- Cỏc quỏ trỡnh điện húa trong accu
c. Một số pin nhiờn liệu khỏc
Pin nhiờn liệu kiềm AFC (Alkaline Fuel Cells)
Pin nhiờn liệu acid phosphoric PAFC (Phosphoric acid Fuel Cells)
Pin nhiờn liệu muối carbonate núng chảy MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells)
Chương 6. XỬ Lí MễI TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HểA VI.1. Khỏi niệm:
Nước thải chứa nhiều chất hữu cơ mang màu, kim loại khú xử lý bằng cỏc phương phỏp dựng húa chất, sinh học. Phương phỏp điện húa xử lý nước thải cú hiệu quả cao, xử lý triệt để mà cỏc phương phỏp khỏc khụng cú được.
- Nguyờn lý: Khi cho một điện một chiều chạy qua bể nước thải với một điều kiện nhất định thỡ trờn cỏc điện cực Anốt và Katốt sẽ xảy ra quỏ trỡnh oxy -húa khử. Cỏc chất mang màu sẽ bị oxy húa hoặc khử trờn cỏc điện cực, kết tủa keo tụ sẽ được hỡnh thành và sẽ tỏch ra khỏi dung dịch. Vỡ vậy nước thải sẽ dần được làm sạch.
Hoặc là điện kết tủa cỏc sản phẩm kim loại trờn điện cực là sạch nước thải.
Như vậy nước thải cú thể được làm sạch nhờ quỏ trỡnh oxy húa hoặc quỏ trỡnh khử.
Uu điểm của xử lý nước thải bằng phương phỏp điện húa.
- Xử lý triệt để nhằm đạt chỉ tiờu cho mụi trường
- Cú thể xử lý được cỏc nước thải chứa chất hữu cơ mang màu mà cỏc phương phỏp xử lý khỏc khụng đạt được. như nước thải giấy, nhuộm, in màu…
- Cho phộp cú thể xử lý nước đạt đến độ tinh khiết cao để tuần hồn, sử dụng lại nguồn nước.
- Cú thể thực hiện nhanh, thời gian xử lý ngắn, nờnkhụng cần nhiều hồ chứa lưu giữ xử lý nước thải.
- Sản phẩm bĩ xử lý khụng nhiều, và dễ tỏch ra khỏi khối nước thải; Cú thể thu hồi được kim loại kết tủa trờn điện cực
- Hệ thống thiết bị xử lý nước thải gọn nhẹ, giỏ thành khụng cao, khụng tiờu tốn nhiều húa chất xử lý.
Nhược điểm:
- Tiờu tốn năng lượng điện để thực hiện quỏ trỡnh điện phõn
- Cần cú theo dừi kiểm soỏt chặt chẽ hệ thống cụng nghệ điện phõn xử lý nước.
VI.2. Cơ sở lý thuyết qỳa trỡnh xử lý nước thải bằng điện húa VI.2.1. Sơ đồ nguyờn lý xử lý nước thải bằng phương phỏp điện hoỏ
Phương phỏp điện húa được sử dụng để xử lý nước thải, đặc biệt đối với nước thải chứa cỏc chất hữu cơ mang màu mà cỏc phương phỏp khỏc khụng đỏp ứng được.
Hỡnh 6.1. Sơ đồ nguyờn tắc hệ thống điện húa xử lý nước thải
1- Thiết bị cấp dũng một chiều 3- Biến trở
2- Đồng hồ đo dũng điện (U,I) 4- Điện cực Anot 5- Điện cực Catot 6- Dung dịch nước thải 7- Bỡnh điện phõn
VI.2.2. Cỏc quỏ trỡnh điện cực xảy ra khi điện phõn xử lý nước thải:
- Quỏ trỡnh xảy ra trờn cực dương (Anot): là quỏ trỡnh cho điện tử nghĩa là phản ứng oxy húa điện húa xảy ra.
2OH- - 4e → O2 + 2H+
Me - ne → Men+
Quỏ trỡnh anot làm điện cực anot bị hũa tan hoặc là khớ thoỏt ra trờn điện cực.
- Trờn cực õm (Catot): xảy ra quỏ trỡnh nhận điện tử, nghĩa là ở đõy cú quỏ trỡnh khử.
Men+ +ne - Me kết tủa
2H+ + 2e → H2
ở một điều kiện nhất định thỡ trờn điện cực Catot cú kết tủa kim loại, hoặc thoỏt khớ H2;
điện cực Catot khụng bị hũa tan.
