặng đồng trong dung dịch axit

- Làm sạch, tinh chế dung dịch trích ly Cu

- Điều chỉnh nồng độ, độ pH, nhiệt độ để đạt theo yêu cầu điện phân

- Điện phân đồng từ dung dịch CuSO4

- Sản phẩm thu được là Cu kim loại có độ sạch cao

** Tinh luyện Zn bằng điện phân

- Do quá thế của H2 trên Zn rất cao nên Zn có thể kết tủa trong môi trường acid với hiệu suất rất cao Thế khử của Zn2+ âm hơn điện thế khử của H+ Có mặt các tạp chất khác, chúng sẽ kết tủa đồng thời với Zn Trên cathode, có những vị trí có quá thế hiđro thấp

- Tinh luyện Zn bằng điện phân

Quá trình thoát hiđro xảy ra mạnh, đồng thời với hòa tan Zn đã được kết tủa (theo cơ chế pin cục bộ) Các tạp chất như Cu, Bi, Ge và Sb không chỉ làm giảm hiệu suất dòng

mà còn ngăn không cho Zn kết tủa Vì vậy mục đích xử lý quặng Zn để tạo ra dung dịch kẽm sunfat không có tạp chất ảnh hưởng không tốt đến phản ứng cathode

- Tinh luyện Zn bằng điện phân

** Tinh luyện Đồng bằng diện phân

Đồng sản xuất bằng các quá trình luyện kim chứa nhiều tạp chất, thường 0,5 – 2% Tạp chất ảnh hưởng xấu đến tính chất cơ, điện của Cu 0,15% P hoặc 0,5 % As sẽ giảm đáng kể độ dẫn điện Vì vậy, cải thiện tính chất điện của Cu là lý do chính của điện phân tinh luyện Lý do thứ hai của tính luyện điện hoá là tách các kim loại quý như Au,

Ag, Pt, Pd Các phản ứng chính ở điện cực

Cu – 2e → Cu2+ (anode)

Cu2+ + 2e → Cu (cathode)

Các kim loại tạp chất có mặt ở anode đồng, như Fe, Zn cũng bị oxi hóa thành Fe2+ và

Zn2+ trong dung dịch song chúng không bị khử ở cathode tại thế khử đồng Các kim loại có thế dương điện hơn như vàng, bạc không bị oxi hóa anode và đọng lại ở đáy bình điện phân khi anode đồng bị hòa tan Bằng cách này đồng đạt độ ròng là 99,5%

III 2 Điện luyện (điện phân nóng chảy), thu kim loại từ quặng

Đặc điểm:

+Thu kim loại tinh khiết ở thể lỏng trên catốt Na, Li, K, Al Ca tôt lỏng tạo hợp kim với kim loại, sau đó chưng cất, Catốt Pb lỏng, Ca ( Cu- 10830C , Cu+ 30%Ca 700-

8000C

+ Thu kim loại rắn trên ca tốt: nếu KL khó nóng chảy

+ Dòng điện phân rất lớn khoảng 100 KA/m2 ( gấp khoảng 25-100 lần diện phân trong môi trường dung dịch)

+ Điện phân gần nhiệt độ kết tính, cấu trúc gần giống tinh thể

Hình 3.1 Sơ đồ điện phân

Các tính chất hóa lý: độ dẫn điện cao KCl, TiCl3- 8000C,

Tỷ trọng: điều chỉnh sao cho Sản phẩm nổi lên ( K, Na), hoặc chim xuống (Al)

Độ nhớt ảnh hưởng đến độ dẫn điện của bể điện phân

* Điện phân muối nóng chảy cần lưu ý:

+ áp suất hơi, nếu P lớn sẽ thất thoát muối nóng chảy

+ Sức căng bề mặt, góc thấm ướt nhỏ thì bề mặt càng dễ thâm sướt

+ Hiệu ứng anốt: khí thoát ra làm chất nóng chảy không thấm ướt điện cực  hồ quang điện, làm giảm dòng, tăng điện thế thùng điện phân

- Điện tinh luyện:dung dịch hoặc nóng chảy, thu kim loại từ kim loại thô

- Sản xuất kim loại bột: kim loại và hợp kim ( Dung dịch)

Chương 4 ĐIỆN PHÂN SẢN XUẤT HÓA CHẤT (ĐIỆN PHÂN KHÔNG THOÁT KIM LOẠI)

IV 1 Sản xuất Xút- Clo ( NaOH – Cl 2 )

• Sản xuất Xút – Clo

Xút và Clo là 2 sản phẩm hóa chất được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiêp Nguyên liệu sản xuất Xut-Clo là muối NaCl.- Điện phân dung dịch NaCl theo chế độ công nghệ sẽ thu được sản phẩm

Cơ sở lý thuyết:

Thành phần muối: NaCl MgCl2 MgSO4, CaCl2; CáO4 KCl

Công nghệ sản xuất Xút -Clo:

- Có thể sản xuất Xút Clo bằng phương pháp điện phân catot rắn hoặc điện phân bằng Catot lỏng

- Phương pháp catốt rắn: dùng điện cực catốt rắn để điện phân NaCl Sản phẩm thu đước là NaOH trên catốt và Clo trên Anốt NaOH thu được có nồng độ loãng, sau đó được cô đặc để có thành phẩm NaOH thương phẩm

- Sản phẩm Cl2 , có thể được hấp thu H2O để có axit HCl, nước Zaven, khí Clo

• Điện phân bằng catốt lỏng- catốt Thủy ngân Sản phẩm thu được nằm trong hỗn hống Natri – NaHg

Hình 4.1 Quá trình hòa tan muối NaCl

Hình 4.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất Xut-Clo

Có 2 phương pháp sản xuất Xút Clo:

- Phương pháp catốt rắn

- Phương pháp catốt lỏng ( catốt Hg)

Nguyên tắc cấu tạo thùng điện phân catốt rắn

Nguyên tắc cấu tạo thùng điện phân catốt lỏng

- Phản ứng tổng thể để sản xuất xút và clo bằng điện phân là:

2 Na+ + 2 H2O + 2 e- → H2 + NaOH

Phản ứng điện phân dung dịch muối ăn trong bình điện phân có màng ngăn:

2NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2

- Dung dịch kiềm sau khi điện phân được cô đặc trong thiết bị cô đặc; đồng thời quá trình cô dặc có kết tinh của NaCl, muối này sẽ lưu lại trong quá trình điện phân Khi cô đặc và nấu chảy có thể thu được 92-94% NaOH và 2-3% NaCl

- Toàn bộ dây chuyền sản xuất NaOH là dựa trên phản ứng điện phân nước muối (nước cái) Trong quá trình này dung dịch muối (NaCl) được điện phân thành clo nguyên tố (trong buồng anốt), dung dịch natri hyđroxit, và hiđrô nguyên tố (trong buồng catôt)[2] [3] Nhà máy có thiết bị để sản xuất đồng thời xút và clo thường được gọi là nhà máy xút-clo

