3.1.1. Ảnh hƣởng của nồng độ mangan sunfat trong dung dịch khi điện phân đến hiệu suất dòng.
Trong quá trình khảo sát nồng độ MnSO4 chúng tôi nhận thấy khi nồng độ MnSO4 nhỏ hơn 0,4M thì hiệu suất thu hồi EMD trên điện cực không cao (dưới 30%) do đó chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của nồng độ MnSO4 qua tiến hành 09 thí nghiệm với nồng độ MnSO4 bắt đầu từ 0,4M. Điện cực dương titan với diện tích nhúng trong dung dịch là 18x12x0,5 cm. Cách tiến hành thực nghiệm điều chế EMD như đã trình bày ở mục 2.4.1. Với các thông số cố định như sau:
Nhiệt độ : 900C
Nồng độ H2SO4 : 0,5M
Thời gian điện phân : 3h
Cường độ dòng điện khi điện phân : 3,0 A Hiệu điện thế điện phân : 3,37 V
Thông số thay đổi: nồng độ MnSO4 được thay đổi từ 0,4M đến 1,2M.
Hiệu suất dòng được xác định từ khối lượng MnO2 lý thuyết tính theo định luật Faraday bằng điện lượng thực nghiệm và khối lượng EMD thực tế thu được như đã trình bày ở mục 2.4.2.
Kết quả thực nghiệm được thể hiện qua bảng 3.1:
Bảng 3.1: Ảnh hưởng của nồng độ MnSO4 đến hiệu suất dòng
Stt [MnSO4] mol/l mMnO2 lt(g) mMnO2 tt(g) H%
1 0,4 13,97 9,64 69.04 2 0,5 14,06 10,67 75.9 3 0,6 13,54 10,74 79.3 4 0,7 13,95 11,9 85.3 5 0,8 14,05 13,14 93.54 6 0,9 13,96 13,45 96.34 7 1,0 13,88 13,48 97.12 8 1,1 14,11 13,63 96.62 9 1,2 14,05 13,57 96.58
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Có thể thấy mối tương quan giữa nồng độ MnSO4 và hiệu suất dòng qua hình 3.1:
Hình 3.1: Sự ảnh hưởng của nồng độ MnSO4 đến hiệu suất dòng
Dựa vào bảng kết quả và hình trên ta nhận thấy rằng hiệu suất quá trình điện phân điều chế MnO2 điện giải tỉ lệ thuận với nồng độ MnSO4 trong dung dịch. Vì vậy trong quá trình điện phân cần khống chế nồng độ MnSO4 cao. Tuy nhiên ta cũng nhận thấy rằng đến nồng độ 1,0M thì hiệu suất dòng cực đại và sau đó gần như không tăng nữa. Điều này có thể giải thích là khi nồng độ MnSO4 vượt quá 1,0M thì xuất hiện cân bằng:
4 3 2 2Mn Mn Mn
Theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng thì nồng độ Mn2+ tăng làm cân bằng dịch chuyển sang chiều thuận khiến nồng độ Mn4+ giảm xuống. Mặt khác sự tăng nồng độ MnSO4 cũng làm tăng sự hiện diện của ion SO42- sẽ gây nên sự cản trở tiếp cận của Mn2+ với anot và làm giảm tốc độ phóng điện của Mn2+. Một lý do khác nữa là trong môi trường H2SO4 ở nhiệt độ cao mà nồng độ MnSO4 tăng cao sẽ dẫn đến hiện tượng kết tinh MnSO4, đây cũng chính là lí do gây giảm nồng độ MnSO4.
Do đó chúng tôi chọn nồng độ MnSO4 thích hợp cho quá trình này là 1,0M và nồng độ này được dùng cố định cho các thí nghiệm sau.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.1.2. Ảnh hƣởng của nồng độ của axit sunfuric trong dung dịch khi điện phân đến hiệu suất dòng.
Trong thực nghiệm chúng tôi nhận thấy khi nồng độ axit sunfuric dưới 02,M thì hiệu suất dòng điều chế EMD thu được rất thấp. Vì vậy chúng tôi nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ axit sunfuric đến hiệu suất dòng qua tiến hành thực hiện 09 thí nghiệm với nồng độ H2SO4 bắt đầu từ 0,2M. Thực hiện thực nghiệm với điện cực dương titan có diện tích nhúng trong dung dịch là 18x12x0,5 cm. Cách tiến hành thực nghiệm điều chế EMD như đã trình bày ở mục 2.4.1. Với các thông số cố định như sau:
Nhiệt độ : 900C
Nồng độ MnSO4 : 1,0 M
Thời gian điện phân : 3h
Cường độ dòng điện khi điện phân : 3,0 A Hiệu điện thế điện phân : 3,37 V
Thông số thay đổi: nồng độ H2SO4 được thay đổi từ 0,2M đến 1,0M.