Như vậy, trong hệ thống điện húa xử lý nước thải sẽ gồm thiết bị cấp nguồn (U,I), cỏc loại điện cực, dõy dẫn, dung dịch nước thải và bể điện phõn. Tựy theo từng điều kiện, bể điện phõn cú thể cú màng ngăn hoặc khụng cú màng ngăn. Trong hệ thống điện phõn thỡ vật liệu điện cực và mụi trường điện phõn là yếu tố quan trọng cần phải được lưu ý.
Cỏc quỏ trỡnh điện húa bao gồm cỏc phản ứng oxy húa khử nơi cỏc điện tử di chuyển tới hoặc tỏch ra từ một phõn tử hoặc ion làm thay đổi trạng thỏi oxy húa của nú. Phản ứng này cú thể xảy ra thụng qua việc đặt một điện thế ngồi hoặc thụng qua việc thoỏt ra một năng lượng húa học.
RA A 220 V + 1 2 3 4 5 6 7
Hệ thống điện húa là một thiết bị điện húa hồn chỉnh, nhờ cỏc phản ứng trao đổi điện tử qua lại giữa cỏc điện cực hoặc giữa điện cực và cỏc chất tham gia phản ứng, hệ thống điện húa cú thể sản ra một nguồn điện hoặc tạo ra những sản phẩm định trước theo mục đớch sử dụng hệ điện húa.
VI.3. Vật liệu điện cực
Vật liệu được sử dụng làm điện cực trong xử lý điện húa cú nhiều loại khỏc nhau; như cỏc vật liệu dễ tan: hợp kim Al, hợp kim Zn, Mg, Fe… hay vật liệu cú độ bền cơ, bền húa cao: thộp, gang, chỡ hoặc hợp kim của chỡ, graphit, titan và hợp kim của titan, cỏc loại vật liệu composit, manhetit…
Tuỳ theo phương phỏp xử lý điện hoỏ được ứng dụng mà lựa chọn loại điện cực cho phự hợp.
Vớ dụ ảnh hưởng cỏc loại điện cực đến hiệu quả xử lý nước thải STT điện cực
Anot/Catot Thụng số đầu vàoCOD Thụng số sau xử lý Hiệu suất xử lý (%) (mg/l) Độ màu (Co-Pt) COD (mg/l) Độ màu
(Co-Pt) COD Độ màu
1 Fero/Al 8352 1200 3637 239 56.5 80.1
2 Fero/Fe 8352 1200 2860 96 65.8 92
3 Al/Al 8352 1200 3314 152 60.3 87.3
VI.4. Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến quỏ trỡnh điện húa xử lý nước thải
Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải bằng phương phỏp điện húa: - Bản chất của nước thải: pH, độ dẫn điện.
- Bản chất vật liệu điện cực anốt, catốt, tỷ lệ diện tớch SA/SK. - Mật độ dũng điện, cỏc phụ gia.
- Khoảng cỏch điện cực, tỷ lệ diện tớch SA/SK .
- Điện thế của hệ thống, thời gian điện phõn, nhiệt độ điện phõn. - Một số yếu tố khỏc như: nhiệt độ dung dịch, sự khuấy trộn…
VI.4.1. Ảnh hưởng của pH mụi trường điện phõn
Sự thay đổi của pH trong nước thải cú thể dẫn đến thay đổi thay phần của cỏc chất trong nước do quỏ trỡnh hũa tan hay kết tủa.
Trong mụi trường pH >7, ở điện cực anot xảy ra phản ứng thoỏt O2: 4OH- - 4e O2↑ + 2H2O
Khớ O2 thoỏt ra là chất oxy húa cú tỏc dụng khử màu cỏc chất hữu cơ. Ở mụi trường cú độ kiềm quỏ cao, lượng O2 thoỏt ra nhiều cũng ngăn cản quỏ trỡnh điện cực. Mặt khỏc, quỏ trỡnh điện phõn sử dụng điện cực anot tan như Al, Zn khi pH >7 thỡ Al3+, Zn2+ tan ra kết hợp với OH- tạo hợp chất kết tủa Al(OH)3, Zn(OH)2 là tõm keo tụ cỏc chất hữu cơ, tuy nhiờn với pH quỏ cao làm những chất này lại tan ra vỡ thế hiệu quả keo tụ lại giảm xuống. Với điện cực anot khụng tan, lượng khớ O2 thoỏt ra nhiều làm ngăn cản quỏ trỡnh phúng điện từ cỏc điện cực.