** Phương pháp điện phân NaOH catốt rắn:

Dùng điện cực catốt rắn để điện phân NaCl Sản phẩm thu được là NaOH trên catốt

và Clo trên Anốt

- Phương pháp này cho phép nhận NaOH, Cl2, H2 trong cùng một thiết bị điện Phân

- Thùng điện phân có màng ngăn để phân chia vùng anôt ( Anotlic) và vùng catốt ( Catotlic)

- NaOH sinh ra trực tiếp trên catốt

- NaOH thu được có nồng độ loãng, sau đó phải cô đặc để có NaOH thương phẩm

- Sản phẩm Cl2 , có thể được hấp thu H2O để có axit HCl, nước Zaven, khí Clo…

Phản ứng bên trong bể điện phân:

- Tại anôt: 2Cl- -2e  Cl2

- Tại catốt: H2O + 2e  H2 + OH-

** Phương pháp điện phân NaOH-Clo catốt lỏng:

- ưu điểm: Cho phép thu được NaOH nồng độ đến 50-52% mà không qua công

Các yếu tố ảnh hưởng đến điện phân quá trình điện phân NaOH- Clo:

- Nồng độ dung dịch NaCl đưa vào điện phân

- Tạp chất trong dung dịch điện phân

- Mật độ dòng điện trên điện cực

- Nhiệt độ, pH dung dịch nước muối, áp suất thùng điện phân

- Tốc độ tiếp liệu NaCl và tách thu sản phẩm

IV.2 Điện phân MnO 2

MnO2 được dùng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất Nguồn điện pin Tinh chế quặng MnO2 Pyroluyzit

Nguyên liệu sản xuất MnO2 là quặng Mangan hàm lượng thấp Chế tạo MnSO4 từ quặng; bằng cách điện phân MnSO4 trong môi trường axit thu được MnO2 điện giải có hàm lượng cao dến 99,3 – 99,7%

Điện phân MnO 2

- Dung dich MnSO4 / H2SO4

- Điện cực phải có độ bền cao, chịu được trong môi trường axits Sunfuric ( catốt bằng chì; Graphit, Điện cực anốt bằng chì, Ti,….)

- Chọn mật độ dòng điện phân, nhiệt độ thích hợp để thu được sản phẩm MnO2 trên vùng anốt.

- Sản phẩm MnO2 thu được bám trên điện cực hoặc rơi xuống dưới điện cực

- Xử lý làm sach sản phẩm để có được MnO2 thành phẩm

IV.3 Sản xuất H 2 O 2

- H2O2 là chất lỏng không màu, có tính oxy hóa mạnh, được dùng trong việc tẩy rửa, công nghiêp sản xuất giấy, y tế, thực phẩm, xử lý môi trường Sản xuất H2O2 theo pp điện phân H2SO4 và Peoxyt Bari đắt vì tốn điện năng, ít dùng trong công nghiệp Phương pháp hiện nay dùng là oxy hóa anthraquynol xúc tác Paladi Là Công nghệ tiên tiến

- Trong thiên nhiên H2O2 được tạo nên dưới dạng một sản phẩm quý của quá trình oxi hoá nhiều chất bởi oxi của không khí Trong nước mưa và trong dung dịch của một số cây trồng cũng có những vết H2O2

- Trong công nghiệp, điều chế H2O2 bằng phương pháp điện phân và phương pháp antraquinon

Trong phương pháp thứ nhất, người ta điện phân ở nhiệt độ khoảng 5-10o dung dịch H2SO4 50% hoặc dung dịch (NH4)2SO4trong H2SO4 với mặt của dòng điện lớn (~

1A/dm 2) và điện cực platin Tuy cơ chế chi tiết của quá trình điện phân chưa được biết

rõ hoàn toàn, cơ chế chung có thể được viết như sau:

2HSO4- –> 2e S2O82- +2H+

2SO42- 2e S2O8

2-Axit peoxitdi sunfuric (H2S2O8) được tạo nên khi điện phân sẽ kết hợp với nước tạo nên H2O2 :

H2S2O8 + 2H2O  2H2SO4 + H2O2

IV.3.4 Tổng hợp các chất hữu cơ bằng phương pháp điện hóa.

- Thực hiện phản ứng oxy hóa khử trên điện cực trong môi trường chất điện ly sẽ thu được sản phẩm hợp chất hữu cơ theo mong muốn Nhờ phản ứng điện hóa để thay đổi cấu trúc nhóm chức, liên kết mà có được hợp chất hữu cơ có cấu trúc liên kết mới

- Phản ứng khử nitro benzen bằng điện hóa là một trong những phản ứng có ý nghĩa

quan trọng đối với lý thuyết và thực nghiệm Mặc dù nó đã được nghiên cứu hàng chục năm và số công trình được công bố liên quan đến vấn đề này là rất lớn, nhưng cơ chế của nó cho đến nay vẫn chưa xác định được một cách chính xác vì sự phức tạp của quá trình

- Các giai đoạn trung gian chủ yếu sau: Chuyển chất, khuyếch tán đến bề mặt điện cực, hấp phụ vào bề mặt điện cực, tương tác thực hiện phản ứng oxy hóa khử, thực hiện hoàn thiện sản phẩm, khuyếch tán sản phẩm ra khỏi bề mặt điện cực tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiều giai đoạn, nhưng giai đoạn chậm nhất quyết định tốc độ phản ứng của quá trình

- Do sự khác biệt giữa các giai đoạn điện hóa riêng và số tương tác hóa học của các sản

phẩm trung gian với nhau và với chất tham gia phản ứng, trên các cathode khác nhau

và trong các chất điện ly khác nhau các sản phẩm thu được rất khác nhau (ngoài số kể trên còn có azokcybenzen, ozobenzen, hydrazobenzen, benzidin và n-amin ofenol)

Chương 5 NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC

- Nguồn điện hóa học là thiết bị tạo ra và duy trì điện thế nhằm có dòng điện trong mạch Suất điện động của nguồn điện là đại lượng đo bằng thông số của công A của các lực làm di chuyển điện tích dương bên trong nguồn điện và độ lớn của điện tích q đó

- Để đo suất điện động của nguồn điện, ta mắc hai đầu vôn kế vào hai cực của nguồn điện khi mạch ngoài để hở

- Pin kiềm Zn/ MnO2 dùng 1 lần rồi bỏ thì gây ô nhiễm môi trường, Hiện nay có loại pin nạp , phóng cả trăm lần trên cơ sở MnO2 đã biến tính RAM/ CEL, pin Li/MnO2

đang thịnh hành hiện nay, là hiện thân của Li/MnO2 và Li/LiMn2O4 làm việc hàng trăm chu kỳ theo nguyên lý “ Rocking- chair”

- Các nguồn điện thế hệ thứ 2 thay thế cho các thế hệ trước là thành tựu cho các NC về vật liệu mới - nguồn điện nguyên lý tích trữ năng lượng hoàn toàn mới -

- Tích trữ năng lượng mặt trời mới mẻ nhất ở dạng chất mang H2 – Sử dụng để làm nhiên liệu trong các pin nhiên liệu để sản xuất điện năng Con đường đi qua pin mặt trời- điều chế hydro- pin nhiên liệu nhằm biến năng lượng tản mạn của mặt trời thành nguồn nhiên liệu ổn định là nguồn năng lượng cho tương lai

