3.2.1.1. Ảnh hưởng tới kích thước hạt
Hình 3.12. Ảnh TEM của dung dịch nano bạc điều chế bằng quá trình hòa tan anôt chế độ ổn dòng với các khoảng cách giữa điện cực anôt-catôt khác nhau
H = 600 mm
H = 1000 mm H = 350 mm
Hình 3.12 là ảnh ảnh TEM của ba mẫu dung dịch nano bạc: ,
, , , , được điều chế từ quá trình hòa tan anôt bạc trong nước cất hai lần bằng điện áp cao một chiều cao tại các khoảng cách giữa anôt và catôt Danôt-catôt = 350 mm ÷ 1000 mm đều cho cỡ hạt có kích thước nano rất nhỏ dưới 40 nm. Ảnh TEM cũng cho thấy các hạt nano bạc thường có dạng hình cầu với các kích thước khác nhau không đồng nhất. Điều đó chứng tỏ các hạt nano bạc được hình thành bởi cơ chế điện hóa, khác với các hạt nano được hình thành bằng phương pháp vật lý thông thường với hạt nano dạng hình có góc cạnh.
Hình 3.13. Đường phân bố cỡ hạt của dung dịch nano bạc điều chế bằng quá trình hòa tan anôt với các khoảng cách điện cực, nhiệt độ và thời gian khác nhau
Kích thước hạt nano bạc điều chế bằng quá trình hòa tan anôt điện áp cao có xu hướng lớn dần theo chiều tăng của khoảng cách điện cực nhưng dao động từ 2 nm đến 40 nm. Đồng thời, mặc dù với kích thước nano nhưng các hạt có xu hướng liên kết với nhau thành dây hay đám các hạt nano.
Với xu hướng kết dính với nhau để trở thành cụm hoặc thành dây làm cho quá trình xác định phân bố cỡ hạt bằng nguyên lý tia laze của thiết bị LA- 950V2 Laser Scattering Particle Distribution Analyzer sẽ thu được các kích thước lớn hơn (hình 3.13).
Kết quả từ hình 3.13 cho thấy đường phân bố cỡ hạt ở các điều kiện phản ứng khác nhau rất khác nhau, nhưng phần chủ yếu ở vùng nano khi khoảng cách tăng. Ngoài vùng nano đường phân bố cũng cho thấy vùng kích thước lớn hơn do sự kết dính các hạt nhưng vùng kích thước lớn cũng có xu hướng giảm dần theo khoảng cách của điện cực.
Như vậy với khoảng cách điện cực khảo sát trong khoảng
Danôt-catôt = 350 mm ÷ 1000 mm đều cho kích thước hạt cỡ nanomet mặc dù kích thước hạt có xu hướng lớn lên theo chiều tăng của Danôt-catôt nhưng có thể đáp ứng được theo yêu cầu về kích thước hạt cho phép sử dụng tốt.
3.2.1.2. Ảnh hưởng tới hiệu suất dòng hòa tan anôt
Nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách điện cực được tiến hành trên hệ điện cực bạc có đường kính F = 3 mm, trong khoảng thời gian 50 phút. Kết quả khối lượng hòa tan anôt Ag theo khoảng cách điện cực được cho trong bảng 3.9 dựa trên hai phương pháp: phương pháp tính theo dòng hòa tan Faraday ( ), phương pháp hao hụt khối lượng ( ).
Để đánh giá hiệu quả của điện điện phân tới quá trình hòa tan anôt ta dựa trên đại lượng:
Nếu (%) càng lớn, chứng tỏ dòng điện điện phân phân bố cho quá trình hòa tan anôt càng nhiều. Phần phân bố cho các quá trình khác như thoát khí càng ít. Có nghĩa phần năng lượng có ích càng lớn, là mong muốn về mặt công nghệ.
Bảng 3.9. Hiệu suất hòa tan anôt với khoảng cách điện cực khác nhau
TT Ký hiệu mẫu Điện áp điện phân trung bình (kV) Danôt-catôt (mm) (mg) (mg) (%) 1 , 8,23 350 129,60 112,00 86,42 2 , 10,79 450 204,97 125,00 60,98 3 , 11,79 500 213,50 98,00 45,90 4 , 12,15 550 213,50 82,00 38,41 5 , 13,62 650 215,88 68,01 31,50 6 , 11,45 700 192,35 70,00 36,39 7 , 22,96 750 211,45 65,00 30,74 8 , 13,92 800 223,73 74,00 33,08 9 , 12,68 850 217,25 66,00 30,38 10 , 14,45 900 225,09 82,00 36,43 11 , 20,51 950 195,76 58,00 29,63 12 , 21,58 1000 198,15 59,00 29,78
Bảng 3.9 cho thấy hiệu suất của dòng hòa tan (%) có xu hướng giảm dần theo chiều tăng của khoảng cách điện cực, chứng tỏ với khoảng cách càng lớn thì điện lượng dành cho hòa tan anôt càng nhỏ, trong khi dành cho thoát khí càng tăng lên. Như vậy thì khoảng cách điện cực càng ngắn thì hiệu quả dòng điện cho quá trình hòa tan anôt càng cao.