Trong mụi trường pH <7: ở điện cực catot xảy ra quỏ trỡnh thoỏt khớ H2 2H+ + 2e H2↑
Khi ở pH thấp thỡ quỏ trỡnh phúng điện thực hiện thuận lợi, nhưng nếu pH thấp quỏ, lượng H2 thoỏt ra nhiều gõy ảnh hưởng ngược lại làm hiệu quả khử màu giảm đi. Do sự cú mặt của cỏc chất cú hoạt tớnh cao ảnh hưởng đến quỏ trỡnh hồ tan anot. Trong trường hợp cú chất thụ động thỡ tăng điện trở bề mặt dẫn đến tăng nhiệt độ dung dịch nước thải và giảm hiệu suất xử lý.
VI.4.2. Ảnh hưởng của mật độ dũng điện
điện phõn khỏ lớn cú thể xảy ra cỏc phản ứng khử cỏc hợp chất hữu cơ mang màu, phỏ vỡ cỏc mối liờn kết trong mạch carbon làm cho nước thải nhanh mất màu. Hơn nữa khi điện trường trong dung dịch lớn, cỏc phõn từ chất màu bị phõn cực mạnh, làm giảm độ bền tập hợp của chỳng làm cho sự hấp phụ keo tụ tạo bụng giữa chỳng xảy ra dễ dàng. Đồng thời khi mật độ dũng điện tăng phản ứng thoỏt khớ H2, O2 cú thể
xảy ra mạnh tạo ra sự khuấy trộn làm tăng tốc độ khuếch tỏn của cỏc phần tử tương tỏc làm tăng hiệu quả xử lý.
Khi mật độ dũng điện quỏ lớn sẽ ảnh hưởng đến nhiều yếu tố cụng nghệ như nhiệt độ của dung dịch sau điện phõn cao, tiờu hao điện năng lớn.
Ngồi cỏc yếu tố trờn cũn cú cỏc yếu tố khỏc như điện thế hệ thống, cỏc chất phụ gia, bản chất vật liệu điện cực, bản chất nước thải… cũng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải bằng phương phỏp điện húa.
VI.4.3. Ảnh hưởng của khoảng cỏch giữa cỏc điện cực
Khoảng cỏch giữa cỏc điện cực trong hệ thống điện phõn ảnh hưởng đến hiệu quả của quỏ trỡnh điện phõn.
Khi khoảng cỏch giữa hai điện cực anot và catot quỏ lớn, điện trở của lớp dung dịch giữa hai điện cực tăng, khả năng vận chuyển cỏc chất đến bề mặt điện cực để thực hiện quỏ trỡnh oxy húa khử điện cực giảm, hiệu quả khử màu giảm.
Khi khoảng cỏch giữa hai điện cực quỏ nhỏ, phõn bố điện trường khụng đều, mật độ ion tập trung trong khoảng khụng gian hẹp quỏ lớn, ngăn cản quỏ trỡnh oxy húa khử trờn bề mặt điện cực. Mặt khỏc, khả năng khuếch tỏn cỏc ion đến bề mặt làm việc của điện cực giảm, đặc biệt mặt phớa ngồi của lớp dung dịch giữa hai điện cực, hiệu quả khử màu do đú cũng giảm xuống.
VI.4.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ diện tớch
Nếu SA >> SK thỡ iA << iK, lượng ion tan ra từ điện cực anot làm tõm keo tụ giảm, hiệu quả xử lý giảm.
Nếu SA << SK thỡ iA>> iK, lượng ion tan ra nhiều, đặc biệt ở mộp biờn của điện cực, tổn hao điện năng, mật độ dũng tăng cũn cú thể dẫn đến quỏ nhiệt ở điện cực anot.
VI..4.5. Ảnh hưởng của thời gian điện phõn
Khi điện phõn chưa đủ thời gian thỡ chưa thực hiện được hồn tồn cỏc phản ứng oxy hoỏ khử cỏc chất màu và quỏ trỡnh keo tụ điện hoỏ cũng chưa đạt được hiệu quả tốt.
Khi thời gian điện phõn quỏ dài thỡ cú thể cú cỏc phản ứng phụ xẩy ra, sinh ra sản phẩm phụ khỏc gõy độc hại, tốn năng lượng điện.