- Nguồn điện cao cấp dùng trong máy tính xách tay như pin Ni/MH và ắc quy ion Li+

là bộ phân không thể thiếu được, đay là nguồn điện mới nhất ( khoảng 10 năm) có ưu việt về điện thế danh định, chu kỳ làm việc, dung lượng tích trữ…

- Công nghệ tích hợp vi điện tử còn muốn cấy các nguồn điện hóa cao cấp trên các chíp vi mạch đặc biết như bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên DRAM , khi đó nguồn điện hóa màng mỏng hoàn toàn rắn có thể được ứng dụng -

Nguồn điện có hai loại, nguồn sơ cấp và nguồn thứ cấp Nguồn sơ cấp chỉ dùng 1 lần, rồi bỏ đi Nguồn thứ cấp dược dùng và nạp lại nhiều lần, hàng trăm lần

5.1 Pin

Pin là nguồn điện một chiều được tạo ra nhờ năng lượng của các phản ứng hóa học Pin được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật vô tuyến, thông tin, điện tử, tự động hóa và nhiều lĩnh vực kinh tế quốc dân khác.

5 1.1 Pin Đanien (Daniell) :

- Cực âm : thanh Zn ; nhúng vào dung dịch ZnSO4;

- Cực dương : thanh Cu nhúng vào dung dịch CuSO4

- Giữa 2 dung dịch là một vách xốp để 2 dung dịch không trộn vào nhau nhưng không ngăn cản chuyển động của các ion

- Suất điện động của pin Đanien khoảng 1,1V

5.1.2 Pin khô Lơclăngsê

Pin Le clanché thuộc loại pin muối hay còn gọi là pin acid

Sơ đồ:

(–) Zn | NH4Cl | MnO2 (r) + C | C (+)

Do sự có mặt của NH3, NH4+ và Cl– ; chúng sẽ phản ứng với Zn 2+ + để tạo ra các sản phẩm phụ như ZnMn2O4; ZnCl2; Zn(OH)2; Zn(NH3)2Cl2, các sản phẩm phụ này tích tụ dần dần quanh cực dương làm cho pin mất dần khả năng hoạt động

Pin Lơclăngsê là loại được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Ở Việt Nam, pin được sản xuất dưới nhãn hiệu pin Con Thỏ (Văn Điển, Hà Nội), pin Con Ó Điện áp của pin khô vào khoảng 1,5V

* Pin Lơclăngsê (Leclanché) :pin Mangan – kẽm

Hệ pin như sau: (-) Zn / NH4Cl,ZnCl2 / MnO2 (+)

- Cực âm là kẽm

- Cực dương: là MnO2 – gồm thanh cọc than, nó được bao bọc xung quanh bằng một hỗn hợp cực dương được ép rất chặt gồm MnO2 và graphit ,C NH4Cl

- Chất điện ly: là dung dịch NH4Cl, ZnCl2 và phụ gia, chất ức chế ăn mòn kẽm

Trong thực tế, pin Lơclăngsê khô có dung dịch NH4Cl, ZnCl2

- Dịch hồ tinh bột cho vào trong một vỏ kẽm rồi hóa hồ đặc Dịch NH4Cl để tăng độ dẫn điện, Khử khí H2 thoát ra ở cực khi pin hoạt động ( giảm nhanh hiệu điện thế giữa

2 cực)

- Trên catốt: MnO2 + 4H+ + 2e  Mn2+ + 2H2O

MnO2 + Mn2+ + 2H2O  2MnOOH + 2H+ ;

Phản ứng tổng là: MnO2 + H2O + e  MnOOH + OH-

Phản ứng trong pin là:

Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl  Zn(NH3)2Cl2 + 2MnOOH

4Zn + ZnCl2 + 8MnO2 + 8H2O  ZnCl2.4Zn(OH)2 + 8MnOOH

- Suất điện động của pin khoảng 1,5V

Phản ứng chính:

- Cực âm (-) Zn – 2e  Zn2+

- Cực dương: 2 MnO2+ 2H+  Mn2O3 + H2O

** Cấu tạo pin Mangan-Kẽm:

- Cực dương: hỗn hợp MnO2 với graphit Muội than acetylen, NH4Cl, ZnCl2

- Cực âm: cực âm là Zn Zn làm nhiệm vụ vỏ đựng dung dịch đồng thời làm điện cực

- Khối điện cực dương được bao gói chắc chắn rồi đưa vào trong ống Zn

- Một lượng chất điện lý được đưa vào trong ống Zn, sau đó hóa rắn ở nhiệt độ khoảng

800C. > chất điện ly đặc

- Kiểm tra sản phẩm pin

- Hoàn chỉnh sản phẩm pin, bao gói, nhãn thành sản phẩm

* Có các công nghệ chế tạo pin khác nhau, nguyên vật liệu mới sẽ thay thế dần công nghệ cũ nhưng bao điện cực dương MnO2 và Zn là hai nguyên liệu chính tạo ra nguồn năng lượng điện

5.1.3 Pin kiềm Mangan

5.1.4 Pin kiềm thuỷ ngân

Anode làm bằng hỗn hống kẽm - thủy ngân; hỗn hợp HgO và Cacbon ở dạng kem nhão đóng vai trò cathode, còn chất điện ly là KOH và ZnO Các phản ứng tại điện cực:

Điện áp của pin thủy ngân bằng 1,35V

Đối tượng sử dụng của pin kiềm thủy ngân

5.1.5 Pin liti

Pin liti là sự tổ hợp mới giữa anode Li với cathode là oxit hoặc sulfur kim loại chuyển tiếp (ví dụ như MnO2, V6O13 hoặc TiS2) Pin được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật CN thông tin, truyền thông vì tính ưu việt của nó.

Khi phóng điện:

Ở anode xảy ra sự oxi hóa Li:

Li (r) → Li+ (trong chất điện giải rắn) + e

Ở cathode xảy ra sự khử MnO2:

MnO2 + Li+ + e → LiMnO2 (r)

Phản ứng tổng cộng:

Li(r) + MnO2(r) → LiMnO2 (r) Epin = 3,0V

5.2 Acquy

5.2.1 Acquy Acide (Ac quy chì)

Acquy là nguồn điện hóa học có khả năng hoạt động lâu dài nhờ tính chất thuận nghịch của quá trình phóng điện và nạp điện của nó

Acquy chì (thường được gọi là acquy acid)

Acquy chì gồm hai tấm lưới chì có nhiều lỗ chứa PbO nhúng trong dung dịch H2SO4 nồng độ 25% – 30%, lúc này xảy ra phản ứng:

PbO + H2SO4 = PbSO4 + H2O

Khi nạp điện (sạc):•

(+): PbSO4 – 2e- + 2H2O = PbO2 + SO42- + 4H+

(–): PbSO4 + 2e- = Pb + SO4

2-Như thế trong cả acqui xảy ra phản ứng:

