MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA ĐIỆN HÓA HỌC

Chương IV MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA ĐIỆN HÓA HỌC TS Trần Tấn Nhật nhathunan@yahoo.com Khoa học điện hóa học (Electrochemical Science), phần Hóa lý, song có khoa học lại có mối liên hệ với thực tế sản xuất công nghiệp điện hóa học với phổ sản phẩm đa dạng Thật vậy, cơng nghệ điện hóa trở thành định hướng quan trọng cho phát triển công nghệ hóa học tương lại Điểm qua số đối tượng sản phẩm điển hình chế tạo từ cơng nghệ điện hóa trực tiếp gián tiếp Chế tạo kim loại Al, Na, K, Li, Mg, Zn, Cu, Ni, Co, Cd, Cr, Ag, … Điều chế khí Cl2, Br2, F2, H2 Hóa chất vơ cơ NaOH, KOH, NaOCl, MnO2, KMnO4, H2O2, ClO3 , ClO4 , BrO3 ,… Hợp chất hữu Propylen oxit, PVC, Nylon, hợp chất kim, … Dược phẩm Tinh chất hữu (fine chemicals), alkaloid, vitamin C, … Nội dung 4.1 Điện phân tổng hợp điện hóa để chế tạo vật liệu hóa chất 4.2 Ăn mòn bảo vệ kim loại 4.3 Nguồn điện hóa học 4.1 Điện phân tổng hợp điện hóa • Điện phân tổng hợp điện hóa để chế tạo vật liệu hóa chất - Điện phân xút để s/x Cl2, NaOH KOH  sử dụng nhiều CN hóa chất (giấy, chất tẩy rửa, sản phẩm clo hóa chất hữu cơ, chất dẻo, xử lý nước,…) - Điện phân muối florua nóng chảy đ/c F2 (pp nhất) - Sản xuất pp tổng hợp điện hóa số chất vơ khác: KMnO 4, MnO2, KClO3, KClO4,… - Điện phân nước để đ/c hydro oxi PTN, ngày trở thành CN tảng kinh tế hydro kỷ XXI 4.1 Điện phân tổng hợp điện hóa - Tổng hợp hữu p/p điện hóa: 1940, Kolbe đp dd muối kiềm axit béo  hydrocacbon 1963, Monsanto Chem sx adiponitril propylen oxit ( (CH2)4 (CN)2, CH3CHCH2O),… sp quan cho sx chất dẻo sợi tổng hợp nylon  Khác với pp tổng hợp hữu thơng thường, pp điện hóa, vật liệu điện cực nguồn cung cấp tác nhân p/ư – electron Cơng nghệ brom hóa flo hóa h/c hữu đường điện hóa để chế tạo ngun liệu hữu ích kiểm sốt nhiễm 4.1 Điện phân tổng hợp điện hóa  Ngày có hàng ngàn tinh chất hữu (fine chemicals) dược phẩm điều chế trực tiếp hay gián tiếp, đường thực hầu hết loại p/ư hữu • Điện kết tủa điện luyện kim Đây công nghệ quan trọng để sx tinh luyện nhiều k/l quan trọng - Điện phân từ quặng oxit muối nóng chảy để sx k/l kiềm, kiềm thổ, nhôm,… - Tinh luyện k/l pp điện tinh luyện, kim loại chứa tạp chất bị hòa tan anot kết tủa catot 4.1 Điện phân tổng hợp điện hóa - Tái sinh kim loại từ phế thải CN hết hạn sử dụng (xe, máy, acquy, đồ điện tử,…) ko thể thiếu cơng đoạn điện hóa - Mạ điện hóa kỹ thuật tạo lớp phủ chống ăn mòn trang trí  phát triển thành CN lắng đọng kỹ thuật cao (mạ nano, tạo lớp phủ chức năng,…) 4.2 Sự ăn mòn bảo vệ kim loại 4.2.1 Ăn mòn kim loại  Ăn mòn hóa học Ăn mòn q trình tự phá hủy kim loại tác động hóa học, điện hóa học môi trường xung quanh (môi trường xâm thực) để chuyển sang dạng bền nhiệt động lực hợp chất oxit, hidroxit, muối - Khơng phát sinh dòng điện ăn mòn - Sản phẩm ăn mòn tạo thành chỗ kim loại tiếp xúc kim loại với môi trường 4.2 Sự ăn mòn bảo vệ kim loại  Ăn mòn điện hóa Là q trình ăn mòn kim loại mơi trường điện li Sự phá hủy kim loại xảy bề mặt giới hạn pha: kim loại dung dịch chất điện li - Q trình ăn mòn điện hóa xảy tương tự hoạt động pin điện bị khép kín mạch - Q trình ăn mòn xẩy kim loại, nghĩa xẩy trình anốt catốt dẫn đến phá huỷ kim