MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA ĐIỆN HÓA HỌC

Điện phân và tổng hợp điện hóa • Điện phân và tổng hợp điện hóa để chế tạo vật liệu và hóa chất cơ bản - Điện phân xút để s/x Cl2, NaOH và KOH  sử dụng nhiều trong CN hóa chất giấy, ch

Trang 1

Chương IV MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA

ĐIỆN HÓA HỌC

TS Trần Tấn Nhật nhathunan@yahoo.com

Trang 2

Khoa học điện hóa học (Electrochemical Science), là một phần của Hóa lý, song hiếm có một khoa học cơ bản nào lại có mối liên hệ với thực tế sản xuất công nghiệp như điện hóa học với một phổ sản phẩm đa dạng Thật vậy, công nghệ điện hóa đã trở thành một định hướng quan trọng cho

sự phát triển công nghệ hóa học trong tương lại

Trang 3

Điểm qua một số đối tượng sản phẩm điển hình đã được chế tạo từ công nghệ điện hóa trực tiếp hoặc gián tiếp

Chế tạo kim loại Al, Na, K, Li, Mg, Zn, Cu, Ni, Co, Cd, Cr, Ag, …

Điều chế khí Cl2, Br2, F2, H2

Hóa chất vô cơ cơ bản NaOH, KOH, NaOCl, MnO2, KMnO4, H2O2, ClO3 - , ClO4- , BrO3- ,…

Hợp chất hữu cơ Propylen oxit, PVC, Nylon, hợp chất cơ kim, …

Dược phẩm Tinh chất hữu cơ (fine chemicals), alkaloid, vitamin C, …

Trang 5

4.1 Điện phân và tổng hợp điện hóa

• Điện phân và tổng hợp điện hóa để chế tạo vật liệu và hóa chất cơ bản

- Điện phân xút để s/x Cl2, NaOH và KOH  sử dụng nhiều trong CN hóa chất (giấy, chất tẩy rửa, sản phẩm clo hóa các chất hữu cơ, chất dẻo, xử lý nước,…).

- Điện phân muối florua nóng chảy đ/c F2 (pp duy nhất).

- Sản xuất bằng pp tổng hợp điện hóa một số chất vô cơ khác: KMnO4, MnO2, KClO3, KClO4,…

- Điện phân nước để đ/c hydro và oxi trong PTN, ngày nay trở thành CN nền tảng của nền kinh tế hydro trong thế kỷ XXI

Trang 6

- Tổng hợp hữu cơ bằng p/p điện hóa:

1940, Kolbe đp dd muối kiềm của axit béo  hydrocacbon

1963, Monsanto Chem đã sx adiponitril và propylen oxit

( (CH2)4 (CN)2, CH3CHCH2O),… đây là sp quan trong cho sx chất dẻo và sợi tổng hợp nylon

 Khác với pp tổng hợp hữu cơ thông thường, trong pp điện hóa, vật liệu điện cực chính là nguồn cung cấp tác nhân p/ư – đó là electron

Công nghệ brom hóa và flo hóa các h/c hữu cơ bằng con đường điện hóa để chế tạo nguyên liệu rất hữu ích

và kiểm soát được ô nhiễm

Trang 7

 Ngày nay có hàng ngàn tinh chất hữu cơ (fine chemicals) như dược phẩm được điều chế bằng trực tiếp hay gián tiếp, vì bằng con đường này có thể thực hiện hầu hết các loại p/ư hữu cơ

• Điện kết tủa và điện luyện kim

Đây là 2 công nghệ quan trọng để sx và tinh luyện nhiều k/l quan trọng.

- Điện phân từ quặng oxit hoặc muối nóng chảy để sx các k/l kiềm, kiềm thổ, nhôm,…

- Tinh luyện k/l bằng pp điện tinh luyện, kim loại còn chứa tạp chất bị hòa tan ở anot và kết tủa tại catot

Trang 8

- Tái sinh kim loại từ phế thải CN hết hạn sử dụng (xe, máy, acquy, đồ điện tử,…) ko thể thiếu công đoạn điện hóa

- Mạ điện hóa là kỹ thuật tạo lớp phủ chống ăn mòn và trang trí  phát triển thành CN lắng đọng kỹ thuật cao (mạ nano, tạo lớp phủ chức năng,…)

Trang 9

4.2 Sự ăn mòn và bảo vệ kim loại

4.2.1 Ăn mòn kim loại

 Ăn mòn hóa học

Ăn mòn là quá trình tự phá hủy kim loại do tác động hóa học, điện hóa học của môi trường xung quanh (môi trường xâm thực) để chuyển sang dạng bền nhiệt động lực của các hợp chất như oxit, hidroxit, muối.

