- Các quá trình điện hĩa trong accu
c.Một số pin nhiên liệu khác
Pin nhiên liệu kiềm AFC (Alkaline Fuel Cells)
Pin nhiên liệu acid phosphoric PAFC (Phosphoric acid Fuel Cells)
Pin nhiên liệu muối carbonate nĩng chảy MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells)
Chương 6. XỬ LÝ MƠI TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HĨA VI.1. Khái niệm:
Nước thải chứa nhiều chất hữu cơ mang màu, kim loại khĩ xử lý bằng các phương pháp dùng hĩa chất, sinh học. Phương pháp điện hĩa xử lý nước thải cĩ hiệu quả cao, xử lý triệt để mà các phương pháp khác khơng cĩ được.
- Nguyên lý: Khi cho một điện một chiều chạy qua bể nước thải với một điều kiện nhất định thì trên các điện cực Anốt và Katốt sẽ xảy ra quá trình oxy -hĩa khử. Các chất mang màu sẽ bị oxy hĩa hoặc khử trên các điện cực, kết tủa keo tụ sẽ được hình thành và sẽ tách ra khỏi dung dịch. Vì vậy nước thải sẽ dần được làm sạch.
Hoặc là điện kết tủa các sản phẩm kim loại trên điện cực là sạch nước thải.
Như vậy nước thải cĩ thể được làm sạch nhờ quá trình oxy hĩa hoặc quá trình khử.
Uu điểm của xử lý nước thải bằng phương pháp điện hĩa.
- Xử lý triệt để nhằm đạt chỉ tiêu cho mơi trường
- Cĩ thể xử lý được các nước thải chứa chất hữu cơ mang màu mà các phương pháp xử lý khác khơng đạt được. như nước thải giấy, nhuộm, in màu…
- Cho phép cĩ thể xử lý nước đạt đến độ tinh khiết cao để tuần hồn, sử dụng lại nguồn nước.
- Cĩ thể thực hiện nhanh, thời gian xử lý ngắn, nênkhơng cần nhiều hồ chứa lưu giữ xử lý nước thải.
- Sản phẩm bã xử lý khơng nhiều, và dễ tách ra khỏi khối nước thải; Cĩ thể thu hồi được kim loại kết tủa trên điện cực
- Hệ thống thiết bị xử lý nước thải gọn nhẹ, giá thành khơng cao, khơng tiêu tốn nhiều hĩa chất xử lý.
Nhược điểm:
- Tiêu tốn năng lượng điện để thực hiện quá trình điện phân
- Cần cĩ theo dõi kiểm sốt chặt chẽ hệ thống cơng nghệ điện phân xử lý nước.
VI.2. Cơ sở lý thuyết qúa trình xử lý nước thải bằng điện hĩa VI.2.1. Sơ đồ nguyên lý xử lý nước thải bằng phương pháp điện hố
Phương pháp điện hĩa được sử dụng để xử lý nước thải, đặc biệt đối với nước thải chứa các chất hữu cơ mang màu mà các phương pháp khác khơng đáp ứng được.
Hình 6.1. Sơ đồ nguyên tắc hệ thống điện hĩa xử lý nước thải
1- Thiết bị cấp dịng một chiều 3- Biến trở
2- Đồng hồ đo dịng điện (U,I) 4- Điện cực Anot 5- Điện cực Catot 6- Dung dịch nước thải 7- Bình điện phân
VI.2.2. Các quá trình điện cực xảy ra khi điện phân xử lý nước thải:
- Quá trình xảy ra trên cực dương (Anot): là quá trình cho điện tử nghĩa là phản ứng oxy hĩa điện hĩa xảy ra.
2OH- - 4e → O2 + 2H+ Me - ne → Men+
Quá trình anot làm điện cực anot bị hịa tan hoặc là khí thốt ra trên điện cực.
- Trên cực âm (Catot): xảy ra quá trình nhận điện tử, nghĩa là ở đây cĩ quá trình khử.
Men+ +ne - Me kết tủa 2H+ + 2e → H2
ở một điều kiện nhất định thì trên điện cực Catot cĩ kết tủa kim loại, hoặc thốt khí H2; điện cực Catot khơng bị hịa tan.
