Như đó biết, plasma là một trạng thỏi hệ tựa trung tớnh bao gồm cỏc ion, cỏc electron và khớ. Đối với plasma điện húa trong mụi trường nước, khi ở điện ỏp thấp quỏ trỡnh điện phõn nước xảy ra ở tốc độ chậm, mức độ giải phúng khớ oxi và khớ hydro trờn mỗi điện cực nhỏ, mật độ khớ trờn bề mặt điện cực thấp, điện trường yếu dẫn đến chưa đủ điều kiện về mặt năng lượng để
ion húa khớ hỡnh thành plasma trờn bề mặt điện cực. Ở điện ỏp cao quỏ trỡnh
điện phõn nước xảy ra mạnh hơn, khả năng giải phúng khớ trờn bề mặt điện cực đủ lớn kốm theo điện trường mạnh, cỏc hạt mang điện cú năng lượng lớn dẫn đến quỏ trỡnh va chạm và quỏ trỡnh ion húa khớ diễn ra nhanh. Đõy là
những yếu tố thuận lợi cho quỏ trỡnh hỡnh thành plasma trờn điện cực.
0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 I ( m A ) t (phút) 15 kV-Cu 15 kV-Fe 15 kV-W 10 kV-Cu 10 kV-Fe 10 kV-W 5 kV-Cu 5 kV-Fe 5 kV-W Plasma xuất hiện
Hỡnh 3.2. Đồ thị thể hiện sự xuất hiện plasma trờn điện cực sắt, đồng, volfram phụ thuộc vào điện ỏp ở T=30 oC, h=200 mm, pH=7, EC=1,4 àS/cm.
Mặt khỏc khi thay đổi điện ỏp cũng chớnh là thay đổi năng lượng đầu vào làm cho khả năng xuất hiện plasma thay đổi, mật độ electron càng cao thỡ mật
độ cỏc tỏc nhõn oxi húa OH•, O•, HO2•, H2O2 đạt được càng nhiều. Kết quả
nghiờn cứu (Hỡnh 3.2) cho thấy trong mụi trường nước cất cú độ dẫn điện thấp, plasma khụng xuất hiện trờn cả 3 điện cực tại điện ỏp 5 kV. Tại điện ỏp 10 kV plasma xuất hiện trờn điện cực đồng, sắt, volfram lần lượt ở phỳt thứ
60, 35 và 20. Tại điện ỏp 15 kV plasma xuất hiện ở phỳt thứ 30 với điện cực
đồng, phỳt thứ 20 với điện cực sắt và phỳt thứ 5 với điện cực volfram. Từ kết quả nghiờn cứu trờn cho thấy ởđiện ỏp càng cao thỡ plasma càng dễ xuất hiện.
3.1.3. Ảnh hưởng của khoảng cỏch đến khả năng tạo plasma
Ngoài ảnh hưởng của điện ỏp như đó trỡnh bày ở phần trờn thỡ khoảng cỏch giữa hai điện cực cũng gúp phần quan trọng vào quỏ trỡnh hỡnh thành plasma. Khoảng cỏch giữa hai điện cực lớn, dẫn đến cường độ điện trường giảm. Do đú khả năng cỏc phản ứng điện húa tạo khớ giảm, mức độ ion húa khớ cũng giảm theo. Sự thay đổi này làm thay đổi khả năng xuất hiện plasma. Quỏ trỡnh nghiờn cứu sự thay đổi khoảng cỏch giữa hai điện cực đến sự xuất hiện plasma khi ỏp dụng kỹ thuật điện húa điện ỏp cao phúng điện trực tiếp
trong nước cất hai lần, ởđiện ỏp 15 kV được thể hiện trong Hỡnh 3.3.