2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4

và PbSO4 ở cực âm biến thành chì hoạt động, ở cực dương biến thành PbO2

Khi acquy hoạt động sẽ xảy ra quá trình phóng điện:•

PbSO4 →(–): Pb – 2e- + SO42-

PbSO4 + 2H2O→(+): PbO2 + 2e- + 4H+ + SO42-

Như thế trong cả acquy xảy ra phản ứng:

Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O

Acquy chì được phát minh năm 1859 do Gaxton Planté – nhà vật lý người Pháp (1834 –1889)

5.2.1.1 Khái quát về acquy (Accu)

- Công dụng acquy

Ac quy được sử dụng rộng rãi trong thực tế Có nhiều loại ắc quy : ắc quy axit và

ắc quy kiềm, Ăc quy axit ( ăc quy chì) là loại hay gặp trong đời sống hàng ngày

Acquy trong ô tô dùng để khởi động, thường được gọi là acquy khởi động để phân

biệt với loại acquy sử dụng ở các lĩnh vực khác Acquy khởi động trong hệ thống điện thực hiện chức năng của một thiết bị chuyển đổi hóa năng thành điện năng và ngược

lại Đa số acquy khởi động là loại accu chì – axit Đặc điểm của loại acquy nêu trên là

có thể tạo ra dòng điện có cường độ lớn, trong khoảng thời gian ngắn (5÷10s), có khả

năng cung cấp dòng điện lớn (200÷800A) mà độ sụt thế bên trong nhỏ, thích hợp để

cung cấp điện cho máy khởi động để khởi động động cơ

Acquy khởi động còn cung cấp điện cho các tải điện quan trọng khác trong hệ thống điện, cung cấp từng phần hoặc toàn bộ trong trường hợp động cơ chưa làm việc

hoặc đã làm việc mà máy phát điện chưa phát đủ cơng suất (động cơ đang làm việc ở chế độ số vịng quay thấp): cung cấp điện cho đèn đậu (parking lights), radio cassette,

CD, các bộ nhớ (đồng hồ, hộp điều khiển…), hệ thống báo động…

Ngồi ra, acquy cịn đĩng vai trị bộ lọc và ổn định điện thế trong hệ thống điện ơ

tơ khi điện áp máy phát dao động

Điện áp cung cấp của accu là 6V, 12V hoặc 24V Điện áp accu thường

là 12V đối với xe du lịch hoặc 24V cho xe tải Muốn điện áp cao hơn ta đấu nối tiếp

các accu 12V lại với nhau.

- Phân loại acquy

Trên ơtơ cĩ thể sử dụng hai loại accu để khởi động: acquy axit và acquy kiềm Nhưng thơng dụng nhất từ trước đến nay vẫn là accu axit, vì so với accu kiềm nĩ cĩ sức điện động của mỗi cặp bản cực cao hơn, cĩ điện trở trong nhỏ và đảm bảo chế độ khởi động tốt, mặc dù accu kiềm cũng cĩ khá nhiều ưu điểm

- Cấu tạo acquy

Một bình acquy trên ơ tơ bao gồm một dung dịch acid sunfuric lỗng và các bản cực âm, dương Khi các bản cực được làm từ chì hoặc vật liệu cĩ nguồn gốc từ chì thì

nĩ được gọi là accu chì-acid Một bình accu được chia thành nhiều ngăn (accu trên ơ tơ thường cĩ 6 ngăn), mỗi một ngăn cĩ nhiều bản cực, tất cả được nhúng trong dung dịch điện phân

- Cấu tạo của một ngăn ăc quy

Cơ sở cho hoạt động của accu là các ngăn của accu Các bản cực âm và bản cực dương được nối riêng rẽ với nhau Các nhĩm bản cực âm và bản cực dương này được đặt xen kẽ với nhau và ngăn cách bằng các tấm ngăn cĩ lỗ thơng nhỏ Kết hợp với nhau, các bản cực và tấm ngăn tạo nên một ngăn của accu Việc kết nối bản cực theo cách này tăng bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu hoạt tính và chất điện phân Điều đĩ cho phép cung cấp một lượng điện nhiều hơn Mặt khác dung lượng của bình accu tăng lên

vì diện tích bề mặt tăng lên Càng nhiều diện tích bề mặt đồng nghĩa với việc accu cung cấp điện nhiều hơn

Hình 5.1 Cấu tạo một accu đơn

- Bản cực

Bản cực accu được cấu trúc từ một khung sườn làm bằng hợp kim chì có chứa Antimony hay Canxi Khung sườn này là một lưới phẳng, mỏng Lưới tạo nên khung cần thiết để dán vật liệu hoạt tính lên nó, cả ở bản cực âm và bản cực dương Vật liệu hoạt tính được dán lên ở bản cực dương là chì oxide (PbO2) và ở bản cực âm là chì xốp (Pb).

Những cẩn trọng khi sử dụng accu:Chất điện phân trong bình accu là hỗn hợp của

acid sulfuric và nước Acid sulfuric thì có tính ăn mòn rất cao và có thể gây thương tích trên da và mắt Luôn luôn mang đồ bảo hộ khi tiếp xúc với bình accu Khi bị dung dịch acid dính vào tay phải rửa ngay bằng nhiều nước, khi văng vào mắt phải rửa bằng nước ngay và khám y tế càng sớm càng tốt Khi nạp accu, khí Hydrogene được giải phóng vì vậy phải tránh xa ngọn lửa và tia lửa điện nếu không có thể gây ra cháy nổ nghiêm trọng

- Vỏ acquy

Vỏ accu giữ các điện cực và các ngăn riêng rẽ của bình accu Nó được chia thành

6 phần hay 6 ngăn Các bản cực được đặt trên các gờ đỡ, giúp cho các bản cực không

bị ngắn mạch khi có vật liệu hoạt tính rơi xuống đáy accu Vỏ được làm từ polypropylen, cao su cứng, và plastic Một vài nhà sản xuất làm vỏ accu có thể nhìn xuyên qua để có thể nhìn thấy được mực dung dịch điện phân mà không cần mở nắp accu Đối với loại này thường có hai đường để chỉ mực thấp (lower) và cao (upper) bên ngoài vỏ

Hình 5.3 Vỏ accu Hình 5.Nắp thông hơi

- Ký hiệu trên cọc acquy:

Ký hiệu trên cọc accu để nhận biết cực dương hay âm Thông thường, ký hiệu "+"

để chỉ cực dương, "-" để chỉ cực âm Đôi khi, các ký hiệ "POS" và "NEG" cũng được

sử dụng để ký hiệu cực dương và cực âm Trên loại accu có cọc là loai đỉnh, đầu của cọc dương thường lớn hơn cực âm, mục đích để dễ phân biệt

- Hoạt động của accu

Hoạt động của một ngăn

Hai kim loại không giống nhau đặt trong dung dịch acid sẽ sinh ra hiệu điện thế giữa hai cực Cực dương làm bằng chì oxide PbO2, cực âm làm bằng chì Pb Dung dịch điện phân là hỗn hợp acid sunfuric và nước Chúng tạo nên một phần tử của ngăn