Như vậy, trong hệ thống điện hĩa xử lý nước thải sẽ gồm thiết bị cấp nguồn (U,I), các loại điện cực, dây dẫn, dung dịch nước thải và bể điện phân. Tùy theo từng điều kiện, bể điện phân cĩ thể cĩ màng ngăn hoặc khơng cĩ màng ngăn. Trong hệ thống điện phân thì vật liệu điện cực và mơi trường điện phân là yếu tố quan trọng cần phải được lưu ý. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các quá trình điện hĩa bao gồm các phản ứng oxy hĩa khử nơi các điện tử di chuyển tới hoặc tách ra từ một phân tử hoặc ion làm thay đổi trạng thái oxy hĩa của nĩ. Phản ứng này cĩ thể xảy ra thơng qua việc đặt một điện thế ngồi hoặc thơng qua việc thốt ra một năng lượng hĩa học.
Hệ thống điện hĩa là một thiết bị điện hĩa hồn chỉnh, nhờ các phản ứng trao đổi điện tử qua lại giữa các điện cực hoặc giữa điện cực và các chất tham gia phản ứng,
RA A 220 V + 1 2 3 4 5 6 7
hệ thống điện hĩa cĩ thể sản ra một nguồn điện hoặc tạo ra những sản phẩm định trước theo mục đích sử dụng hệ điện hĩa.
VI.3. Vật liệu điện cực
Vật liệu được sử dụng làm điện cực trong xử lý điện hĩa cĩ nhiều loại khác nhau; như các vật liệu dễ tan: hợp kim Al, hợp kim Zn, Mg, Fe… hay vật liệu cĩ độ bền cơ, bền hĩa cao: thép, gang, chì hoặc hợp kim của chì, graphit, titan và hợp kim của titan, các loại vật liệu composit, manhetit…
Tuỳ theo phương pháp xử lý điện hố được ứng dụng mà lựa chọn loại điện cực cho phù hợp.
Ví dụ ảnh hưởng các loại điện cực đến hiệu quả xử lý nước thải
STT điện cựcAnot/Catot
Thơng số đầu vào Thơng số sau xử lý Hiệu suất xử lý (%) COD (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. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện hĩa xử lý nước thải
Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải bằng phương pháp điện hĩa: - Bản chất của nước thải: pH, độ dẫn điện.
- Bản chất vật liệu điện cực anốt, catốt, tỷ lệ diện tích SA/SK. - Mật độ dịng điện, các phụ gia.
- Khoảng cách điện cực, tỷ lệ diện tích SA/SK .
- Điện thế của hệ thống, thời gian điện phân, nhiệt độ điện phân. - Một số yếu tố khác như: nhiệt độ dung dịch, sự khuấy trộn…
VI.4.1. Ảnh hưởng của pH mơi trường điện phân
Sự thay đổi của pH trong nước thải cĩ thể dẫn đến thay đổi thay phần của các chất trong nước do quá trình hịa tan hay kết tủa.
Trong mơi trường pH >7, ở điện cực anot xảy ra phản ứng thốt O2: 4OH- - 4e O2↑ + 2H2O
Khí O2 thốt ra là chất oxy hĩa cĩ tác dụng khử màu các chất hữu cơ. Ở mơi trường cĩ độ kiềm quá cao, lượng O2 thốt ra nhiều cũng ngăn cản quá trình điện cực. Mặt khác, quá trình điện phân sử dụng điện cực anot tan như Al, Zn khi pH >7 thì Al3+, Zn2+ tan ra kết hợp với OH- tạo hợp chất kết tủa Al(OH)3, Zn(OH)2 là tâm keo tụ các chất hữu cơ, tuy nhiên với pH quá cao làm những chất này lại tan ra vì thế hiệu quả keo tụ lại giảm xuống. Với điện cực anot khơng tan, lượng khí O2 thốt ra nhiều làm ngăn cản quá trình phĩng điện từ các điện cực.