0 20 40 60 80 100 120 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 I ( m A ) t (phút) 200 mm-Cu 200 mm-Fe 200 mm-W 220 mm-Cu 220 mm-Fe 220 mm-W 230 mm-Cu 230 mm-Fe 230 mm-W 300 mm-Cu 300 mm-Fe 300 mm-W Plasma xuất hiện
Hỡnh 3.3. Đồ thị thể hiện sự xuất hiện plasma trờn điện cực đồng, sắt, volfram phụ thuộc vào khoảng cỏch điện cực ở T=30 oC, V=15 kV, pH=7, EC=1,4 àS/cm.
trờn cả ba điện cực. Tuy nhiờn khi giữ nguyờn điện ỏp và cỏc điều kiện phản
ứng tương tự như nhau, chỉ thay đổi khoảng cỏch giữa hai điện cực lờn 220 mm; 230 mm thỡ chỉ cú trờn điện cực sắt và điện cực volfram xuất hiện plasma cũn trờn điện cực đồng plasma khụng xuất hiện. Tại khoảng cỏch 300 mm thỡ plasma chỉ xuất hiện trờn điện cực volfram, thời gian plasma xuất hiện trờn điện cực volfram tại 300 mm cũng lớn hơn so với khi ở khoảng cỏch 200 mm. Nhỡn chung sự xuất hiện plasma phụ thuộc vào khoảng cỏch. Tại cựng một khoảng cỏch, plasma xuất hiện sớm nhất trờn điện cực volfram, sau
đú đến điện cực sắt và cuối cựng là điện cực đồng. Trong dung dịch nước cất hai lần, khoảng cỏch nghiờn cứu giữa hai điện cực từ 200ữ300 mm thỡ khoảng cỏch càng ngắn, quỏ trỡnh phúng điện và hỡnh thành plasma càng dễ xảy ra.
3.1.4. Ảnh hưởng của độ dẫn điện đến khả năng tạo plasma
Quỏ trỡnh tạo plasma liờn quan đến độ dẫn điện trong dung dịch. Độ dẫn
điện thay đổi dẫn đến mật độ cỏc hạt mang điện di chuyển trờn bề mặt điện cực thay đổi, hay cũng chớnh là cường độdũng điện thay đổi theo độ dẫn điện trong dung dịch. Ở cựng một điện ỏp, cường độ dũng điện tăng khi độ dẫn
điện của dung dịch tăng, khả năng xảy ra phản ứng điện ly nước hỡnh thành
mụi trường khớ trờn bề mặt điện cực tốt hơn, mặt khỏc mật độ electron tăng cũng làm cho quỏ trỡnh va chạm của electron với cỏc phõn tử khớ tăng lờn dẫn
đến quỏ trỡnh ion húa khớ để hỡnh thành plasma trờn bề mặt điện cực xảy ra
nhanh hơn. Khi độ dẫn điện trong dung dịch giảm thỡ khả năng hỡnh thành
plasma khú xảy ra hơn. Để thay đổi độ dẫn điện của dung dịch nước cất hai lần, nghiờn cứu đó sử dụng dung dịch muối NaCl. Đõy là một muối vụ cơ cú độ dẫn điện và tớnh bền vững cao. Một nguyờn nhõn khỏc nữa để lựa chọn muối NaCl trong nghiờn cứu là do cú nguyờn tử clo trong cỏc phõn từ 2,4-D và 2,4,5-T. Ngoài ra, chất diệt cỏ 2,4-D cũng thường được dựng dưới dạng muối natri nờn việc lựa chọn NaCl trong nghiờn cứu đảm bảo gắn liền với
thực tế khi xử lý. Kết quả nghiờn cứu sự hỡnh thành plasma trờn điện cực
đồng, sắt, volfram ở độ dẫn điện 20 μS/cm trong khoảng thời gian từ 0ữ300 giõy cho thấy plasma khụng xuất hiện trờn cả ba điện cực (Hỡnh 3.4). Tuy nhiờn ở độ dẫn điện 30ữ50 μS/cm plasma lại xuất hiện trờn 2 điện cực sắt và volfram nhưng khụng xuất hiện trờn điện cực đồng. Ở độ dẫn điện cao từ
100ữ150 μS/cm trở lờn plasma xuất hiện trờn cả 3 điện cực. Thời gian xuất hiện plasma trờn điện cực đồng là chậm nhất, sau đú đến điện cực sắt, nhanh nhất là trờn điện cực volfram. Đồng thời ở độ dẫn điện lớn, cường độ dũng
điện đạt được trờn điện cực volfram cũngcao hơn trờn điện cực sắt và đồng.
