khái niệm chung về kỹ thuật 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 ; am2, mAcm2 Alit ) Dòng A nốt; dòng Ca tốt; Mật độ dòng anôt ; mật độ dòng catốt Mật độ dòng thể tích ( Alit) 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 = An 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.

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 cácquá trình hóa học và dòng điện Một phản ứng hóa học xảy ra khi có dòng điện chạyqua, 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 hóakhử (phản ứng ôxi hóa khử)

- Điện hóa học là khoa học nghiên cứu sự chuyển hóa tương hỗ giữa hóa năng và điệnnăng, tức là nghiên cứu mối quan hệ qua lại giữa phản ứng hóa học và dòng điện Việcnghiên cứu sự chuyển hóa tương hỗ giữa hai dạng năng lượng được phát triển từ lâu vàngày 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 cơchế 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 dungdịch 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% Tạpchất 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 kết tủa (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%.

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 kimloại nền trong môi trường ăn mòn Lớp mạ cathode bảo vệ hiệu quả kim loại nền nếu làlớp 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 đồtrang 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 thànhtrước đó Mọi trở lực của các quá trình trên đều gây nên một độ phân cực catot, (quáthế 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 chuyểnkhỏi 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 tạomầm 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 mạnglưới tinh thể của kim loại nền ở vị trí có lợi nhất về mặt năng lượng Đó là những chỗtập trung nhiều nguyên tử láng giềng nhất, vì ở đó năng lượng dư bề mặt lớn nhất, cácmối liên kết chưa được sử dụng là nhiều nhất Nếu kim loại nền và kim loại kết tủa cócấu trúc mạng khá giống nhau về hình thái, kích thước thì cấu trúc của kim loại nềnđược bảo tồn và kim loại kết tủa sẽ phát triển theo cấu trúc đó (cấu trúc laighép (epitaxy)), xảy ra ở những lớp nguyên tử đầu tiên Sau đó sẽ dần chuyển về cấutrúc 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 sốmạng 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 haymuối phức Dung dịch muối đơn còn gọi là dung dịch axit Cấu tử chính của dung dịchnày là muối của các axit vô cơ hòa tan nhiều trong nước và phân ly hoàn toàn trongdung 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 Mặtkhác dung dịch muối đơn cho hiệu suất dòng điện cao, và càng cao khi mật độdòng 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 ionkim 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 cácchất điện giải trơ Các chất này không tham gia vào quá trình catot và anot mà chỉ đóngvai trò chuyển điện trong dung dịch, làm giảm điện thế bể mạ Các chất dẫn điệnthường dùng là Na2SO4, H2SO4, Na2CO3… Để ổn định pH cho dung dịch mạ, cần phảithêm vào dung dịch chất đệm pH thích hợp để tạo môi trườngthích hợp nhất cho phảnứng 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, cótác 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 cáthoặc tia nước dưới áp suất cao Quá trình gia công cơ học làm lớp kim loại bề mặt sảnphẩm bị biến dạng, làm giảm độ gắn bám của lớp mạ sau này Vì vậy trước khi mạ cầnphải 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 rấtmỏng cũng đủ để làm cho bề mặt trở nên kị nước, không tiếp xúc được với dung dịchtẩy, dung dịch mạ… Có thể tiến hành tẩy dầu mỡ bằng các cách sau: Tẩy trong dungmôi 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, khôngbắt lửa Tuy nhiên, sau khi dung môi bay hơi, trên bề mặt kim loại vẫn còn dính lại lớpmàng dầu mỡ rất mỏng => không sạch, cẩn phải tẩy tiếp trong dung dịch kiềm Tẩytrong 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 phảnứng xà phòng hóa với NaOH và bị tách ra khỏi bề mặt Với những loại dầu mỡ khoángvật thì sẽ bị tách ra dưới tác dụng nhũ tương hóa của Na2SiO3 Tẩy trong dung dịchkiềm 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 dungdịch 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, nhữngrung 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 loạiđen thường dùng axit loãng H2SO4 hay HCl hoặc hỗn hợp của chúng Khi tẩy thườngdiễn ra đồng thời 2 quá trình: hòa tan oxit và kim loại nền Tẩy gỉ điện hóa là tẩy gỉhóa 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 còngóp phần làm tơi cơ học màng oxit và nó sẽ bị bong ra Tẩy gỉ bằng catot chỉ áp dụngcho 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 hóathường mắc vật tẩy với anot đặt trong một dung dịch đặc biệt Do tốc độ hòa tan củaphần lồi lớn hơn của phần lõm nên bề mặt được san bằng và trở nên nhẵn bóng Cơ chếtẩy bóng hóa học cũng giống tẩy bóng điện hóa Khi tẩy bóng hóa học cũng xuất hiệnlớp màng mỏng cản trở hoặc kìm hãm tác dụng xâm thực của dung dịch với kim loạitại chỗ lõm