Hiệu suất dòng được xác định từ khối lượng MnO2 lý thuyết tính theo định luật Faraday bằng điện lượng thực nghiệm và khối lượng EMD thực tế thu được như đã trình bày ở mục 2.4.2.
Kết quả cụ thể được trình bày ở bảng 3.2:
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ H2SO4 đến hiệu suất dòng
Stt [H2SO4] mol/l mMnO2 lt(g) mMnO2 tt(g) H%
1 0,2 14,55 10,45 71.8 2 0,3 13,96 11,9 85.26 3 0,4 13,58 12,29 90.53 4 0,5 14,05 13,13 93.48 5 0,6 14,05 13,38 95.22 6 0,7 13,98 13,5 96.62 7 0,8 13,55 13,27 97.94 8 0,9 14,11 13,2 93.56 9 1,0 14,2 11,64 81.94
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa nồng độ axit và hiệu suất dòng được đưa ra trên hình 3.2
Hình 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ H2SO4 đến hiệu suất dòng
Dựa vào đồ thị trên ta nhận thấy hiệu suất dòng tăng theo sự tăng của nồng độ axit và đạt cực đại tại điểm ứng với nồng độ axit là 0,8M sau đó giảm dần. Sự tăng hiệu suất khi nồng độ axit tăng có thể giải thích là do nồng độ H+
trong dung dịch tăng dẫn đến độ dẫn điện trong dung dịch tăng dần làm cho các sự phóng điện của các ion tăng theo. Khi đạt cực đại ở 0,8M khiến nồng độ SO42- tăng làm cản trở sự phóng điện của các ion khiến hiệu suất dòng giảm xuống.
Vì vậy chúng tôi chọn nồng độ axit thích hợp cho quá trình này là 0,8M và nồng độ này được sử dụng cố định cho các thí nghiệm sau.
3.1.3. Ảnh hƣởng của hiệu điện thế nguồn điện ngoài đến hiệu suất dòng
Từ biểu thức U.l.I (trong đó U, I là hiệu điện thế và cường độ dòng, là điện trở riêng của dung dịch, l là khoảng cách giữa hai điện cực) muốn thay đổi giá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
trị U và giữ nguyên giá trị I thì ta tiến hành thay đổi giá trị l bằng cách tăng dần khoảng cách giữa hai điện cực. Thực hiện thực nghiệm với điện cực dương titan có diện tích nhúng trong dung dịch là 18x12x0,5 cm. Cách tiến hành thực nghiệm điều chế EMD như đã trình bày ở mục 2.4.1. Với các thông số cố định như sau:
Nhiệt độ : 900C
Nồng độ H2SO4 : 0,8M
Thời gian điện phân : 3h
Cường độ dòng điện khi điện phân : 3,0 A
Nồng độ MnSO4 : 1M
Thông số thay đổi: khoảng cách thay đổi từ 1cm đến 5 cm.
Hiệu suất dòng được xác định từ khối lượng MnO2 lý thuyết tính theo định luật Faraday bằng điện lượng thực nghiệm và khối lượng EMD thực tế thu được như đã trình bày ở mục 2.4.2.
Kết quả khảo sát thu được trình bày ở bảng 3.3:
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của hiệu điện thế đến hiệu suất dòng
Stt Khoảng cách (cm) Hiệu điện thế (V) mMnO2 lt (g) mMnO2 tt(g) H% 1 1,0 3.12 13,85 13,59 98.11 2 1,5 3.2 13,72 13,45 98.02 3 2,0 3.78 13,68 13,31 97.26 4 2,5 4.32 14,12 13,67 95.7 5 3,0 5.49 13,75 12,67 92.14 6 3,5 5.98 13,25 12,00 90.6 7 4,0 6.15 13,88 11,99 89.5 8 4,5 6.66 13,61 11,37 86.2 9 5,0 6.92 14,17 11,95 84.32
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất dòng vào hiệu điện thế nguồn điện ngoài được đưa ra trên hình 3.3.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.3: Ảnh hưởng của hiệu điện thế đến hiệu suất dòng
Dựa vào đồ thị ta thấy khi hiệu điện thế tăng dần dẫn đến sự giảm dần của hiệu suất dòng. Sự ảnh hưởng này xảy ra là do khi hiệu điện thế tăng cao thì ngoài sự phóng điện của Mn2+
còn kèm theo quá trình phóng điện của OH- như sau:
2 2
4OH4eO 2H O
Sự thoát khí oxi tuy làm xốp phần sản phẩm bám vào điện cực giúp chúng ta dễ tách MnO2 ra khỏi điện cực hơn nhưng lại làm giảm hiệu suất dòng điện phân, thậm chí còn gây cản trở cho sản phẩm MnO2 tiếp xúc với điện cực gây hiện tượng sa lắng sản phẩm xuống đáy bình điện phân.