Chúng tạo nên một phần tử của ngăn

Mỗi một ngăn có điện áp xấp xỉ 2.1V không xét đến kích cỡ và số lượng các bản cực Accu trên ô tô có 6 ngăn nối tiếp với nhau, sinh ra điện áp 12.6 V

- Các quá trình điện hóa trong accu

Trong accu thường xảy ra hai quá trình hóa học thuận nghịch đặc trưng là quá trình nạp và phóng điện, và được thể hiện dưới dạng phương trình sau:

PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4⇔ 2PbSO 4 + 2H 2 O

Trong quá trình phóng điện, hai bản cực từ PbO 2 và Pb biến thành PbSO 4 Như vậy khi phóng điện, axit sunfuric bị hấp thụ để tạo thành sunfat chì, còn nước được tạo

ra, do đó, nồng độ dung dịch H 2 SO 4 giảm

Sự thay đổi nồng độ dung dịch điện phân trong quá trình phóng và nạp là một

trong những dấu hiệu để xác định mức phóng điện của accu trong sử dụng

- Thông số accu chì-axit

Sức điện động của accu

Sức điện động của accu phụ thuộc chủ yếu vào sự chênh lệch điện thế giữa hai tấm bản cực khi không có dòng điện ngoài

- Sức điện động trong một ngăn

e a = ϕ+ - ϕ- (V)

- Nếu accu có n ngăn E a = n.e a

Sức điện động còn phụ thuộc vào nồng độ dung dịch, trong thực tế có thể xác định theo công thức thực nghiệm:

E 0 = 0,85 + ρ25 oC

E 0 : sức điện động tĩnh của accu đơn (tính bằng volt)

ρ: nồng độ của dung dịch điện phân được tính bằng (g/cm 3 ) quy về + 25oC

ρ25 oC = ρđo – 0,0007(25 – t)

t : nhiệt độ dung dịch lúc đo.

ρđo : nồng độ dung dịch lúc đo.

Hiệu điện thế của accu

R a - điện trở trong của accu.

Dung lượng của accu

Lượng điện năng mà accu cung cấp cho phụ tải trong giới hạn phóng điện cho phép được gọi là dung lượng của accu

Q = I p t p (A.h)

Như vậy dung lượng của accu là đại lượng biến đổi phụ thuộc vào chế độ phóng điện

Người ta còn đưa ra khái niệm dung lượng định mức của accu Q 5 , Q 10 , Q 20 mang tính quy ước ứng với một chế độ phóng điện nhất định như chế độ 5 giờ, 10 giờ, 20 giờ

phóng điện ở nhiệt độ +30 o C.

Các yếu tố ảnh hưởng tới dung lượng của accu:

• Khối lượng và diện tích chất tác dụng trên bản cực

• Dung dịch điện phân

5.2.1.2 Acquy kiềm

* Acquy kiềm Nicad và niken – sắt

Phản ứng tạo dòng điện như sau:

2NiOOH + M + 2 H2O  2Ni(OH)2 + M(OH)2

Sức điện động khoảng 1,30 – 1,34V đối với acquy Ni – Cd và khoảng 1,37 – 1,41V đối với acquy Ni – Fe

Acquy kiềm có tuổi thọ cao, đạt đến 1 – 2 nghìn chu kỳ phóng – nạp điện

** Acquy Ni – Ag, với phản ứng:

Ag2O + Zn  ZnO + 2Ag

SĐĐ: 1,60 – 1,85V với 100 – 200 chu kỳ làm việc

IV.2.3 Acquy Niken – Hiđro, với phản ứng:

2NiOOH + H2  2Ni(OH)2

SĐĐ: 1,32 – 1,36V với vài nghìn chu kỳ làm việc

5.2.1.3 Một số nguồn điện mới

5.2.3.1 Pin nhiên liệu

a Pin nhiên liệu hiđro - oxi

Sử dụng: cung cấp điện năng và nước tinh khiết trong các chuyến bay vũ trụ

Ưu điểm: Sạch, nhiều pin nhiên liệu hoạt động không gây ô nhiễm môi trường Tạo nguồn điện năng di động

Nhược điểm: Khác với các pin thông thường, pin nhiên liệu không tích trữ được điện năng, nó chỉ hoạt động khi dòng nhiên liệu được nạp vào liên tục Điện cực mau hỏng

và rất đắt

b Pin nhôm – không khí

Pin nhôm – không khí tương tự pin nhiên liệu ở chỗ các chất phản ứng được nạp định

kỳ nếu không nói là liên tục

Khi pin hoạt động, ở anode xảy ra sự oxi hóa nhôm:

4[Al(OH)4]– (aq) + 3e–γx4| Al(R) + 4OH–(aq)

Ở cathode xảy ra sự khử oxi:

4OH–γx3|  O2 + 2H2O(L) + 4e–

EPin = 2,7V

Sử dụng: Để giảm ô nhiễm môi trường, người ta đã phác thảo những xe hơi chạy bằng điện và pin này được hứa hẹn trong tương lai có thể dùng vận hành loại xe hơi gia đình

Ưu điểm: Pin nhôm – không khí có tỉ lệ điện năng/khối lượng rất cao 1 mol electron

cần 9 gam Al (MAl = 26,98 g/mol).

Nhược điểm: cần phải nạp định kỳ nước, nhôm và than chì

c Một số pin nhiên liệu khác

Pin nhiên liệu kiềm AFC

(Alkaline Fuel Cells)

Pin nhiên liệu acid phosphoric PAFC (Phosphoric acid Fuel Cells)

Pin nhiên liệu muối carbonate nóng chảy MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells)

Chương 6 XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA

VI.1 Khái niệm:

Nước thải chứa nhiều chất hữu cơ mang màu, kim loại khó xử lý bằng các phương pháp dùng hóa chất, sinh học Phương pháp điện hóa xử lý nước thải có hiệu quả cao,

xử lý triệt để mà các phương pháp khác không có được

- Nguyên lý: Khi cho một điện một chiều chạy qua bể nước thải với một điều kiện nhất định thì trên các điện cực Anốt và Katốt sẽ xảy ra quá trình oxy -hóa khử Các chất mang màu sẽ bị oxy hóa hoặc khử trên các điện cực, kết tủa keo tụ sẽ được hình thành và sẽ tách ra khỏi dung dịch Vì vậy nước thải sẽ dần được làm sạch

Hoặc là điện kết tủa các sản phẩm kim loại trên điện cực là sạch nước thải

Như vậy nước thải có thể được làm sạch nhờ quá trình oxy hóa hoặc quá trình khử

Uu điểm của xử lý nước thải bằng phương pháp điện hóa.

