1.6.1 Kiểm soát cáu cặn theo cách truyền thống
Có hai cách xử lý nước bằng phương pháp hóa học đã được sử dụng để kiểm soát sự hình thành canxi cacbonat trong các hệ thống nước làm mát.
Cách thứ nhất, thêm axit vào để đảo ngược sự hình thành ion carbonate do sự phân hủy nhiệt của bicarbonate và sau đó loại bỏ bicarbonate bằng cách chuyển đổi nó thành axit carbonic, từ đó phân hủy thành khí carbon dioxide và nước. Carbon dioxide sau đó dễ dàng thoát ra không khí.
Cụ thể, axit thêm vào được sử dụng để thay đổi tính chất hóa học nước tuần hoàn, từ đó canxi cacbonat không thể hình thành do khả năng hình thành cacbonat của cáu cặn bị ức chế hoặc giảm đáng kể. Đây là một phương pháp rất hiệu quả để kiểm soát lượng canxi cacbonat, nhưng nó sẽ làm giảm pH nước làm mát một cách đáng kể dẫn đến gia tăng khả năng ăn mòn. Sử dụng các axit khoáng chất mạnh như axit sulfuric (H2SO4) cũng thể hiện vấn đề nguy hiểm trong việc kiểm tra an toàn cho hệ thống. Các phản ứng liên quan là:
CO32-
+ H+1 HCO3-1
HCO3-1
+ H+1 + H2CO3 CO2 + H2O
Phương pháp thứ hai để kiểm soát sự hình thành canxi cacbonat phụ thuộc vào việc thêm vào hai loại ức chế cáu cặn, chất chống kết tủa (chất điều tiết kết tủa) và chất phân tán. Bằng cách tham gia vào quá trình tạo kết tinh của tinh thể canxi cacbonat, các chất chống kết tủa làm chậm đáng kể hoặc trì hoãn sự hình thành các tinh thể canxi cacbonat có kích thước đủ để có thể hình thành lắng cặn. Làm hạn chế quá trình tạo tinh thể canxi cacbonat là làm giảm canxi thông qua xả bỏ nước. Các chất phụ gia ức chế kết tủa không hiệu quả trong việc vận chuyển canxi qua hệ thống nước làm mát như axit, nhưng chúng có ưu điểm là không làm giảm độ pH hoặc góp phần đáng kể vào sự giảm ăn mòn.
Tóm lại, nước cấp có chứa canxi bicarbonate hòa tan và nhanh chóng đi vào trạng thái siêu bão hòa, siêu bền với tiềm năng theo thời gian để tạo ra lượng canxi cacbonat đáng kể. Nếu các phương pháp xử lý hóa học truyền thống không được sử dụng, quá trình dẫn
đến sự kết tủa bắt đầu trong toàn bộ lượng nước làm mát tuần hoàn. Sự hình thành canxi cacbonat bắt đầu với các ion canxi và cacbonat kết hợp với nhau tạo thành các cụm ion có số lượng rất lớn. Dưới sự siêu bão hòa, số lượng ion canxi và cacbonat của các cụm ion có xu hướng tăng chậm theo thời gian. Cuối cùng, khi đạt đến điểm tạo kết tủa và các tinh thể canxi cacbonat thực sự bắt đầu hình thành trong toàn bộ thể tích nước làm mát, quá trình kết tủa canxi cacbonat trở nên đáng chú ý là độ đục của nước.
1.6.2 Kiểm soát lượng cặn mới
Gần đây, một loại xử lý khác đã được chứng minh là làm giảm tỷ lệ lượng ion canxi trong hệ thống nước làm mát. Việc xử lý dựa trên một quá trình điện hóa, điện phân nước, làm tăng độ pH trong vùng xung quanh của bề mặt điện cực, gây ra sự kết tủa CaCO3 ở điện cực. Ta đã biết rằng canxi cacbonat kết tủa phụ thuộc vào nhiệt độ nồng độ ion, tốc độ dòng chảy của dung dịch và độ pH của nước.
Quá trình điện phân hoạt động bằng cách khử nước thành khí hydro và ion hydroxit
ở bề mặt điện cực âm.
