Giới thiệu chung: Quá trình xảy ra trên các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua dung dịch điện ly được đặt giữa hai điện cực cathode (điện cực âm) và anode (điện cực dương). Trên cathode sẽ xảy ra quá trình nhận electron và
thực hiện phản ứng khử. Trên anode sẽ xảy ra quá trình nhường electron và thực hiện phản ứng oxi hóa.
Ứng dụng [8]
Một số quá trình oxi hóa điện hóa ứng dụng vào xử lý nước và nước thải [8].
Quá trình oxi hóa điện hóa: thường sử dụng anode thụđộng (điện cực titan có phủ platin, iridi…) tại anode các chất ô nhiễm hữu cơ bị oxi hóa.
Quá trình khử trùng điện hóa: ứng dụng để khử trùng , diệt khuẩn nước uống, nước sinh hoạt, nước hồ bơi…Nguyên tắc chung là sử bạc làm anode, dưới tác dụng điện hóa sẽ cung cấp ion Ag+để diệt khuẩn, khử trùng.
Quá trình điện thẩm tách: quá trình phân chia để tách các ion muối vô cơ nhờ tác dụng của dòng điện làm cho các ion vận chuyển qua màng lọc làm từ
các vật liệu có khả năng trao đổi ion. Ngoài ra phương pháp này còn cho phép tái sinh và thu hồi lại những thành phần có giá trị trong nước thải công nghiệp.
Quá trình đông tụđiện hóa: khi sử dụng điện cực không tan có thể xảy ra quá trình đông tụ do hiện tượng sinh điện và phóng điện của các hạt mang điện trên các điện cực, tạo thành trong dung dịch các chất có tác dụng phá vỡ các muối solvat (chlorine, oxi) trên bề mặt hạt. Có thể ứng dụng để làn sạch nước có chứa hàm lượng các chất hạt keo không cao và độ bền vững thấp của các chất gây ô nhiễm.
Nước thải chứa các tạp chất gây ô nhiễm có độ bền cao, người ta tiến hành điện phân với việc sử dụng các anode hòa tan bằng nhôm và thép. Dưới tác dụng của dòng điện xảy ra quá trình hòa tan của các kim loại, dẫn đến các cation sắt hoặc nhôm chuyển vào nước tạo thành các hydroxide của các kim loại đó ở
dạng bông và quá trình đông tụ xảy ra mãnh liệt.
Tuyển nổi điện hóa: trong quá trình điện phân nước luôn tạo ra nhiều bọt khí hydro ở cathode, khí oxygen ở anode . Khi các khí này nổi lên gặp, kéo theo các hạt lơ lửng cùng nổi lên bề mặt nước. Khi sử dụng các điện cực hòa tan, xảy ra
Trong các quá trình điện hóa nêu trên, quá trình oxi hóa điện hóa có tác dụng nâng cao khả năng oxi hóa thông qua gốc hydroxyl OHo, vì vậy quá trình này
được tìm hiểu kỹ hơn.
Quá trình oxi hóa điện hóa trực tiếp trên điện cực (quá trình oxi hóa
ở anode)
Sự hình thành gốc hydroxyl OHo được hấp phụ trên bề mặt anode (OHohp) do sự oxi hóa nước theo phương trình sau.
H2O ⎯⎯→ OHohp + H+ + e- (1.13)
Trong quá trình này thường sử dụng anode không hòa tan (điện cực thụđộng) như platin, than chì, chì dioxit, mangan dioxit, iridi (IrO2) phủ trên titan.
Đồng thời sử dụng dòng điện với mật độ dòng khá cao, chi phí tốn kém,
Quá trình oxi hóa điện hóa gián tiếp trong dung dịch [24]
Là quá trình Fenton sử dụng các tác nhân phản ứng sinh ra tại chỗ (in situ) trong quá trình điện hóa.