- Xử lý triệt để nhằm đạt chỉ tiêu cho môi trường

- Có thể xử lý được các nước thải chứa chất hữu cơ mang màu mà các phương pháp xử lý khác không đạt được như nước thải giấy, nhuộm, in màu…

- Cho phép có thể xử lý nước đạt đến độ tinh khiết cao để tuần hoàn, sử dụng lại nguồn nước

- Có thể thực hiện nhanh, thời gian xử lý ngắn, nênkhông cần nhiều hồ chứa lưu giữ xử lý nước thải

- Sản phẩm bã xử lý không nhiều, và dễ tách ra khỏi khối nước thải; Có thể thu hồi được kim loại kết tủa trên điện cực

- Hệ thống thiết bị xử lý nước thải gọn nhẹ, giá thành không cao, không tiêu tốn nhiều hóa chất xử lý

Nhược điểm:

- Tiêu tốn năng lượng điện để thực hiện quá trình điện phân

- Cần có theo dõi kiểm soát chặt chẽ hệ thống công nghệ điện phân xử lý nước

VI.2 Cơ sở lý thuyết qúa trình xử lý nước thải bằng điện hóa

VI.2.1 Sơ đồ nguyên lý xử lý nước thải bằng phương pháp điện hoá

Phương pháp điện hóa được sử dụng để xử lý nước thải, đặc biệt đối với nước thải chứa các chất hữu cơ mang màu mà các phương pháp khác không đáp ứng được

Hình 6.1 Sơ đồ nguyên tắc hệ thống điện hóa xử lý nước thải

1- Thiết bị cấp dòng một chiều 3- Biến trở

2- Đồng hồ đo dòng điện (U,I) 4- Điện cực Anot

5- Điện cực Catot 6- Dung dịch nước thải

7- Bình điện phân

VI.2.2 Các quá trình điện cực xảy ra khi điện phân xử lý nước thải:

- Quá trình xảy ra trên cực dương (Anot): là quá trình cho điện tử nghĩa là phản ứng oxy hóa điện hóa xảy ra

2OH- - 4e → O2 + 2H+

Me - ne → Men+

Quá trình anot làm điện cực anot bị hòa tan hoặc là khí thoát ra trên điện cực

- Trên cực âm (Catot): xảy ra quá trình nhận điện tử, nghĩa là ở đây có quá trình khử

Các quá trình điện hóa bao gồm các phản ứng oxy hóa khử nơi các điện tử di chuyển tới hoặc tách ra từ một phân tử hoặc ion làm thay đổi trạng thái oxy hóa của nó Phản ứng này có thể xảy ra thông qua việc đặt một điện thế ngoài hoặc thông qua việc thoát ra một năng lượng hóa học

R A

Hệ thống điện hóa là một thiết bị điện hóa hoàn chỉnh, nhờ các phản ứng trao đổi điện tử qua lại giữa các điện cực hoặc giữa điện cực và các chất tham gia phản ứng,

hệ thống điện hóa có thể sản ra một nguồn điện hoặc tạo ra những sản phẩm định trước theo mục đích sử dụng hệ điện hóa

VI.3 Vật liệu điện cực

Vật liệu được sử dụng làm điện cực trong xử lý điện hóa có nhiều loại khác nhau; như các vật liệu dễ tan: hợp kim Al, hợp kim Zn, Mg, Fe… hay vật liệu có độ bền cơ, bền hóa cao: thép, gang, chì hoặc hợp kim của chì, graphit, titan và hợp kim của titan, các loại vật liệu composit, manhetit…

Tuỳ theo phương pháp xử lý điện hoá được ứng dụng mà lựa chọn loại điện cực cho phù hợp

Ví dụ ảnh hưởng các loại điện cực đến hiệu quả xử lý nước thải

STT điện cực

Anot/Catot Thông số đầu vào COD Thông số sau xử lý Hiệu suất xử lý (%)

(mg/l)

Độ màu (Co-Pt)

COD (mg/l)

Độ màu (Co-Pt) COD Độ màu

VI.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện hóa xử lý nước thải

Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải bằng phương pháp điện hóa:

- Bản chất của nước thải: pH, độ dẫn điện

- Bản chất vật liệu điện cực anốt, catốt, tỷ lệ diện tích SA/SK

- Mật độ dòng điện, các phụ gia

- Khoảng cách điện cực, tỷ lệ diện tích SA/SK

- Điện thế của hệ thống, thời gian điện phân, nhiệt độ điện phân

- Một số yếu tố khác như: nhiệt độ dung dịch, sự khuấy trộn…

VI.4.1 Ảnh hưởng của pH môi trường điện phân

Sự thay đổi của pH trong nước thải có thể dẫn đến thay đổi thay phần của các chất trong nước do quá trình hòa tan hay kết tủa

Trong môi trường pH >7, ở điện cực anot xảy ra phản ứng thoát O2:

4OH- - 4e  O2↑ + 2H2OKhí O2 thoát ra là chất oxy hóa có tác dụng khử màu các chất hữu cơ Ở môi trường có độ kiềm quá cao, lượng O2 thoát ra nhiều cũng ngăn cản quá trình điện cực Mặt khác, quá trình điện phân sử dụng điện cực anot tan như Al, Zn khi pH >7 thì Al3+,

Zn2+ tan ra kết hợp với OH- tạo hợp chất kết tủa Al(OH)3, Zn(OH)2 là tâm keo tụ các chất hữu cơ, tuy nhiên với pH quá cao làm những chất này lại tan ra vì thế hiệu quả keo tụ lại giảm xuống Với điện cực anot không tan, lượng khí O2 thoát ra nhiều làm ngăn cản quá trình phóng điện từ các điện cực

Trong môi trường pH <7: ở điện cực catot xảy ra quá trình thoát khí H2 2H+ + 2e  H2↑

Khi ở pH thấp thì quá trình phóng điện thực hiện thuận lợi, nhưng nếu pH thấp quá, lượng H2 thoát ra nhiều gây ảnh hưởng ngược lại làm hiệu quả khử màu giảm đi

Do sự có mặt của các chất có hoạt tính cao ảnh hưởng đến quá trình hoà tan anot Trong trường hợp có chất thụ động thì tăng điện trở bề mặt dẫn đến tăng nhiệt độ dung dịch nước thải và giảm hiệu suất xử lý

VI.4.2 Ảnh hưởng của mật độ dòng điện

điện phân khá lớn có thể xảy ra các phản ứng khử các hợp chất hữu cơ mang màu, phá vỡ các mối liên kết trong mạch carbon làm cho nước thải nhanh mất màu Hơn nữa khi điện trường trong dung dịch lớn, các phân từ chất màu bị phân cực mạnh, làm giảm độ bền tập hợp của chúng làm cho sự hấp phụ keo tụ tạo bông giữa chúng xảy ra dễ dàng Đồng thời khi mật độ dòng điện tăng phản ứng thoát khí H2, O2 có thể xảy ra mạnh tạo ra sự khuấy trộn làm tăng tốc độ khuếch tán của các phần tử tương tác làm tăng hiệu quả xử lý

Khi mật độ dòng điện quá lớn sẽ ảnh hưởng đến nhiều yếu tố công nghệ như nhiệt độ của dung dịch sau điện phân cao, tiêu hao điện năng lớn

Ngoài các yếu tố trên còn có các yếu tố khác như điện thế hệ thống, các chất phụ gia, bản chất vật liệu điện cực, bản chất nước thải… cũng ảnh hưởng đến hiệu quả xử

lý nước thải bằng phương pháp điện hóa

VI.4.3 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các điện cực

Khoảng cách giữa các điện cực trong hệ thống điện phân ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình điện phân