Trong thực nghiệm với các điều kiện cố định như đã trình bày ở trên thì chúng ta cần khống chế hiệu điện thế dưới 4V bằng cách giữ khoảng cách giữa hai điện cực 2 (cm). Tuy nhiên khi hai điện cực quá gần nhau thì dưới tác động của dòng dung dịch do máy khuấy tạo ra sẽ làm các điện cực dễ va chạm vào nhau.
Do đó chúng tôi chọn khoảng cách hợp lý cho thí nghiệm là 1,5 (cm) ứng với hiệu điện thế 3,2V. Để cố định hai điện cực thì giữa hai điện cực lắp thêm một thước thủy tinh cách điện và khoảng cách 1,5 cm ứng với hiệu điện thế cố định 3,2V sẽ được dùng cho các thí nghiệm sau.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.1.4. Ảnh hƣởng của mật độ dòng điện khi điện phân đến hiệu suất dòng
Từ biểu thức U .l.I (trong đó U, I là hiệu điện thế và cường độ dòng, là điện trở riêng của dung dịch, l là khoảng cách giữa hai điện cực) muốn thay đổi giá trị I và giữ nguyên giá trị U thì ta tiến hành thay đổi giá trị l bằng cách tăng dần khoảng cách giữa hai điện cực. Thực hiện thực nghiệm với điện cực dương titan có diện tích nhúng trong dung dịch là 18x12x0,5 cm. Cách tiến hành thực nghiệm điều chế EMD như đã trình bày ở mục 2.4.1. Với các thông số cố định như sau:
Nhiệt độ : 900C
Nồng độ H2SO4 : 0,8M
Thời gian điện phân : 3h
Hiệu điện thế : 3,2 V
Nồng độ MnSO4 : 1M
Thông số thay đổi: khoảng cách thay đổi từ 1,5 cm đến 6 cm.
Hiệu suất dòng được xác định từ khối lượng MnO2 lý thuyết tính theo định luật Faraday bằng điện lượng thực nghiệm và khối lượng EMD thực tế thu được như đã trình bày ở mục 2.4.2.
Kết quả khảo sát mật độ dòng được trình bày ở bảng 3.4 như sau:
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của mật độ dòng và hiệu suất dòng
Stt Khoảng cách(cm) Mật độ (A/dm2 ) mMnO2 lt(g) mMnO2 tt(g) H% 1 1,5 1.104 14.61 14.25 97.56 2 2 0.99 13.149 12.55 95.45 3 3 0.92 12.175 11.57 95.02 4 4 0.74 9.74 9.14 93.87 5 5 0.66 8.766 7.59 88.9 6 6 0.55 7.305 6.01 82.36
Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa mật độ dòng và hiệu suất dòng điện được đưa ra trên hình 3.4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.4: Ảnh hưởng của mật độ dòng đến hiệu suất dòng
Dựa vào đồ thị trên ta thấy mật độ dòng càng cao thì giá trị hiệu suất dòng càng tăng. Sự tăng hiệu suất dòng theo mật độ dòng là do tốc độ khuếch tán các ion tăng kéo theo mật độ ion đến điện cực và phóng điện cũng tăng. Sự giảm mật độ dòng tỉ lệ thuận với sự tăng khoảng cách hai điện cực, do đó để đảm bảo hiệu suất cao cho quá trình điện phân thì khoảng cách hai điện cực nên cố định ở 1,5cm. Mật độ dòng 1,104A/dm2 ứng với cường độ dòng điện là 3A.
Kết luận, mật độ dòng thích hợp cho quá trình này là 1,104 A/dm2 ứng với cường độ 3A và thông số này sẽ được dùng cho các thí nghiệm sau.
3.1.5. Ảnh hƣởng của nhiệt độ dung dịch khi điện phân đến hiệu suất dòng
Thực hiện 08 thí nghiệm để khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất dòng của quá trình điện phân. Trong quá trình thực nghiệm chúng tôi nhận thấy rằng khi nhiệt độ dung dịch điện phân thấp hơn 600C thì sản phẩm MnO2 sinh ra không bám vào điện cực titan. Do đó nhiệt độ khảo sát chúng tôi tiến hành từ 650C. Từ biểu thức U .l.I (trong đó U, I là hiệu điện thế và cường độ dòng, là điện trở riêng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
của dung dịch, l là khoảng cách giữa hai điện cực) muốn thay đổi giá trị U và giữ nguyên giá trị I thì ta tiến hành thay đổi giá trị l bằng cách tăng dần khoảng cách giữa hai điện cực. Thực hiện thực nghiệm với điện cực dương titan có diện tích nhúng trong dung dịch là 18x12x0,5 cm. Cách tiến hành thực nghiệm điều chế EMD như đã trình bày ở mục 2.4.1. Với các thông số cố định như sau:
Hiệu điện thế : 3,2V
Nồng độ H2SO4 : 0,8M
Thời gian điện phân : 3h
Cường độ dòng điện khi điện phân : 3,0 A
Nồng độ MnSO4 : 1M
Thông số thay đổi: Nhiệt độ thay đổi từ 650C đến 980
C.