• Tẩy nhẹ

Tẩy nhẹ hay còn gọi là hoạt hóa bề mặt, nhằm lấy đi lớp oxit rất mỏng, không nhìnthấy được, được hình thành trong quá trình gia công ngay trước khi mạ khi tẩynhẹxong, 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 chitiết cần có độ bóng cao, bề mặt đẹp, có thể tạo bón trên vật thể phức tạp, không chophép gia công

Trong gia công cơ khí chính xác, có thể dùng để cắt gọt kim loại, hợp kim cứng với độchính 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 gồghề làm cho bề mặt phẳng Có thể dùng dòng điện có biến đổi để hòa tan chỗ lồi, sanphẳng 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 bềmặt có độ phẳng cao và có khả năng phản chiếu lớn Để tiến hành đánh bóng, người tanhúng sản phẩm cần đánh bóng vào bên cạnh một điện cực trong bể chất điện phân vànối vào nguồn điện 1 chiều, trong đó sản phẩm cần đánh bóng là cực anốt Các thửnghiệm cho thấy, nhiệt độ chất điện phân vào khoảng -30oC sẽ cho hiệu quả đánhbóng cao nhất Nhiệt độ càng cao, hiệu quả đánh bóng càng phụ thuộc vào sự ổn địnhcủa điện thế Do đó cần duy trì ổn định nhiệt độ chất điện phân ở nhiệt độ thấp là rấtcần thiết Tốc độ đánh bóng phụ thuộc không những nhiệt độ của bể mà còn phụ thuộcvào loại chất điện phân sử dụng Chất điện phân trên cơ sở cồn mêtyl cho tốc độ đánhbóng 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 chitiết 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 độchính 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 gồghề làm cho bề mặt phẳng Có thể dùng dòng điện có biến đổi để hòa tan chỗ lồi, sanphẳng 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 luyệnkim 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 mỗikim loại có điện thế phóng điện nhất định, trong dung dịch ở điều kiện đã chọn nên sẽthu được kim loại tinh khiết trong thực tế đã ứng dụng nguyên lý này để sản xuất kimloại 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% Tạpchất 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 kimvới 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 trongmôi 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 quangđiện, 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 – Cl2)

• Sản xuất Xút – Clo

Xút và Clo là 2 sản phẩm hóa chất được sử dụng rộng rãi trong các ngành côngnghiêp Nguyên liệu sản xuất Xut-Clo là muối NaCl.- Điện phân dung dịch NaCl theochế 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 phânbằng Catot lỏng

- Phương pháp catốt rắn: dùng điện cực catốt rắn để điện phân NaCl Sản phẩmthu đước là NaOH trên catốt và Clo trên Anốt NaOH thu được có nồng độloãng, 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 hỗnhống 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:

- Toàn bộ dây chuyền sản xuất NaOH là dựa trên phản ứng điện phân nước muối (nướccái) 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 máyxút-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 thươngphẩm

- 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 MnO2

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

Nguyên liệu sản xuất MnO2 là quặng Mangan hàm lượng thấp Chế tạo MnSO4 từquặng; bằng cách điện phân MnSO4 trong môi trường axit thu được MnO2 điện giải cóhàm 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 ( catốtbằng 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 H2O2

- 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 ppđiện 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 tiêntiến

- 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:

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 chụcnăm 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 quátrình

- 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