Hình 3.14 mô tả quy luật thay đổi của (%) theo khoảng cách điện cực. Hiệu suất dòng hòa tan anôt giảm khi tăng khoảng cách điện cực. Tốc độ giảm hiệu suất chậm dần cho đến khoảng cách 650 mm chứng tỏ năng lượng dành cho thoát khí bắt đầu có xu hướng ổn định đến khoảng cách 950 mm.
Hình 3.14. Hiệu suất dòng điện dành cho quá trình hòa tan anôt
3.2.1.3. Ảnh hưởng tới hàm lượng nano bạc
Ngoài ra, mục tiêu quan trọng khác để đánh giá hiệu quả của quá trình là đánh giá hàm lượng nano bạc thực tế có trong dung dịch đo được theo phương pháp AAS ( ) so với lượng bạc đã hòa tan khi điện phân theo phương pháp hao hụt khối lượng ( ). Các đại lượng này được mô tả trong bảng 3.10.
Ở đây ta sử dụng đại lượng:
(%) = x 100% (3.2)
Nếu (%) càng lớn thì lượng bạc đã hòa tan tạo thành bạc kim loại có kích thước nano càng nhiều, chứng tỏ hiệu quả khử ion Ag+ của khí H2 sinh ra do quá trình catôt và plasma điện cực càng triệt để. Phần ion bạc còn lại không kịp bị khử có thể đi tới catôt và phóng điện trên dòng giới hạn tại
catôt càng thấp. Đây cũng là mong muốn đạt được về mặt công nghệ.
Bảng 3.10 trình bày khối lượng nano bạc xác định được từ thực tế trong dung dịch thu được bằng phương pháp AAS ( ) và hiệu suất tạo thành nano ( ) của khối lượng bạc đã hòa tan.
Bảng 3.10. Hiệu suất tạo nano theo khoảng cách điện cực khác nhau
TT Ký hiệu mẫu Danôt-catôt (mm) (mg) (mg) (%) 1 , 350 112,00 34,69 30,97 2 , 500 98,01 30,58 31,20 3 , 650 68,00 21,56 31,70 4 , 750 65,00 20,02 30,80 5 , 850 66,00 13,93 21,11 6 , 1000 59,00 11,92 20,21
Hình 3.15 cho thấy trong khoảng Danôt-catôt = 350 mm đến 650 mm, hiệu suất tạo nano bạc tăng dần theo khoảng cách điện cực, chứng tỏ khi khoảng cách điện cực tăng thì hiệu quả khử ion Ag+ của khí H2 càng tăng. Từ khoảng cách điện cực 650 mm đến 1000 mm thì hiệu suất tạo nano bạc giảm.
Điều này có thể lý giải như sau: khi tăng khoảng cách điện cực thì quãng đường di chuyển của ion Ag+ từ anôt tới catôt và H2 di chuyển từ catôt về anôt càng dài theo chiều ngược nhau. Do đó xác suất tiếp xúc giữa chất khử và chất bị khử càng lớn làm cho hiệu quả khử tốt hơn. Khi khoảng cách điện cực lớn hơn 650 mm đến 1000mm thì cường độ của plasma điện cực giảm và lượng khí hiđro phân tán trong thể tích dung dịch lớn hơn sẽ làm giảm hiệu quả khử ion Ag+. Bên cạnh đó, có thể do khoảng cách điện cực lớn thì lượng bạc phóng điện trên dòng giới hạn tại catôt tăng lên.
Hình 3.15. Hiệu suất tạo thành nano bạc của kim loại anôt hòa tan
3.2.1.4. Khoảng cách điện cực tối ưu
Hình 3.14 và hình 3.15 cho thấy quy luật diễn biến của (%) và (%) theo Danôt-catôt. Trong hai yếu tố này, hiệu suất tạo nano bạc trong dung dịch có vai trò quan trọng hơn hiệu suất dòng hòa tan anôt. Do đó khoảng cách điện cực tối ưu được lựa chọn dựa trên hiệu suất (%). Vậy khoảng cách điện cưc Danôt-catôt ở khoảng 600mm đến 700 mm sẽ cho hàm lượng nano trong dung dịch tối ưu, và hiệu suất dòng hòa tan có giá trị ở khoảng ổn định, đồng thời kích thước hạt nano trong vùng khả dụng.