Hiệu suất dòng được xác định từ khối lượng MnO2 lý thuyết tính theo định luật Faraday bằng điện lượng thực nghiệm và khối lượng EMD thực tế thu được như đã trình bày ở mục 2.4.2.
Kết quả khảo sát nhiệt độ đến hiệu suất dòng được trình bày ở bảng 3.5
Bảng 3.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất dòng
Stt Nhiệt độ (0 C) mMnO2 lt(g) mMnO2 tt(g) H% 1 65 14,22 4.9 34.45 2 70 14,18 6.67 50.1 3 75 13,92 8.97 64.42 4 80 14,05 9.61 70.4 5 85 13,85 10.36 78 6 90 13,98 12.18 87.13 7 95 13,98 13.63 97.5 8 98 14,11 13.78 97.68
Sự phụ thuộc của hiệu suất dòng vào nhiệt độ dung dịch điện phân được biểu diễn qua hình 3.5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất dòng
Nhìn vào đồ thị ta nhận thấy nhiệt độ bể điện phân càng cao hiệu suất dòng càng lớn. Sự tăng hiệu suất dòng theo nhiệt độ là do nhiệt độ tăng làm độ nhớt trong dung dịch giảm, giúp các ion vận chuyển dễ dàng hơn. Hơn nữa theo thuyết nhiệt độ thì tăng nhiệt độ dẫn đến tăng sự chuyển động của các cấu tử làm cho mật độ các ion đến các điện cực tăng lên. Tuy nhiên khi nhiệt độ tăng vượt quá 980C với dao động 10C của máy cấp nhiệt sẽ đạt ngưỡng 1000C tức là đạt đến nhiệt độ sôi của nước, nước trong dung dịch sẽ sôi và làm bắn dung dịch điện phân ra xung quanh và gây ra thất thoát dung dịch.
Do đó nhiệt độ thích hợp mà chúng tôi chọn cho quá trình điện phân là 950C và nhiệt độ này sẽ được dùng trong các thí nghiệm tiếp theo.
3.1.6. Ảnh hƣởng của thời gian điện phân đến hiệu suất dòng
Để khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian điện phân đến hiệu suất dòng ta tiến hành 07 thí nghiệm. Thực hiện thực nghiệm với điện cực dương titan có diện tích nhúng trong dung dịch là 18x12x0,5 cm. Cách tiến hành thực nghiệm điều chế EMD như đã trình bày ở mục 2.4.1. Với các thông số cố định như sau:
Nhiệt độ : 900C
Nồng độ H2SO4 : 0,8M
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Cường độ dòng điện khi điện phân : 3,0 A
Nồng độ MnSO4 : 1M
Thông số thay đổi: thời gian điện phân thay đổi từ 2h đến 8h.
Hiệu suất dòng được xác định từ khối lượng MnO2 lý thuyết tính theo định luật Faraday bằng điện lượng thực nghiệm và khối lượng EMD thực tế thu được như đã trình bày ở mục 2.4.2.
Kết quả thu được được trình bày cụ thể qua bảng 3.6
Bảng 3.6: Ảnh hưởng của thời gian điện phân đến hiệu suất dòng.
Stt Thời gian (h) mMnO2 lt(g) mMnO2 tt(g) H%
1 1 4,65 4,68 99.1 2 2 9.74 9.61 98.68 3 3 14.61 14.29 97.89 4 4 19.88 19.33 97.24 5 5 24.35 23.62 96.9 6 6 29.22 28.3 96.54 7 7 34.09 32.95 96.24 8 8 38.96 37.31 95.76
Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa thời gian và hiệu suất dòng được trình bày trên hình 3.6.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Dựa vào đồ thị trên ta thấy khi thời gian điện phân kéo dài thì hiệu suất dòng giảm xuống. Sự giảm hiệu suất dòng là do trong quá trình điện phân nồng độ Mn2+
giảm khiến nồng độ SO42- tăng gây cản trở việc vận chuyển ion Mn2+ của dung dịch. Hơn nữa khi điện phân với thời gian dài (>5h) thì sản phẩm MnO2 sinh ra nhiều (>24 gam) bám trên điện cực titan với phần ngâm trong dung dịch có diện tích 0,5x12x18cm khó kết bám, dễ bị bong tách ra rơi xuống đáy bình điện phân. Thời