Khi khoảng cách giữa hai điện cực anot và catot quá lớn, điện trở của lớp dung dịch giữa hai điện cực tăng, khả năng vận chuyển các chất đến bề mặt điện cực để thực hiện quá trình oxy hóa khử điện cực giảm, hiệu quả khử màu giảm

Khi khoảng cách giữa hai điện cực quá nhỏ, phân bố điện trường không đều, mật

độ ion tập trung trong khoảng không gian hẹp quá lớn, ngăn cản quá trình oxy hóa khử trên bề mặt điện cực Mặt khác, khả năng khuếch tán các ion đến bề mặt làm việc của điện cực giảm, đặc biệt mặt phía ngoài của lớp dung dịch giữa hai điện cực, hiệu quả khử màu do đó cũng giảm xuống

VI.4.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ diện tích

Nếu SA >> SK thì iA << iK, lượng ion tan ra từ điện cực anot làm tâm keo tụ giảm, hiệu quả xử lý giảm

Nếu SA << SK thì iA>> iK, lượng ion tan ra nhiều, đặc biệt ở mép biên của điện cực, tổn hao điện năng, mật độ dòng tăng còn có thể dẫn đến quá nhiệt ở điện cực anot

VI 4.5 Ảnh hưởng của thời gian điện phân

Khi điện phân chưa đủ thời gian thì chưa thực hiện được hoàn toàn các phản ứng oxy hoá khử các chất màu và quá trình keo tụ điện hoá cũng chưa đạt được hiệu quả tốt

Khi thời gian điện phân quá dài thì có thể có các phản ứng phụ xẩy ra, sinh ra sản phẩm phụ khác gây độc hại, tốn năng lượng điện

VI.5 Sử dụng phương pháp điện hóa trong xử lý nước thải và bảo vệ môi trường

Tách các kim loại nặng ra khỏi nước thải

Tách các kim loại nặng (dạng hòa tan) thường có trong nước thải của các ngành công nghiệp nói chung như ngành dệt nhuộm, mạ điện,… Đến nay, có rất nhiều phương pháp để tách chúng khỏi dòng thải Do nhiều tính chất đặc biệt, những ảnh hưởng không có lợi đến môi trường, mà các phương pháp xử lý chúng càng ngày càng được quan tâm, phát triển nhằm đạt được một hiệu suất xử lý cao nhất Trong đó phương pháp điện hóa đã được các nhà khoa học quan tâm đến và đã khẳng định vai trò của nó trong việc xử lý các kim loại nặng Sản phẩm thu được có thể là kim loại bột, kim loại kết tủa sít chặt [3] Nếu như chọn được điện cực hợp lý và chế độ điện phân thích hợp thì có thể kết tủa các kim loại và tách chúng ra khỏi nước thải

Ứng dụng oxy hóa điện hóa để khử các chất hữu cơ trong nước thải

Trong thành phần nước thải, ngoài các chất vô cơ như: kim loại nặng, axit, bazơ,

… còn chứa các hợp chất hữu cơ mà cần phải xử lý trước khi thải chúng ra môi trường

Xử lý sinh học là một quá trình kinh tế nhất và thường áp dụng đối với các chất

ô nhiễm hữu cơ có thể phân hủy sinh học Khi nồng độ các chất hữu cơ trong nước thải cao và biến động liên tục, bền sinh học thì phương pháp này không mấy hiệu quả Các phương pháp hóa lý, hóa học cũng hay được áp dụng

Phương pháp oxy hóa điện hóa để xử lý nước thải chứa các chất ô nhiễm hữu cơ khó xử lý sinh học ngày càng được nhiều người chú ý đến vì: dễ điều khiển, có thể tăng hiệu suất khi sử dụng các vật liệu làm điện cực khác nhau, thiết bị phản ứng có thể ghép nối tiếp nhiều điện cực

Có thể thấy rõ cơ chế oxy hóa điện hóa phenol như sau:

Cơ chế oxy hóa điện hóa [3]

Oxy hóa ở nhiệt độ phòng, nhiều hợp chất vòng thơm trung gian hình thành và tiếp tục oxi hóa đến các axit béo: maleic, fumaric, oxalic Các axit này khó oxy hóa tiếp tục

[phenol]  [hợp chất trung gian]  [axit béo]

Trường hợp oxy hóa ở nhiệt độ cao một lượng ít các sản phẩm trung gian thơm tạo ra Chất trung gian chính là các axit béo mà sẽ oxy hóa tiếp tục thành CO2

[phenol]  [hợp chất trung gian thơm, axit béo] +[CO2 ]

VI.6 Phương pháp điện phân sản xuất các chất oxy hóa ứng dụng trong bảo vệ môi trường

Quá trình điện hóa rất kinh tế khi điều chế các chất oxy hóa thông thường, rất thích hợp với quy mô nhỏ Tổng hợp các chất oxy hóa O3, H2O2 được đặc biệt quan tâm vì những thuận lợi của nó trong xử lý nước thải có chứa các chất độc hại [3]

- Tổng hợp Ozon

Cơ chế: nhiều nghiên cứu về quá trình tổng hợp O3 bằng phương pháp điện hóa cho thấy rằng quá trình tổng hợp rất kinh tế, nồng độ O3 rất cao O3 hình thành do sự phân ly nước theo phản ứng:

3H2O  O3 + 6H++ 6e Eo=1,51 V (NHE)

Oxy hóa O2 cũng có thể tạo ra ozon:

VI.7 Xử lý nước thải bằng phương pháp điện phân có màng ngăn

- Trong quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp điện hóa, có thể dùng bể điện phân có màng ngăn hoặc không có màng ngăn

- Thuận lợi của bể điện phân có màng ngăn là phân chia bể xử lý ra làm 2 vùng Catholic và anolic Sản phẩm đông tụ ở 2 vùng catốt và vùng anốt được tập hợp riêng biệt, như vậy bước xử lý tiếp theo để tác bã sẽ dễ dàng hơn

Chương 7 ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI

7.1 Bảo vệ anốt

7.2 Bảo vệ Catốt

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHẦN II ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ CÔNG TRÌNH KIM LOẠI

PHẦN II 1 CƠ SỞ LÝ THUYÊT ĂN MÒN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI

CHƯƠNG 8 KHÁI NIỆM ĂN MÒN KIM LOẠI

* Khái niệm về kim loại

- Kim loại là loại vật liệu có các tính chất có lợi cho xây dựng: cường độ lớn, độ dẻo và

độ chống mỏi cao Nhờ đó mà kim loại được sử dụng rộng rãi trong

xây dựng và các ngành kĩ thuật khác Ở dạng nguyên chất, do cường độ và độ

cứng thấp, độ dẻo cao, kim loại có phạm vi sử dụng rất hạn chế Chúng được sử dụng chủ yếu ở dạng hợp kim với kim loại và á kim khác, thí dụ như cacbon Sắt và hợp kim của nó (thép và gang) gọi là kim loại đen; những kim loại còn lại (Be, Mg, Al, Ti, Cr,