Trong mơi trường pH <7: ở điện cực catot xảy ra quá trình thốt khí H2 2H+ + 2e H2↑
Khi ở pH thấp thì quá trình phĩng điện thực hiện thuận lợi, nhưng nếu pH thấp quá, lượng H2 thốt ra nhiều gây ảnh hưởng ngược lại làm hiệu quả khử màu giảm đi. Do sự cĩ mặt của các chất cĩ hoạt tính cao ảnh hưởng đến quá trình hồ tan anot. Trong trường hợp cĩ chất thụ động thì 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 dịng điện
điện phân khá lớn cĩ thể xảy ra các phản ứng khử các hợp chất hữu cơ mang màu, phá vỡ các mối liên kết trong mạch carbon làm cho nước thải nhanh mất màu. Hơn nữa khi điện trường trong dung dịch lớn, các phân từ chất màu bị phân cực mạnh, làm giảm độ bền tập hợp của chúng làm cho sự hấp phụ keo tụ tạo bơng giữa chúng xảy ra dễ dàng. Đồng thời khi mật độ dịng điện tăng phản ứng thốt khí H2, O2 cĩ thể xảy ra mạnh tạo ra sự khuấy trộn làm tăng tốc độ khuếch tán của các phần tử tương tác làm tăng hiệu quả xử lý.
Khi mật độ dịng điện quá lớn sẽ ảnh hưởng đến nhiều yếu tố cơng nghệ như nhiệt độ của dung dịch sau điện phân cao, tiêu hao điện năng lớn.
Ngồi các yếu tố trên cịn cĩ các yếu tố khác như điện thế hệ thống, các 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 pháp điện hĩa.
VI.4.3. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các điện cực (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khoảng cách giữa các điện cực trong hệ thống điện phân ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình điện phân.
Khi khoảng cách giữa hai điện cực anot và catot quá lớn, điện trở của lớp dung dịch giữa hai điện cực tăng, khả năng vận chuyển các chất đến bề mặt điện cực để thực hiện quá trình oxy hĩa khử điện cực giảm, hiệu quả khử màu giảm.
Khi khoảng cách giữa hai điện cực quá nhỏ, phân bố điện trường khơng đều, mật độ ion tập trung trong khoảng khơng gian hẹp quá lớn, ngăn cản quá trình oxy hĩa khử trên bề mặt điện cực. Mặt khác, khả năng khuếch tán các ion đến bề mặt làm việc của điện cực giảm, đặc biệt mặt phía ngồi của lớp dung dịch giữa hai điện cực, hiệu quả khử màu do đĩ cũng giảm xuống.
VI.4.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ diện tích
Nếu SA >> SK thì iA << iK, lượng ion tan ra từ điện cực anot làm tâm keo tụ giảm, hiệu quả xử lý giảm.
Nếu SA << SK thì iA>> iK, lượng ion tan ra nhiều, đặc biệt ở mép biên của điện cực, tổn hao điện năng, mật độ dịng tăng cịn cĩ thể dẫn đến quá nhiệt ở điện cực anot.
VI..4.5. Ảnh hưởng của thời gian điện phân
Khi điện phân chưa đủ thời gian thì chưa thực hiện được hồn tồn các phản ứng oxy hố khử các chất màu và quá trình keo tụ điện hố cũng chưa đạt được hiệu quả tốt.
Khi thời gian điện phân quá dài thì cĩ thể cĩ các phản ứng phụ xẩy ra, sinh ra sản phẩm phụ khác gây độc hại, tốn năng lượng điện.
VI.5. Sử dụng phương pháp điện hĩa trong xử lý nước thải và bảo vệ mơi trường
Tách các kim loại nặng ra khỏi nước thải
Tách các kim loại nặng (dạng hịa tan) thường cĩ trong nước thải của các ngành cơng nghiệp nĩi chung như ngành dệt nhuộm, mạ điện,…. Đến nay, cĩ rất nhiều phương pháp để tách chúng khỏi dịng thải. Do nhiều tính chất đặc biệt, những ảnh hưởng khơng cĩ lợi đến mơi trường, mà các phương pháp xử lý chúng càng ngày càng được quan tâm, phát triển nhằm đạt được một hiệu suất xử lý cao nhất. Trong đĩ phương pháp điện hĩa đã được các nhà khoa học quan tâm đến và đã khẳng định vai trị của nĩ trong việc xử lý các kim loại nặng. Sản phẩm thu được cĩ thể là kim loại bột, kim loại kết tủa sít chặt [3]. Nếu như chọn được điện cực hợp lý và chế độ điện phân thích hợp thì cĩ thể kết tủa các kim loại và tách chúng ra khỏi nước thải.