loại 4.3 Nguồn điện hóa học Sự nạp điện: ( -): (+): Tổng quát: 4.3 Nguồn điện hóa học Dung dịch đ/ly axit H2SO4 nồng độ 4,2 mol/lit tương đương 33,5% hay d = 1,26g/cm Sức đđ acquy: Sức đđ acquy chì:  Khi sử dụng, phóng điện E giảm tới 1,85 V dừng phóng để nạp lại nhằm trì tính bền thuận nghịch p/ư pin với thời gian 4.3 Nguồn điện hóa học  Đây loại acquy lâu đời (G.Plante’1860) Trình độ CN mặt tích trữ lượng đạt gần 1/3 giá trị lý thuyết (thực tế 50 Wh/kg; lý thuyết 165 Wh/kg)  chưa thể kỳ vọng sử dụng acquy axit cho o6to điện tương lại gần ▪ Acquy kiềm - Acquy Edison: Sắt - Nicken phản ứng tổng quát xảy pin: 4.3 Nguồn điện hóa học - Acquy hệ Ni/Hydrid kim loại (MH) (acquy kiềm thân thiện với môi trường nay) (+): (-): p/ư tổng quát: Tuy có E = 1,3 V, mật độ lượng cao 80 Wh/kg  4.3 Nguồn điện hóa học  Acquy Ni/MH ứng củ viên tiềm cho oto điện tương lai gần - Acquy ion Li + (-): (+): p/ư tổng qt: 4.3 Nguồn điện hóa học + Thơng số acquy ion Li hẳn acquy điện hóa biết nay: E = 3,6 V; mật độ lượng đạt: 120 – 150 Wh/kg; chu kỳ làm việc hàng ngàn lần + Là thành tựu vật liệu công nghệ mới, acquy ion Li sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực điện tử, điện thoại di động kì vọng sử dụng cho oto chạy điện tới 4.3 Nguồn điện hóa học • Pin nhiên liệu ▪ Cơ sở hóa lý Hố Nhiệt Cơ Nguyên lý sản xuất điện đường nhiệt điện Điện 4.3 Nguồn điện hóa học  Do vậy, cuối kỷ 19, W Ostwald, W.Grove, W.Nernst quan tâm đến khả chuyển trực tiếp hóa nhiên liệu thành điện đường điện hóa bỏ qua khâu sử dụng máy nhiệt Đó pin nhiên liệu: Về mặt lý thuyết h/s 100% (vì ko bị giới hạn đ/lý Carnot qua khâu máy nhiệt) 4.3 Nguồn điện hóa học Thật vậy, chuyển hóa lượng qua khâu máy nhiệt: Còn theo đường điện hóa: Để tính hiệu suất ta thay 4.3 Nguồn điện hóa học Gía trị ΔG ΔH xấp xỉ thứ nguyên, nên dễ dàng thấy � ≈ 100% Nếu ΔS < � > 100% (thực tế phản ứng áp dụng cho pin nhiên liệu lại có ΔS > 0) Hiệu suất thực tế pin nhiên liệu ngày đạt khoảng 50 – 80%, nhiên hẳn hiệu suất qua đường máy nhiệt 4.3 Nguồn điện hóa học ▪ Nguyên tắc hoạt động pin nhiên liệu Chất hoạt động cực âm nhiên liệu tự nhiên hay dẫn xuất nhiên liệu tự nhiên, chất hoạt động cực dương oxi Trong pin nhiên liệu, “chất đốt’’ tích trữ bên ngồi cung cấp liên tục tới điện cực, tế bào điện hóa reactơ để chuyển hóa Pin nhiên liệu kỳ vọng nghiên cứu thành công pin Oxi – Hydro nhằm đón đầu kỷ nguyên kinh tế hydro tương lai gần 4.3 Nguồn điện hóa học Pin Hidro – Oxi : chất điện giải là: KOH màng polime, H3PO4, muối cabonat, chất điện giải rắn  Sự ưu việt làm việc pin vừa sản xuất điện vừa tổng hợp nước  sử dụng tàu vũ trụ Mơ hình Pin HYDRO - OXY ... 4.1 Điện phân tổng hợp điện hóa để chế tạo vật liệu hóa chất 4.2 Ăn mòn bảo vệ kim loại 4.3 Nguồn điện hóa học 4.1 Điện phân tổng hợp điện hóa • Điện phân tổng hợp điện hóa để chế tạo vật liệu hóa. ..Khoa học điện hóa học (Electrochemical Science), phần Hóa lý, song có khoa học lại có mối liên hệ với thực tế sản xuất cơng nghiệp điện hóa học với phổ sản phẩm đa dạng Thật vậy, công nghệ điện hóa. .. 4.3 Nguồn điện hóa học  Acquy Ni/MH ứng củ viên tiềm cho oto điện tương lai gần - Acquy ion Li + (-): (+): p/ư tổng qt: 4.3 Nguồn điện hóa học + Thơng số acquy ion Li hẳn acquy điện hóa biết