Mn, Ni, Cu, Zn, v.v ) và hợp kim của chúng gọi là kim loại màu

- Kim loại đen được sử dụng trong xây dựng nhiều hơn cả, giá kim loại đen

thấp hơn kim loại màu Tuy nhiên kim loại màu lại có nhiều tính chất có giá trị: cường

độ, độ dẻo, khả năng chống ăn mòn, tính trang trí cao Do vậy đã mở rộng phạm vi sử dụng kim loại màu trong xây dựng, phổ biến là các chi tiết kiến trúc và các kết cấu nhôm

- Nguyên liệu để chế tạo kim loại đen là quặng sắt, mangan, crôm, mà các khoáng đại diện cho chúng là nhóm các oxit: macnetit (Fe3O4 ), quặng sắt đỏ (Fe2O3), piroluzit (MnO2 ), crômit (FeCr2O4 )

- Để sản xuất kim loại màu người ta sử dụng boxit chứa các hidroxit: (Al(OH)3, (HalO2 ); các loại quặng sunfua và cacbonat đồng, niken, chì v.v với các khoáng đại diện là (CuFeS2 ), (ZnS), (PbCO3 ), ( MgCO3 )

- Vật liệu kim loại hình thái cấu trúc tinh thể qui luật sắp xếp có trật tự tạo kiểu cấu trúc phổ biến là lập phương tâm khối, lập phương tâm mặt và sáu phương xếp khít ở ô cơ

sở tổ chức cấu trúc mạng tinh thể

* Tổ chức cấu trúc tinh thể trong vật liệu

Các khái niệm cơ bản về cấu trúc tinh thể, Khái niệm về mạng tinh thể

Để xem xét qui luật sắp xếp các nguyên tử trong phân tử hoặc ion trong vật liệu ở hình thái cấu trúc tinh thể phải dùng khái niệm mạng cấu trúc của tinh thể, nó đặc trưng cho

sự sắp xếp các nguyên tử trong các tinh thể có hình dạng và kích thước xác định Vì vậy mạng tinh thể là sự sắp xếp các nguyên tử theo ba chiều của không gian Mạng được hình thành do nhiều tế bào mạng ghép nối lại theo qui luật nhất định, mỗi tế bào của mạng là một ô cơ sở của mạng

Các góc hợp bởi 3 vectơ theo từng đôi một là α, β, γ đặc trưng cho hình dạng tinh thể

Cấu trúc dạng vật liệu kim loại

Trong vật liệu kim loại thường có 3 dạng cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt kiểu A1, lập phương tâm khối kiểu A2 và 6 phương xếp khít kiểu A3 Ngoài ra cũng có một vật liệu kim loại có cấu trúc vô định hình

Cấu trúc kim loại có liên quan đến tính chất cơ lý, hóa và ảnh hưởng nhiều đến độ bền

ăn mòn kim loại Các điện tử tự do trong kim loại làm cho nó có nhiều tính chất tốt như tính dẫn, bền cơ học… nhưng chính nó cũng làm cho kim loại dễ bị ăn mòn phá hủy cấu trúc trong môi trường xâm thực

- Ăn mòn kim loại ?

- Ăn mòn kim loại là sự phá huỷ kim loại do tương tác hoá học và điện hoá của chúng với môi trường xung quanh

- Ăn mòn kim loại gây ra tổn thất rất lớn trong công nghiệp và trong đời sống hàng ngày Chi phí cho mất mát khối lượng kim loại hàng năm rất lớn Ăn mòn công trình kim loại gây ra nhiều sự cố, tổn thất rất nặng nề khi có sự số ăn mòn thì sản xuất đình trệ, ô nhiễm môi trường Tổn thất về con người và môi trường sinh thái do ăn mòn

- Ăn mòn kim loại xẩy ra do ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa Tốc độ ăn mòn kim loại phụ thuộc vào cấu trúc, bản chất kim loại và môi trường xung quanh nó

Ví dụ:

- Thép hợp kim thấp:Thép hợp kim thấp gồm sắt và một lượng nhỏ khoảng dưới 2%

các nguyên tố hợp kim Cu, Ni, Cr, P hoặc tổ hợp chúng lại sẽ tạo ra vật liệu có độ bền chống ăn mòn cao đối với môi trường ăn mòn khí quyển Trên bề mặt của thép hợp kim thấp tạo ra lớp oxit Fe3O4 có cấu trúc chặt sít ngăn cản sự tác động của môi trường làm giảm quá trình gỉ hoá tiếp theo Lớp bảo vệ này bền trong môi trường khí quyển nông thôn cũng như khu công nghiệp hoặc khi thay đổi thời tiết nắng mưa Thép này được gọi là “thép thời tiết” và được dùng rộng rãi trong công nghiệp xây dựng Khi có mặt ion Cl– trong các vùng khí hậu biển và ven biển hoặc khi nhúng vào nước, lớp oxit này không bền vững Trong điều kiện khí hậu biển thường sử dụng thép hợp kim hoá có chứa các nguyên tố Al, Cr hoặc Mo

Thép hợp kim thấp nhạy cảm với hiện tượng ăn mòn nứt khi tiếp xúc với các môi trường chứa các ion NO , OH− và NH3 lỏng

- Gang

Hàm lượng cacbon trong gang lớn hơn 2% Gang xám chứa 2 ÷ 4% C và 1 ÷ 3% Si

Độ bền chống ăn mòn của nó trong nước cao hơn thép mềm, nếu thêm 3% Ni độ bền

cơ học tăng lên, độ bền chống ăn mòn được cải thiện Trong gang trắng lượng cacbon tồn tại ở dạng Fe3C, nó cứng và giòn, khi bị ăn mòn Fe3Crơi vào dung dịch để lại các

lỗ chứa graphit và thường gọi là ăn mòn graphit hóa Nếu hàm lượng Si trong gang lớn hơn 14% loại này có tên thương mại là “Duriron” thì vật liệu này có độ chống ăn mòn rất cao, thường được dùng chế tạo các thân bơm

Gang Niben có thành phần Ni (14 ÷ 32%), Cr (1,75 ÷ 5,5%), Cu (<7%) có độ bền cơ học và độ bền chống ăn mòn rất cao trong môi trường H2SO4

- Thép không gỉ

Thép chứa một hàm lượng lớn các nguyên tố Cr, Ni, Si (thép hợp kim cao) có độ bền chống ăn mòn cao vì các phụ gia trên dễ dàng tạo ra các màng thụ động Hợp kim có thành phần Cr > 12% dễ dàng bị thụ động trong dung dịch nước do sự khử oxi

Thép không gỉ thông dụng được kí hiệu theo quy định trong kỹ thuật vật liệu

- Thép không gỉ ferit

Loại thép này hàm lượng cacbon thấp, có 16 ÷ 30% Cr, đôi khi có Mo và các nguyên

tố khác Crom là nguyên tố ổn định trạng thái ferit và giữ được cấu trúc mạng lập