Ứng dụng oxy hĩa điện hĩa để khử các chất hữu cơ trong nước thải
Trong thành phần nước thải, ngồi các chất vơ cơ như: kim loại nặng, axit, bazơ, … cịn chứa các hợp chất hữu cơ mà cần phải xử lý trước khi thải chúng ra mơi trường. Xử lý sinh học là một quá trình kinh tế nhất và thường áp dụng đối với các chất ơ nhiễm hữu cơ cĩ thể phân hủy sinh học. Khi nồng độ các chất hữu cơ trong nước thải cao và biến động liên tục, bền sinh học thì phương pháp này khơng mấy hiệu quả. Các phương pháp hĩa lý, hĩa học cũng hay được áp dụng.
Phương pháp oxy hĩa điện hĩa để xử lý nước thải chứa các chất ơ nhiễm hữu cơ khĩ xử lý sinh học ngày càng được nhiều người chú ý đến vì: dễ điều khiển, cĩ thể tăng hiệu suất khi sử dụng các vật liệu làm điện cực khác nhau, thiết bị phản ứng cĩ thể ghép nối tiếp nhiều điện cực.
Cĩ thể thấy rõ cơ chế oxy hĩa điện hĩa phenol như sau:
Cơ chế oxy hĩa điện hĩa [3]
Oxy hĩa ở nhiệt độ phịng, nhiều hợp chất vịng thơm trung gian hình thành và tiếp tục oxi hĩa đến các axit béo: maleic, fumaric, oxalic. Các axit này khĩ oxy hĩa tiếp tục.
[phenol] [hợp chất trung gian] [axit béo]
Trường hợp oxy hĩa ở nhiệt độ cao một lượng ít các sản phẩm trung gian thơm tạo ra. Chất trung gian chính là các axit béo mà sẽ oxy hĩa tiếp tục thành CO2.
[phenol] [hợp chất trung gian thơm, axit béo] +[CO2 ]
VI.6. Phương pháp điện phân sản xuất các chất oxy hĩa ứng dụng trong bảo vệ mơi trường.
Quá trình điện hĩa rất kinh tế khi điều chế các chất oxy hĩa thơng thường, rất thích hợp với quy mơ nhỏ. Tổng hợp các chất oxy hĩa O3, H2O2 được đặc biệt quan tâm vì những thuận lợi của nĩ trong xử lý nước thải cĩ chứa các chất độc hại [3].
- Tổng hợp Ozon
Cơ chế: nhiều nghiên cứu về quá trình tổng hợp O3 bằng phương pháp điện hĩa cho thấy rằng quá trình tổng hợp rất kinh tế, nồng độ O3 rất cao. O3 hình thành do sự phân ly nước theo phản ứng:
3H2O O3 + 6H++ 6e Eo=1,51 V (NHE) Oxy hĩa O2 cũng cĩ thể tạo ra ozon:
VI.7. Xử lý nước thải bằng phương pháp điện phân cĩ màng ngăn
- Trong quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp điện hĩa, cĩ thể dùng bể điện phân cĩ màng ngăn hoặc khơng cĩ màng ngăn
- Thuận lợi của bể điện phân cĩ màng ngăn là phân chia bể xử lý ra làm 2 vùng Catholic và anolic. Sản phẩm đơng tụ ở 2 vùng catốt và vùng anốt được tập hợp riêng biệt, như vậy bước xử lý tiếp theo để tác bã sẽ dễ dàng hơn.
Chương 7. ĂN MỊN VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
7.1. Bảo vệ anốt 7.2. Bảo vệ Catốt