3.3. Quá trình điện phân thu hồi đồng
3.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện phân trong thiết bị Porocell
3.2.3.2. Lưu lượng dòng chảy
Ảnh hưởng của lưu lượng dòng chảy đến quá trình thu hồi đồng được khảo sát trong khoảng 100, 200 và 300 L/h tại 2 dòng điện áp khác nhau (6 A và 9 A).
Kết quả được chỉ ra trên hình 3.31.
Hình 3.31. Sự thay đổi nồng độ đồng trong dung dịch theo thời gian khi điện phân ở các lưu lượng dòng chảy khác nhau. (a) 6 A, (b) 9 A
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0 1 2 3 4 5 6
C(t)$/$C0
Thời$gian$(giờ)
100$l/hr 200$l/hr 300$l/hr
(a)
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
0 1 2 3 4 5 6
C(t)$/$C0
Thời$gian$(giờ)
100$l/hr 200$l/hr 300$l/hr (b)
Kết quả hình 3.31 cho ta thấy, khi thay đổi lưu lượng dòng chảy từ 100-300 L/h, quá trình điện phân trong Porocell vẫn diễn ra trong vùng khống chế động học.
Tuy nhiên, khi lưu lượng dòng chảy giảm thì hiệu suất của quá trình thu hồi có xu hướng tăng. Sự thay đổi này được tổng hợp trên bảng 3.17 và hình 3.32.
Bảng 3.17. Bảng giá trị hiệu suất dòng tại các chế độ điện phân khác nhau
Hình 3.32. Sự phụ thuộc của hiệu suất dòng điện lưu lượng dòng chảy tại dòng điện phân 6 A và 9 A.
Như đã nêu ở phần trên, các phản ứng diễn ra trong vùng động học nên hiệu suất dòng điện quá trình thường được giả thiết Φ,= 1, tuy nhiên kết quả được chỉ ra trong bảng 3.17 cho thấy, Φ < 1 trong tất cả các trường hợp và đạt giá trị lớn hơn ở tốc độ dòng chảy thấp và dòng điện phân cao. Điều này được giải thích là do có phản ứng phụ xảy ra trên catốt làm giảm hiệu suất dòng của quá trình điện kết tủa
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
50 100 150 200 250 300 350
Hiệu$suất$dòng$điện
Lưu$lượng$dòng$chảy$L/h
9$Amps 6$Amps
Thí nghiệm
Tốc độ dòng chảy (L/h)
Dòng điện phân, I
(A)
Hiệu suất dòng điện, !
Dòng điện phản ứng phụ, Is = (1 - !)I
(A)
1 200 3 0,29 2,1
2 200 6 0,66 2,1
3 200 9 0,74 2,3
4 200 18 0,90 1,8
5 100 6 0,79 1,3
6 300 6 0,45 3,3
7 100 9 0,82 1,6
8 300 9 0,58 3,8
đồng. Dòng điện tiêu thụ cho phản ứng phụ này cũng được tính toán và chỉ ra trên bảng 3.17.
Hình dạng thiết bị điện phân Porocell và cấu trúc trong của thiết bị được trình bày trong hình 3.33.
(a)
(b) (b)
Hình 3.33. Thiết bị điện phân Porocel
(a) Hình dạng thiết bị (b) Cấu trúc trong của thiết bị Porocell Thiết bị điện phân Porocell có thể tích 3 lít, với diện tích biểu kiến 2D của catốt cacbon xốp là 1,5dm2. Trong thiết bị Porocell, mối quan hệ giữa lưu lượng
chảy của dung dịch với tốc độ chuyển chất từ trong dung dịch đến bề mặt catốt được xác định theo phương trình:
9: = ;<,5.> (g/h.dm2) (3.16)
Trong đó: 9:: tốc độ chuyển cấu tử M đến bề mặt catốt (g/h.dm2);
!:: nồng độ cấu tử M trong dung dịch (g/L);
Q: lưu lượng chảy (l/h);
A: diện tích catốt (m2).