0 50 100 150 200 250 300 20 40 60 80 100 120 140 160 I (m A ) t (giõy) 20 àS-Cu 20 àS-Fe 20 àS-W 30 àS-Cu 30 àS-Fe 30 àS-W 50 àS-Cu 50 àS-Fe 50 àS-W 100 àS-Cu 100 àS-Fe 100 àS-W 150 àS-Cu 150 àS-Fe 150 àS-W Plasma xuất hiện
Hỡnh 3.4. Đồ thị biểu diễn sự xuất hiện plasma trờn điện cực sắt, đồng, volfram phụ thuộc độ dẫn điện dung dịch ở T=30 oC, V=15 kV, pH=7, h=200 mm.
3.1.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng tạo plasma
Ngoài cỏc điều kiện ảnh hưởng tới sự hỡnh thành plasma như đó nờu ở
trờn thỡ nhiệt độ cũng là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng tạo plasma. Nhiệt độ liờn quan đến tốc độ phản ứng húa học xảy ra
khi phõn ly nước, xỏc xuất va chạm và động năng giữa cỏc hạt, theo thuyết hoạt húa Arrhenius và qui tắc thực nghiệm của Van’t Hoff thỡ khi tăng nhiệt
độ lờn 10 oC, tốc độ phản ứng tăng lờn từ 2 tới 4 lần. Do đú dẫn đến ảnh
hưởng tới khả năng hỡnh thành plasma trong dung dịch. Nhiệt độ dung dịch
bởi nhiệt độ trong dung dịch (Hỡnh 3.5) cho thấy ở 20 oC plasma khụng xuất hiện trờn điện cực đồng, plasma xuất hiện chậm ở điện cực sắt sau hơn 70
phỳt và xuất hiện nhanh nhất trờn điện cực volfram ở khoảng phỳt thứ 15. Từ
30 ữ50 o C plasma xuất hiện trờn cỏc điện cực đồng, sắt, volfram. Tuy nhiờn khi ở 50 o C plasma xuất hiện trờn điện cực đồng sau khoảng 5 phỳt, trờn điện cực sắt và volfram thỡ plasma xuất hiện gần như tức thời ngay sau khi ỏp điện.
Như vậy, nhiệt độ là một trong những yếu tố gúp phần vào quỏ trỡnh hỡnh thành plasma. Ở nhiệt độ thấp, plasma khú xuất hiện, khi ở nhiệt độ từ 50 oC trở lờn, plasma dễ dàng xuất hiện trờn cả ba loại vật liệu làm điện cực.
0 20 40 60 80 100 120 0 50 100 150 200 250 I ( m A ) t (phút) 20 oC Cu 20 oC Fe 20 oC W 30 oC Cu 30 oC Fe 30 oC W 40 oC Cu 40 oC Fe 40 oC W 50 oC Cu 50 oC Fe 50 oC W Plasma xuất hiện
Hỡnh 3.5. Đồ thị thể hiện sự xuất hiện plasma trờn điện cực đồng, sắt, volfram phụ thuộc vào nhiệt độ dung dịch ở V=15 kV, pH=7, h=200 mm, EC=1,4 àS/cm.
3.1.6. Ảnh hưởng của pH đến khả năng tạo plasma
Cỏc phản ứng điện húa trong dung dịch phụ thuộc vào quỏ thế hydro. Quỏ thế hydro phụ thuộc vào nồng độ ion H+ trong dung dịch hay phụ thuộc vào giỏ trị pH của dung dịch. Ngoài ra, độ dẫn điện của dung dịch cũng liờn quan và phụ thuộc vào giỏ trị pH. Ion H+ cú linh độ ion lớn hơn ion OH- dẫn
đến khả năng dẫn điện trong mụi trường axớt lớn hơn trong mụi trường kiềm. Khi pH cú giỏ trị thấp, độ dẫn điện tăng lờn. Theo nghiờn cứu ở trờn thỡ độ
dẫn điện ảnh hưởng đến sự hỡnh thành plasma hay quỏ trỡnh hỡnh thành plasma cũng phụ thuộc vào giỏ trị pH trong dung dịch. Khi thay đổi giỏ trị pH,
cường độ dũng điện thay đổi dẫn đến khả năng ion húa thay đổi kộo theo thay
đổi thời gian xuất hiện plasma khi ỏp điện.