Gốc hydroxyl OHo được tạo thành, do các hợp chất sinh ra trong quá trình điện hóa. Ở anode xảy ra quá trình oxi hóa nước tạo ra O2:
2H2O ⇔ O2 + 4H+ + 4e- (1.14) Tại cathode O2 bị khử tạo ra H2O2
O2 + 2H+ + 2e- ⎯⎯→ H2O2 (1.15)
Nếu trong dung dịch điện ly có mặt ion Fe2+ , khi đó sẽ xảy ra phản
ứng giữa H2O2 và Fe2+ theo phương trình Fenton:
Fe2+ + H2O2 ⎯⎯→ Fe3+ +OHo+ OH- (1.16)
Các ion Fe2+ có thể đưa thêm vào dung dịch chất điện ly, hoặc cũng có thể sử dụng anode bằng sắt đóng vai trò là điện cực hoạt động bị ăn mòn điện hóa sẽ tạo ra Fe2+. Đặc điểm quan trọng của quá trình Fenton điện hóa là ở chổ khi phản ứng Fenton xảy ra theo phương trình (2.16) sẽ tạo thành Fe3+ , chính Fe3+ này sẽ bị khử thành Fe2+ trực tiếp trên cathode : Fe3+ + e- ⎯⎯→ Fe2+ (1.17). Nhờ
Hình 1.4: Sơ đồ quá trình Fenton điện hóa và sự tạo thành gốc hydroxyl OHo [23], [24], [26]
Phương trình tổng hợp từ (1.14), (1.15), (1.17) và (1.16) 1/2 O2 + H2O + năng lượng điện hóa ⎯⎯→ 2OHo (1.18)
Tùy theo cách đưa nguồn ion Fe2+ vào hệ mà ta có thể chia ra thành hai quá trình : Fenton cathode và Fenton anode.
a) Quá trình Fenton anode.
Nguồn Fe2+ không phải đưa vào hệ, mà sử dụng Fe làm điện cực anode sẽ
cung cấp ion Fe2+ bị mòn dần và trở thành điện cực hy sinh trong quá trình điện hóa . Cathode dùng điện cực graphit để thực hiện quá trình khử oxi thành H2O2. Vì vậy, trong quá trình này, tác nhân (Fe2+/H2O2) được sinh ra tại chỗ bằng con đường điện hóa ở trên hai điện cực anode và cathode.
Ưu điểm của quá trình Fenton anode so với quá trình Fenton cổđiển: Quá trình Fenton xảy ra trong điều kiện pH thấp (pH 2 – 3), trong khi
đó quá trình Fenton anode thực hiện trong điều kiện trung tính.
Không cần thêm Fe2+ vào hệ xử lý vì chúng được sinh ra liên tục nhờ
sử dụng điện cực hy sinh là sắt. Điều này có ý nghĩa quan trọng vì nếu sử dụng muối Fe2+ như trong quá trình Fenton cổ điển sẽ gặp vấn đề về bảo quản vì chúng rất dễ hút nước và dễ bị oxi hóa khi lưu giữ. Nếu dùng muối Fe3+ thì chúng có tính
b) Quá trình Fenton cathode.
Fe2+được đưa vào hệ từđầu và H2O2được sinh ra tại chỗ ngay trong hệ. Tuy nhiên, về sau không cần bổ sung Fe2+ vì Fe3+ sinh ra sẽđược khử ngay trên cathode trong quá trình điện phân : Fe3+ + e- ⎯⎯→ Fe2+ . Sự khử Fe3+để tạo ra Fe2+ và sự
khử O2 để tạo ra H2O2 xảy ra đồng thời tại cathode với tốc độ gần như nhau.
Điện cực anode làm bằng các vật liệu trơ như platin, titan phủ màng mỏng platin, cathode làm bằng vật liệu chứa carbon
Vì Fe2+ và H2O2 liên tục được sinh ra trong quá trình điện hóa với tốc độ
kiểm soát được nên so với quá trình Fenton cổ điển, quá trình Fenton cathode đạt hiệu quả cao hơn, mức độ phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ cũng hoàn toàn hơn.