Theo công thức trên thì tốc độ chuyển chất đến bề mặt catốt tỷ lệ thuận với lưu lượng chảy, nên khi lưu lượng chảy tăng thì tốc độ chuyển chất cũng tăng.%
Từ kết quả bảng 3.17, ta nhận thấy dòng tiêu hao cho phản ứng phụ khi điện phân ở cùng một chế độ dòng chảy gần như không phụ thuộc vào dòng điện áp vào quá trình điện phân, trong khi lại tăng rõ rệt khi thay đổi tốc độ dòng chảy. Để giải thích điều này, ta cần phải xác định các phản ứng phụ xảy ra.
Cụ thể, trong quá trình điện phân trong Porocell, các phản ứng có thể xảy ra trên điện cực là:
Trên anốt:
2H2O → O2 + 4H+ + 4e- (PT 3.3) E0 = 1,228 V Trên catốt:
Cu2++2e- → Cu (PT 1.4) E0 = 0,337 V 2H+ + 2e- → H2 (PT 3.2) E0 = 0 V
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (PT 3.1) E0 = 1,228 V Do cacbon xốp chứa nhiều lỗ xốp nhỏ, nên trong quá trình phản ứng xảy ra hiện tượng giảm H+ cục bộ, tạo lớp kết tủa CuOH trên điện cực, cản trở quá trình vận chuyển Cu2+ trong các lỗ xốp của catốt, nên khi đó quá thế sinh Cu của phản ứng (PT 1.4) tăng cao, phản ứng khó xảy ra. Trong khi đó, lượng O2 sinh ra lớn, hòa tan vào dung dịch dưới tác dụng của đối lưu dung dịch sẽ ưu tiên phóng điện trên catốt theo phản ứng (PT 3.1).
Ngoài ra, dòng điện tổng cộng của quá trình catốt (Ic) được xác định:
Ic = I(2) + I(3) + I(4)
với I(2), I(3), I(4) lần lượt là dòng điện riêng phần của các phản ứng (PT 1.4), (PT 3.1) và (PT 3.1).
Với điều kiện dung dịch điện phân đầu vào của Porocell, điện thế điện cực cân bằng của các cặp oxy hóa/ khử lần lượt được xác định là:
với [Cu2+] = 0,11 M ?;@DEAB/;@= 0,309 V;
với [H+] = 0,84 M ?FDEAB/FA= 0,0043 V;
với [O2] = 8 ppm ?GDEA/GFH= 1,2V.
Từ các giá trị điện thế điện cực cân bằng trên, khi bắt đầu tiến hành phân cực catốt thì phản ứng (4) khử oxy hòa tan trong nước diễn ra đầu tiên, tuy nhiên do lượng oxy hòa tan trong nước (8ppm) nhỏ hơn rất nhiều so với nồng độ Cu2+ ban đầu nên sự đóng góp của I(4) là không đáng kể, coi như có thể bỏ qua. Tuy nhiên, trong quá trình điện phân nồng độ Cu2+ liên tục giảm và cho tới khi nhỏ hơn 20 ppm thì phần đóng góp của phản ứng khử oxy hòa tan trong nước trở nên đáng kể và không thể bỏ qua [76, 77, 88]. Vậy quá các phản ứng phụ (PT 3.1), (PT 3.2) sẽ diễn ra đồng thời cùng phản ứng chính (PT 1.4).
Do vậy, khi lưu lượng dòng chảy tăng, theo công thức (3.16) tốc độ vận chuyển chất đến catốt tăng, lượng oxy hòa tan trong nước và ion Cu2+ sẽ được vận chuyển đến điện cực nhanh hơn. Tuy nhiên, Cu2+ sau khi vận chuyển đến bề mặt điện cực cacbon xốp, sẽ khuếch tán vào trong các lỗ mao quản của điện cực để phóng điện tạo kim loại đồng. Như đã giải thích ở trên, Cu2+ bị cản trở đến diện tích trong của điện cực do lớp CuOH cản trở nên tốc độ phản ứng tạo Cu chậm. Trong khi đó, oxy được vận chuyển đến điện cực dễ dàng phóng điện trên catốt nên dòng điện tiêu hao cho phản ứng này tăng khi tăng lưu lượng chảy, làm giảm hiệu suất quá trình, phù hợp với kết quả đã tính toán được.
%