Chương 2 : CƠ SỞ LÍ THUYẾT
2.8 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ điện phân xử lý nước giải nhiệt cho
cho Chiller
Có ba hiệu ứng cơ bản tác động đến sự vận chuyển của ion:
•Sự đối lưu tự nhiên do chuyển động nhiệt của ion,
•Sự vận chuyển ion mang điện tích dưới tác dụng của điện trường,
•Sự khuếch tán dưới tác dụng của chênh lệch nồng độ giữa thể tích dung dịch và sát bề mặt điện cực.
Trong thực nghiệm bằng những biện pháp đơn giản có thể loại trừ ảnh hưởng của sự đối lưu tự nhiên do chuyển động nhiệt của ion ví dụ như khuấy đều hay có độ lưu động của dòng chảy để khắc phục được hiện tượng đối lưu tự nhiên.
Sự vận chuyển ion mang điện tích dưới tác dụng của điện trường sẽ chịu ảnh hưởng trực tiếp và nhiều nhất của mật độ dòng điện.
Sự khuếch tán dưới tác dụng của chênh lệch nồng độ giữa thể tích dung dịch và sát bề mặt điện cực phụ thuộc chính và nồng độ trong dung dịch và cả sự lưu động của dung dịch.
I v
AzF
= − (1.8)
Trong điện hố thì đại lượng I
A chính là cường độ dịng điện (I) đi qua diện
tích điện cực (A), được gọi là mật độ dịng điện, ký hiệu i (A.cm-2).
Như vậy mật độ dòng điện là thước đo tốc độ phản ứng điện hoá [15].
| i | = zFv (1.9)
Trong đó:
Z là số điện tử trao đổi F là hằng số Faraday V là tốc độ phản ứng
Với sự gia tăng của mật độ dòng điện, các phản ứng điện phân diễn ra càng mạnh mẽ do đó hiệu quả loại bỏ độ cứng tăng lên. Khi mật độ dòng điện cao, kích thước và tốc độ hình thành của các kết tủa được tạo ra tăng và điều này ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình xử lý độ cứng. Bằng vào việc tăng mật độ dòng điện làm tăng lượng hydroxit được tạo xung quanh cực âm, do đó làm tăng lượng kết tủa tạo ra điều này dẫn đến tăng hiệu quả loại bỏ độ cứng.
Mật độ dòng điện còn phụ thuộc vào các yếu tố như: linh độ, độ dẫn điện riêng của dung dịch
Linh độ (vi) là khả năng linh động của ion, là khái niệm để chỉ tốc độ vận chuyển ion. Khi chưa có dịng điện đi qua thì ion chuyển động hỗn độn. Nhưng nếu đặt dung dịch điện li giữa hai điện cực (có khoảng cách l) và nối với nguồn điện một chiều (có hiệu điện thế V) thì dưới tác động của điện trường E ( V
E l
= ) các ion sẽ vận chuyển về các cực trái dấu với nó. Rõ ràng cường độ điện trường E càng tăng thì vận tốc ion càng lớn.
Độ dẫn điện của dung dịch điện li ký hiệu là L [ Ω-1] bằng nghịch đảo của điện trở R [Ω] của dung dịch điện li đó [15].
1
L R
= (1.10)
Đối với dung dịch điện li thì điện trở [15].
l R A = (1.11) Trong đó: A là tiết diện (m2)
l là chiều dài của khối dung dịch giữa hai điện cực (m) ρ là điện trở riêng (Ωm).
Người ta định nghĩa độ dẫn điện riêng χ là nghịch đảo của điện trở riêng ρ [15]. χ = 1
(1.12)
Độ dẫn điện riêng của dung dịch phụ thuộc vào tổng nồng độ ion [c] của tất cả các loại ion có trong dung dịch.
2.8.2 Ảnh hưởng của khoảng cách
Hình 2.14 Sơ đồ mạch điện bộ điện phân [16]
Điện trở của dung dịch (R) có thể được tính bằng đinh luật Ohm [16]
U R
I
= (1.13)
I: dòng điện (A)
R: điện trở của dung dich (Ω)
Điện trở của dung dịch ion phụ thuộc vào nồng độ ion, loại ion, nhiệt độ,… Trong vùng giới hạn có diện tích A và chiều dài l có dòng điện đi qua, điện trở được xác định là [16]. l R A = (1.14)
: điện trở suất của dung dịch (Ωm) L: khoảng cách giữa các bản cực (m) A: diện tích của bản điện cực (m2)
. . U IA L = (1.15)
Khoảng cách giữa các điện cực sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến dòng điện trong dung dịch [16].
2.8.3 Ảnh hưởng của lưu lượng dòng chảy
Nếu như giai đoạn chuyển điện tích có vận tốc lớn, thì giai đoạn khuyếch tán chất tham gia phản ứng đến bề mặt điện cực thường là giai đoạn quyết định vì có vận tốc nhỏ. Thật vậy, khi mật độ dịng càng lớn thì các ion tham gia phản ứng tại bề mặt điện cực sẽ bị tiêu thụ càng mạnh. Do đó vận tốc của q trình điện cực bây giờ sẽ phụ thuộc vào tốc độ vận chuyển của ion đến bề mặt điện cực hay còn goi là tốc độ khuếch tán ion trong dung dich đến bền mặt điện cực.
Khuếch tán là quá trình tự san bằng nồng độ trong hệ, tức là quá trình chuyển chất từ vùng có nồng độ lớn đến vùng có nồng độ nhỏ. Q trình khuếch tán là bất thuận nghịch và tiến hành cho đến khi nồng độ hồn tồn đồng đều. Mức độ khơng đồng đều được đặc trưng bởi gradien nồng độ - là biến thiên nồng độ trên một đơn vị khoảng cách, nó quyết định mức độ và hướng của quá trình khuếch tán.
Vận tốc của một phản ứng điện cực do khuếch tán quyết định phụ thuộc vào biến thiên nồng độ theo khoảng cách tới bề mặt điện cực (tuân theo định luật Fick).
Từ định luật Fick về vận tốc khuếch tán ta có thể thiết lập [15]. 0 kt kt x ci vD x = zF = −= (1.16)
Như vậy tốc độ khuếch tán cũng có thể biểu diễn qua mật dộ dịng điện, được gọi là mật độ dịng khuếch tán, kí hiệu là ikt. Ta có thể viết 0 x c x =
của phương trình (1.16) dưới dạng biến thiên hữu hạn [15].
0 e kt CC izFD − = (1.17)
Trong công thức trên
Co: nồng độ ion ban đầu trong thể tích dung dịch; khi có dịng điện đi qua thì Co
chỉ khơng đổi cho tới sát lớp khuếch tán (tại x=), Ce: nồng độ ion tại bề mặt điện cực (tại x=0),
: được gọi là bề dày của lớp khuếch tán - đó là lớp lỏng dung dịch bám trên mặt điện cực, đặc trưng cho ảnh hưởng của khuếch tán thuần túy, thường có bề dày từ 0,01mm (nếu có sự lưu động của dung dịch) và bằng 0.5mm (nếu dung dịch không được lưu động). Vậy độ lưu động của nước sẽ làm giảm bề dầy của lớp khuếch tán.
Z: điện tích trao đổi
D: là hệ số khuếch tán của ion, giá trị của D = 10-9m2.s-1
Vậy giá trị của mật độ dịng khuếch tán có thể được tăng lên bằng các phương pháp sau:
− Tăng nồng độ ion số lượng lớn C0
− Tăng nhiệt độ dung dịch, ảnh hưởng rất nhiều vào hệ số khuếch tán D