0 100 200 300 400 500 600 0 20 40 60 80 100 120 140 160 I ( m A ) t (giây) pH=4 pH=5 pH=6 pH=7 pH=8 pH=9 pH=10 pH=11 (a) Plasma xuất hiện 0 100 200 300 400 500 600 0 50 100 150 200 250 I ( m A ) t (giây) pH=4 pH=5 pH=6 pH=7 pH=8 pH=9 pH=10 pH=11 (b) Plasma xuất hiện 0 100 200 300 400 500 600 0 50 100 150 200 I ( m A ) t (giõy) pH=4 pH=5 pH=6 pH=7 pH=8 pH=9 pH=10 pH=11 (c) Plasma xuất hiện
Hỡnh 3.6. Đồ thị biểu diễn sự xuất hiện plasma trờn điện cực đồng (a), sắt (b), volfram (c) phụ thuộc vào pH của dung dịch ở T= 30 oC, V=15 kV, h=200 mm.
Bảng 3.1. Mối quan hệ giữa giỏ trịpH và độ dẫn điện của dung dịch
pH 4 5 6 7 8 9 10 11
Đồ thị hỡnh 3.6 cho thấy tại pH từ 7 đến 8, trong khoảng thời gian ngắn từ 0ữ600 giõy, sự hũa tan của điện cực anot tạo ra cỏc ion dẫn điện cũn thấp
nờn chưa ảnh hưởng nhiều đến độ dẫn điện của dung dịch. Mặt khỏc, nhiệt độ
dung dịch chưa tăng cao dẫn đến plasma chưa xuất hiện trờn cả 3 điện cực. Tại pH bằng 6 plasma xuất hiện trờn điện cực sắt và volfram nhưng khụng
xuất hiện trờn điện cực đồng. Tại pH bằng 4 đến 5 và pH bằng 9 đến 11 plasma xuất hiện trờn cả ba điện cực. Ở những giỏ trị pH thấp từ 4 đến 5 và pH cao từ 9 đến 11 plasma xuất hiện gần như ngay sau khi ỏp điện.
3.1.7. Ảnh hưởng của diện tớch điện cực đến khả năng tạo plasma
Diện tớch điện cực cú ảnh hưởng đến khả năng hỡnh thành plasma. Sự thay đổi về diện tớch dẫn đến sự thay đổi mật độ dũng điện, tốc độ phản ứng
điện húa. Đối với plasma điện húa diện tớch điện cực cũn liờn quan đến cỏc phản ứng thoỏt khớ, lượng khớ hỡnh thành, mật độ electron cũng như phản ứng hũa tan anot làm tăng độ dẫn điện. Cường độ dũng điện và nhiệt độ dung dịch
cũng tăng lờn dẫn đến plasma xảy ra dễ dàng hơn (Hỡnh 3.7). Khi khảo sỏt sự
xuất hiện plasma phụ thuộc vào diện tớch điện cực với diện tớch bề mặt điện cực 7,068 mm2 (ỉ=3 mm) và 28,260 mm2 (ỉ=6 mm) cho thấy ở điện cực cú diện tớch lớn plasma xuất hiện sớm hơn, đõy là một trong những yếu tố khỏc biệt của plasma điện húa trong nước so với cỏc kỹ thuật plasma khỏc.
0 10 20 30 40 50 0 20 40 60 80 100 120 I ( m A ) t (phút) ỉ 3 mm-Cu ỉ 3 mm-Fe ỉ 3 mm-W ỉ 6 mm-Cu ỉ 6 mm-Fe ỉ 6 mm-W Plasma xuất hiện
Hỡnh 3.7. Đồ thị thể hiện sự xuất hiện plasma trờn điện cực sắt, đồng, volfram phụ thuộc diện tớch điện cực ở T=30 oC, V=15 kV, h=200 mm, EC=1,4 àS/cm.