Điện phân nước chứa chất điện phân tạo ra hai phản ứng hóa học: Phản ứng ở điện cực âm, khử nước
4H2O + 4e- 2H2 + 4OH-
Phản ứng ở điện cực dương, oxy hóa nước tạo thành Oxi và ion H+ 2H2O - 4e- O2 + 4H+
Trong nước cứng chứa ion bicarbonate, bicarbonate sẽ phản ứng với H+ vừa tạo thành ở cực dương:
Phản ứng ở cực dương:
H+ + HCO3-
+ H2CO3 CO2 + H2O
Trong nước cứng chứa ion bicarbonate và ion canxi, hai phản ứng xảy ra ở cực âm:
Phản ứng 1: ion OH- sẽ phản ứng với HCO3-
tại cực âm
OH- + HCO3- CO3-2
+ H2O Phản ứng 2: sau khi CO32-
được tạo thành từ phản ứng 1 sẽ kết hợp với ion Ca2+ tạo thành CaCO3 kết tủa.
Ca+2 + CO32- CaCO3. Quá trình điện phân diễn ra tuần hoàn liên tục.
Qua đó, việc tạo ra ion hydroxyl từ nước qua quá trình điện phân dẫn đến việc chuyển hóa bicarbonate thành cacbonat dễ dàng, thúc đẩy kết tủa canxi cacbonat. Điện phân có thể được xem như là chất xúc tác để thúc đẩy cơ chế kết tủa, thu giữ và loại bỏ chất cần thiết, để tạo ra nước mềm sử dụng lâu dài. Mặc dù có các phương pháp khác để làm mềm nước tương tự, chẳng hạn như làm mềm bằng soda lạnh công nghiệp và truyền thống, nhưng phương pháp điện hóa không yêu cầu thêm hóa chất, kiểm soát được nồng độ pH, lọc hoặc phương tiện bổ sung tách chất rắn cơ học sẽ có lợi và không gây ô nhiễm môi trường.
Điện phân cung cấp một phương tiện để hình thành kết tủa và lấy canxi nhanh chóng, đơn giản, dễ bảo trì và không yêu cầu xử lý hóa chất hay bất cứ hợp chất gì. Công nghệ này đang được chứng minh là một công cụ mới có giá trị, cho phép xử lý nước làm mát hiệu quả không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn tiết kiệm đáng kể nước và loại bỏ việc sử dụng hóa chất gây nên các vấn đề cho môi trường.
1.7 Vật liệu điện cực
Về mặt lý thuyết, bất kỳ vật dẫn điện nào cũng có thể làm điện cực, nhưng chỉ có một số vật liệu được sử dụng trong thực tế đã thỏa mãn các điều kiện cần thiết. Mà vật liệu chế tạo điện cực được sử dụng phổ biến hiện nay là titan và hợp kim của nó.
Tìm kiếm những vật liệu điện cực không độc hại, có khả năng chịu được oxy hóa và xử lý các chất độc hại với hiệu suất cao là thách thức cho sự phát triển của ngành công nghệ xử lý nước thải hữu cơ bằng phương pháp điện hóa.
Titan là nguyên tố phổ biến thứ chín trên vỏ Trái Đất, nó xuất hiện trong hầu hết đá lửa, đá trầm tích được tìm thấy rộng rãi và khắp nơi. Cũng có thể tìm thấy kim loại này trong thiên thạch, đá từ mặt trăng, tro than, cây và cả trong cơ thể con người. Titan là kim
loại cứng nhất trong hầu hết các kim loại, bề mặt bóng láng có khả năng chịu được nhiệt độ rất cao. Khả năng chống ăn mòn cao với axit, khí clo và các dung dịch muối thông thường. Có thể được kéo dãn rất dễ dàng, dễ gia công tạo hình. Có độ bền cơ, độ bền rất cao trong nhiều môi trường, mật độ dòng lớn.
Hợp kim titan được sản xuất bằng phương pháp khử thường được luyện với nhôm, vanadi, đồng, sắt, kẽm và nhiều loại kim loại khác. Được dùng chủ yếu trong hàng không xe bọc thép, tàu hải quân, tàu vũ trụ, áo chống đạn...
Trong mỗi công nghệ mới, vật liệu cực dương đóng một vai trò vô cùng quan trọng. Một điện cực lí tưởng đảm bảo các tiêu chuẩn về: độ bền cao, độ dẫn điện tốt, khả năng phản ứng hóa học tốt, giá thành không cao, không độc hại, có sẵn trong tự nhiên…Chính vì nguyên nhân trên mà titan là một lựa chọn hoàn hảo cho công nghệ điện hóa hiện nay.
Titan Gr1 là loại mềm nhất và có độ dẻo cao nhất. Nó có đặc tính tạo hình ở nhiệt độ thấp tốt và cung cấp khả năng chống ăn mòn tốt. Ngoài ra Titan Gr1 có thể hàn và gia công được.
Titan Gr1 dạng lưới, cực dương được phủ lớp chì đioixit (PbO2) điện cực trơ không tan trong quá trình điện phân [14].
Hình 1.13 Điện cực titan