VI.5. Sử dụng phương phỏp điện húa trong xử lý nước thải và bảo vệ mụi trường
Tỏch cỏc kim loại nặng ra khỏi nước thải
Tỏch cỏc kim loại nặng (dạng hũa tan) thường cú trong nước thải của cỏc ngành cụng nghiệp núi chung như ngành dệt nhuộm, mạ điện,…. Đến nay, cú rất nhiều phương phỏp để tỏch chỳng khỏi dũng thải. Do nhiều tớnh chất đặc biệt, những ảnh hưởng khụng cú lợi đến mụi trường, mà cỏc phương phỏp xử lý chỳng càng ngày càng được quan tõm, phỏt triển nhằm đạt được một hiệu suất xử lý cao nhất. Trong đú phương phỏp điện húa đĩ được cỏc nhà khoa học quan tõm đến và đĩ khẳng định vai trũ của nú trong việc xử lý cỏc kim loại nặng. Sản phẩm thu được cú thể là kim loại bột, kim loại kết tủa sớt chặt [3]. Nếu như chọn được điện cực hợp lý và chế độ điện phõn thớch hợp thỡ cú thể kết tủa cỏc kim loại và tỏch chỳng ra khỏi nước thải.
Ứng dụng oxy húa điện húa để khử cỏc chất hữu cơ trong nước thải
Trong thành phần nước thải, ngồi cỏc chất vụ cơ như: kim loại nặng, axit, bazơ, … cũn chứa cỏc hợp chất hữu cơ mà cần phải xử lý trước khi thải chỳng ra mụi trường. Xử lý sinh học là một quỏ trỡnh kinh tế nhất và thường ỏp dụng đối với cỏc chất ụ nhiễm hữu cơ cú thể phõn hủy sinh học. Khi nồng độ cỏc chất hữu cơ trong nước thải cao và biến động liờn tục, bền sinh học thỡ phương phỏp này khụng mấy hiệu quả. Cỏc phương phỏp húa lý, húa học cũng hay được ỏp dụng.
Phương phỏp oxy húa điện húa để xử lý nước thải chứa cỏc chất ụ nhiễm hữu cơ khú xử lý sinh học ngày càng được nhiều người chỳ ý đến vỡ: dễ điều khiển, cú thể tăng hiệu suất khi sử dụng cỏc vật liệu làm điện cực khỏc nhau, thiết bị phản ứng cú thể ghộp nối tiếp nhiều điện cực.
Cú thể thấy rừ cơ chế oxy húa điện húa phenol như sau:
Cơ chế oxy húa điện húa [3]
Oxy húa ở nhiệt độ phũng, nhiều hợp chất vũng thơm trung gian hỡnh thành và tiếp tục oxi húa đến cỏc axit bộo: maleic, fumaric, oxalic. Cỏc axit này khú oxy húa tiếp tục.
[phenol] [hợp chất trung gian] [axit bộo]
Trường hợp oxy húa ở nhiệt độ cao một lượng ớt cỏc sản phẩm trung gian thơm tạo ra. Chất trung gian chớnh là cỏc axit bộo mà sẽ oxy húa tiếp tục thành CO2.
[phenol] [hợp chất trung gian thơm, axit bộo] +[CO2 ]
VI.6. Phương phỏp điện phõn sản xuất cỏc chất oxy húa ứng dụng trong bảo vệ mụi trường.
Quỏ trỡnh điện húa rất kinh tế khi điều chế cỏc chất oxy húa thụng thường, rất thớch hợp với quy mụ nhỏ. Tổng hợp cỏc chất oxy húa O3, H2O2 được đặc biệt quan tõm vỡ những thuận lợi của nú trong xử lý nước thải cú chứa cỏc chất độc hại [3].
- Tổng hợp Ozon
Cơ chế: nhiều nghiờn cứu về quỏ trỡnh tổng hợp O3 bằng phương phỏp điện húa
cho thấy rằng quỏ trỡnh tổng hợp rất kinh tế, nồng độ O3 rất cao. O3 hỡnh thành do sự
phõn ly nước theo phản ứng:
3H2O O3 + 6H++ 6e Eo=1,51 V (NHE) Oxy húa O2 cũng cú thể tạo ra ozon:
VI.7. Xử lý nước thải bằng phương phỏp điện phõn cú màng ngăn
- Trong quỏ trỡnh xử lý nước thải bằng phương phỏp điện húa, cú thể dựng bể điện phõn cú màng ngăn hoặc khụng cú màng ngăn
- Thuận lợi của bể điện phõn cú màng ngăn là phõn chia bể xử lý ra làm 2 vựng Catholic và anolic. Sản phẩm đụng tụ ở 2 vựng catốt và vựng anốt được tập hợp riờng biệt, như vậy bước xử lý tiếp theo để tỏc bĩ sẽ dễ dàng hơn.
Chương 7. ĂN MềN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI
7.1. Bảo vệ anốt 7.2. Bảo vệ Catốt