ơ3.1.8. Ảnh hưởng của vật liệu điện cực đến khả năng tạo plasma
Vật liệu điện cực liờn quan đến quỏ trỡnh hỡnh thành plasma. Mỗi kim loại khỏc nhau cú những đặc điểm và tớnh chất húa lý riờng, đồng cú độ cứng là 3,0 theo thang Mohs nhưng độ dẫn điện lại lớn nhất 57, sau đú đến sắt với
độ cứng từ 4ữ5, độ dẫn điện 10, cuối cựng là volfram với độ cứng 7,5, độ dẫn
điện là 19,3 so với thang độ dẫn điện của thủy ngõn (theo thang Hg =1) [2]. Những tớnh chất húa lý này ảnh hưởng đến độ ăn mũn, sản phẩm hỡnh thành trong dung dịch, khảnăng hỡnh thành plasma và cỏc tỏc nhõn hoạt động.
Như đó trỡnh bày ở trờn, bản chất cỏc kim loại khỏc nhau sẽ ảnh hưởng
đến quỏ trỡnh xảy ra cỏc phản ứng điện húa nờn tốc độ và lượng khớ thoỏt ra trờn cỏc điện cực cũng khỏc nhau. Do đú, tốc độ hỡnh thành plasma trờn cỏc
điện cực đồng, sắt, volfram tại cựng một điều kiện như điện thế (Hỡnh 3.2) và khoảng cỏch (Hỡnh 3.3) sẽ khỏc nhau. Phản ứng điện húa dũng một chiều trờn catot luụn cú thể tớch khớ H2 gấp đụi thể tớch khớ O2 trờn anot. Mặt khỏc do
năng lượng ion húa nguyờn tử hydro thấp hơn so với nguyờn tử oxi nờn
plasma thường xuất hiện trờn catot sớm hơn trờn anot. Ngoài ra, bản chất mụi
trường khớ trờn catot và anot khỏc nhau nờn màu của ỏnh sỏng trờn catot thường vàng cam do quỏ trỡnh ion húa phỏt xạ của cỏc vạch phổ của hydro khi electron trở về vị trớ cơ bản, cũn trờn anot cú ỏnh xanh do sự phỏt xạ của nguyờn tử oxi khi bị kớch thớch. Bờn cạnh đú sự phỏt xạ của cỏc ion kim loại từ điện cực làm cho màu plasma khỏc nhau trờn mỗi loại vật liệu điện cực. Tuy nhiờn khi lượng khớ được tạo ra từ catot nhiều khi thoỏt về phớa trờn và cú thể tụ lại tại anot trờn đường thoỏt ra ngoài nờn vẫn cú thể xuất hiện plasma trờn anot với màu của ỏnh sỏng tương tự như màu của plasma trờn catot.
Kết quả nghiờn cứu trờn điện cực sắt, đồng, volfram cho thấy tại điện ỏp
đặt vào đủ lớn thỡ plasma mới xuất hiện (Hỡnh 3.2). Đối với điện ỏp tại 5kV plasma khụng xuất hiện trờn cảba điện cực. Theo thời gian, cường độ dũng cú
xu hướng tăng đều trờn điện cực volfram, cũn trờn điện cực đồng cú xu hướng
ổn định khụng đổi, trờn điện cực sắt cú xu hướng tăng trong khoảng 40 phỳt
đầu sau đú lại cú xu hướng giảm. Điều này cú thể giải thớch là do cú sự oxi húa trờn bề mặt điện cực sắt làm giảm khả năng dẫn điện. Tại điện ỏp 15 kV plasma xuất hiện trờn cả ba điện cực. Tuy nhiờn, plasma xuất hiện nhanh nhất
trờn điện cực volfram tại phỳt thứ 5, trờn điện cực sắt tại phỳt thứ 20, xuất hiện cuối cựng trờn điện cực đồng tại phỳt thứ 30. Như vậy cú thể thấy do bản chất của từng kim loại làm điện cực mà tại cựng một điện ỏp, plasma dễ dàng xuất hiện trờn điện cực volfram nhất, sau đú đến điện cực sắt và cuối cựng là
trờn điện cực đồng. 0.30 2.87 10.22 3.67 4.10 23.23 23.30 27.78 28.83 5 kV 10 kV 15 kV m ( m g / L ) U (kV) W Fe Cu
Hỡnh 3.8. Đồ thị thể hiện lượng hũa tan anot của cỏc điện cực sắt, đồng, volfram ở T=20 oC, h=200 mm, EC=1,4 àS/cm, pH=7, t=120 phỳt.
Độ ăn mũn húa học xảy ra trờn mỗi loại điện cực cũng phụ thuộc vào