Bản chất của phương pháp điện hóa

0
2111

Các phản ứng hóa học thường liên quan đến việc sắp xếp lại các hạt tích điện như electron và hạt nhân nguyên tử vì vậy có thể nói điện và hóa có mối liên kết chặt chẽ. Các biến đổi hóa học xảy ra có thể do tác dụng từ bên ngoài của dòng điện hoặc có thể dẫn đến việc tạo ra dòng điện được nghiên cứu trong điện hóa học.

Điện hóa học nghiên cứu sự chuyển đổi lẫn nhau của các dạng năng lượng hóa học và điện. Phản ứng điện hóa có tầm quan trọng thực tế lớn. Ví dụ: pin điện hóa, điện phân được sử dụng trong các ngành công nghiệp, mạ điện được sử dụng để bảo vệ các sản phẩm thép khỏi bị ăn mòn, cho mục đích trang trí. Các quá trình điện hóa là cơ sở của nhiều phương pháp phân tích hiện đại.

Vậy sự khác biệt giữa phản ứng hóa học và điện hóa là gì? Chúng ta hãy xem xét phản ứng hóa học sau đây:

Nếu phản ứng này là một quá trình hóa học, nó sẽ được đặc trưng bởi một số đặc thù. Phản ứng hóa học chỉ có thể xảy ra trong trường hợp các chất phản ứng tiếp xúc với nhau. Do đó, yêu cầu tiếp xúc giữa các phần tử của các chất phản ứng là đặc điểm đầu tiên của sự biến đổi hóa học. Việc chuyển electron từ hạt này sang hạt kia hoặc từ chất khử (Zn) sang chất oxy hóa (Fe2+) chỉ có thể xảy ra tại thời điểm va chạm. Quãng đường dịch chuyển của các hạt electron sẽ rất ngắn và đây là đặc điểm thứ hai của quá trình hóa học. Va chạm giữa các phần tử có thể xảy ra tại bất kỳ điểm nào trong vùng tiếp xúc của các chất phản ứng, do đó quá trình chuyển đổi điện tử có thể được thực hiện theo bất kỳ hướng nào trong không gian. Tính ngẫu nhiên của các va chạm hạt và chuyển electron là đặc điểm thứ ba của phản ứng hóa học. Do những đặc trưng này, phản ứng hóa học có thể tỏa nhiệt hoặc hấp thụ nhiệt. Cần thiết lập các điều kiện nhất định trong hệ thống để chuyển đổi năng lượng từ các phản ứng hóa học thành năng lượng điện, tức là, tạo ra một quy trình điện hóa

Trong các quá trình điện hóa, việc sự dịch chuyển electron từ chất phản ứng này sang chất phản ứng khác được thực hiện trên một quãng đường khá dài. Điều này được giải thích là do có sự đi qua của dòng điện, đó là một dòng các electron được cung cấp năng lượng và di chuyển dọc theo cùng một đường dẫn. Do đó, trong quá trình điện hóa không gian của các chất phản ứng (chất khử và chất oxy hóa) cần phải phân tách để giữ cho dòng electron dịch chuyển từ chất khử sang chất oxy hóa. Trong vấn đề này,  tiếp xúc trực tiếp giữa các chất phản ứng nên được thay thế bằng hai tấm kim loại được nối với nhau bằng một dây dẫn kim loại. Để đảm bảo dòng điện liên tục đi qua không gian phản ứng, các hạt mang điện có độ dẫn ion cao phải có mặt hoặc được thường xuyên thêm vào dung dịch phản ứng. Do đó, một hệ thống điện hóa là hệ thống mà bên trong nó xảy ra quá trình điện hóa.

Xử lý nước thải bằng phương pháp điện hóa có bản chất cơ bản dựa trên quá trình điện phân. Để thực hiện quá trình điện phân, cần phải có một nguồn năng lượng điện bên ngoài để tạo ra và duy trì một điện thế thích hợp và kết quả là các phản ứng điện hóa xảy ra ở cực dương và cực âm, được đặt trong các tế bào điện hóa (ví dụ, vào máy điện phân công nghiệp). Michael Faraday là nhà khoa học đầu tiên nghiên cứu mối quan hệ giữa lượng điện tích Q (dòng điện I nhân với thời gian t) truyền qua bề mặt điện cực vào dung dịch điện phân và các phản ứng hóa học gây ra bởi điện tích này. Năm 1832 Faraday báo cáo rằng lượng điện cần thiết để sản xuất một lượng chất nhất định không phụ thuộc vào kích thước điện cực, số lượng điện cực làm việc và khoảng cách giữa các điện cực. Khối lượng m của chất được giải phóng ở điện cực tỷ lệ thuận với điện tích Q, được truyền qua chất điện phân và tỷ lệ thuận với trọng lượng tương đương (M / z) của nguyên tố của chất đó:

Trong đó k là đương lượng điện hóa của một chất, k = M/(F×z), M là khối lượng mol của một chất, 1 F = 1 mol ×e = 6.02×1023×e = e×NA = 26.8 A.h/mol = 96,485.33289(59) C/mol là hằng số Faraday, z là số electron tham gia phản ứng (hóa trị của ion của chất).

Michael Faraday cùng với người bạn William Whewell đã phát triển một thuật ngữ mới trong điện hóa học. Ông gọi các chất dẫn điện được ngâm trong dung dịch là điện cực (trước đó chúng được gọi là các cực), đưa ra khái niệm điện phân (thay đổi hóa học liên quan đến dòng điện), chất điện phân (chất lỏng dẫn điện trong các tế bào điện hóa), cực dương (điện cực mà trên bề mặt của nó xảy ra phản ứng oxy hóa) và cực âm (điện cực mà trên bề mặt của nó xảy ra phản ứng khử). Các hạt mang điện trong chất lỏng được gọi là các ion (từ có nguồn gốc Hy Lạp); các ion di chuyển đến cực dương (điện cực dương) được gọi là các anion và các cation là các ion di chuyển đến cực âm (điện cực âm). Chất keo và chất rắn lơ lửng cũng có thể tham gia vào quá trình dịch chuyển các điện tích; tuy nhiên, do tính di động thấp, chúng chỉ có thể mang một phần điện tích đáng kể của dòng điện.

Đương lượng điện hóa có thể được sử dụng để tính toán lượng chất phản ứng trong các quá trình xảy ra tại các điện cực, như hòa tan kim loại tại cực dương, hóa khí ở cực âm và các sản phẩm của quá trình oxi hóa khử. Giá trị đương lượng điện hóa của cùng một chất có thể khác nhau tùy thuộc vào quá trình điện hóa mà chất đó tham gia. Chúng ta hãy xem xét ba phản ứng khác tại cực dương.

Như có thể thấy từ phản ứng tại cực dương, số lượng electron tham gia vào quá trình hình thành điện phân của clo, hypochlorite và chlorate tương đương với 1, 2 và 6 electron, có nghĩa là giá trị tương ứng của z = 1, 2 hoặc 6. Do đó, đương lượng điện hóa của NaCl đối với sự hình thành clo, hypochlorite và chlorate bằng z = 58,44 / (1 × 96,485) = 6,1 × 104 g / C = 0,61 mg / C; 0,3 mg / C; và 0,1 mg / C, tương ứng.

Định luật Faraday được tuân thủ nghiêm ngặt. Những sai lệch quan sát được từ các định luật Faraday, thường liên quan đến sự hiện diện của các phản ứng điện hóa song song không được tính toán, như phản ứng với oxy, hình thành hydro peroxide hoặc phản ứng ngược chiều tạo lại sản phẩm ban đầu. Những sai lệch so với định luật Faraday  trong các hệ thống công nghiệp có thể do sự tỏa nhiệt, do hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn khác hoặc do tiêu hao nguyên liệu, v.v. Sự chênh lệch của tỷ lệ sản phẩm thu được/ sản phẩm tiêu hao giữa thực tế và lý thuyết tính toán dựa trên định luật Faraday thường liên quan đến các quy trình công nghệ. Mối quan hệ này được gọi là hiệu suất của dòng điện (CE – hiệu quả faradaic hoặc coulombic).

Hiệu suất của dòng điện trong các quá trình EO (Electro-oxidation) của các chất ô nhiễm hữu cơ có thể được theo dõi thông qua các giá trị phân rã COD (Chemical Oxygen Demand) ở dòng điện không đổi sử dụng phương trình.

Trong đó ΔCOD là mức giảm COD trong quá trình phân hủy chất ô nhiễm tại thời điểm t và 8 là khối lượng oxy tương đương (q tương đương-1)

J. Gibbs và W. Nernst đã góp phần phát triển nhiệt động lực của điện hóa và đặc biệt là xác định bản chất của điện thế (điện áp) trong tế bào điện hóa và sự cân bằng giữa năng lượng điện, hóa và nhiệt. Điện thế được xác định bởi năng lượng của các quá trình hóa học xảy ra trong các tế bào điện hóa và cũng phụ thuộc vào động học của chúng.

Nguồn: S. Mika, S. Marina. Electrochemical Water Treatment Methods Fundamentals, Methods and Full Scale Applications. Butterworth-Heinemann, pages 15 – 18, 2017.

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here