- Không phát sinh dòng điện ăn mòn

- Sản phẩm ăn mòn tạo thành ngay chỗ kim loại tiếp xúc giữa kim loại với môi trường

Trang 10

 Ăn mòn điện hóa

Là quá trình ăn mòn kim loại trong môi trường điện li Sự phá hủy kim loại xảy ra trên bề mặt giới hạn 2 pha: kim loại và dung dịch chất điện li

- Quá trình ăn mòn điện hóa xảy ra tương tự sự hoạt động của 1 pin điện bị khép kín mạch

- Quá trình ăn mòn xẩy ra trên cùng một kim loại, nghĩa là trên đó xẩy ra các quá trình anốt và catốt dẫn đến sự phá huỷ kim loại

Trang 11

Cơ chế:

Qúa trình anot: M – ne = Mn+

Qúa trình catot: D + ne = [D.ne]

Trong môi trường trung tính chất D thường là oxi tan trong pha lỏng, trong môi trường axit thì là ion H+ :

O2 + 4e + H2O = 2H+ + 2e = H2

Trang 12

4OH-4.2 Sự ăn mòn và bảo vệ kim loại

4.2.2 Bảo vệ kim loại

 Dùng lớp phủ bảo vệ

 Xử lý môi trường

 Dùng dòng điện ngoài

Trang 13

4.3 Nguồn điện hóa học

Pin (Leclanche’ – 1866) và acquy (axit chì – 1859) là những nguồn điện làm việc trên nguyên tắc biến đổi từ hóa năng sang điện năng với h/s cao

Pin điện hóa phải đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật: E phải lớn và ổn định, cho dòng (I) lớn, thời gian sử dụng (t) lâu,…

Đối với kỹ thuật, khối lượng và thể tích chiếm chỗ của những nguồn điện là những thông số quan trọng cần khống chế, vì vậy:

 Dung lượng riêng [Ah/kg] hay mật độ năng lượng [Wh/kg]

Trang 14

Phân loại

Nguồn điện sơ cấp

(Pin)

Nguồn điện thứ cấp (Acquy)

Nguồn điện liên tục (Pin nhiên liệu)

Làm việc 1 lần Làm việc nhiều lần Làm việc liên tục

Trang 15

• Nguồn điện sơ cấp (pin)

Mô hình Pin khô Le Clanché (1866)

Epin =1,6V

Trang 16

Epin =1,6V

Trang 17

Trang 18

Ngày nay đã thay hệ đ/ly muối NH4Cl bằng KOH, làm tăng dung lượng gấp 2 lần

P/ư:

E = 1,5 V

▪ Pin không khí

E = 1,2 V

Trang 19

▪ Pin Liti: Li/MnO2 (1980)

- Điện cực dương là MnO2 được trộn thêm muội than, để tăng tính dẫn điện

- Điện cực âm là hợp kim Li/Al

- Hệ đ/ly: dung môi hữu cơ polycacbonat (PC) + dimethoxyethan (DME) + muối dẫn ion Li+ được gel hóa

Tại anot:

catot:

E = 2,8 V

Trang 20

• Ac quy (nguồn thứ cấp)

Trang 21

Ắc quy là loại nguyên tố gavanic hoạt động thuận nghịch và nhiều vòng, có thể phục hồi khả năng phóng điện bằng cách cho dòng điện bên ngoài chạy qua (nạp điện)

Nếu q/t phóng điện là tự xảy ra (ΔG < 0) thì q/t nạp điện ko tự xảy ra (ΔG > 0), phải dùng năng lượng bên ngoài để phục hồi bản chất hóa học của vật liệu điện cực ban đầu

Trang 22

Trang 23

Sự nạp điện:

( -):

(+):

Tổng quát:

Trang 24

Dung dịch đ/ly là axit H2SO4 nồng độ 4,2 mol/lit tương đương 33,5% hay d = 1,26g/cm3

Sức đđ của acquy:

Sức đđ acquy chì:

 Khi sử dụng, khi phóng điện E giảm tới 1,85 V thì dừng phóng để nạp lại nhằm duy trì tính bền thuận nghịch của p/ư trong pin với thời gian

Trang 25

 Đây là loại acquy lâu đời nhất (G.Plante’1860) Trình độ CN hiện nay thì về mặt tích trữ năng lượng mới chỉ đạt gần 1/3 giá trị lý thuyết (thực tế 50 Wh/kg; lý thuyết là 165 Wh/kg)  chưa thể kỳ vọng sử dụng acquy axit cho o6to điện trong tương lại gần

▪ Acquy kiềm

- Acquy Edison: Sắt - Nicken

phản ứng tổng quát xảy ra trong pin:

Trang 26

- Acquy hệ Ni/Hydrid kim loại (MH) (acquy kiềm thân thiện với môi trường hiện nay)

Trang 27

 Acquy Ni/MH đang là ứng củ viên tiềm năng cho oto điện trong tương lai gần

- Acquy ion Li+

(-):

(+):

p/ư tổng quát:

Trang 28

Thông số cơ bản của acquy ion Li+ hơn hẳn các acquy điện hóa được biết hiện nay: E = 3,6 V; mật

độ năng lượng đạt: 120 – 150 Wh/kg; chu kỳ làm việc hàng ngàn lần.

Là thành tựu của vật liệu mới và công nghệ mới, acquy ion Li+ được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực điện tử, điện thoại di động và được kì vọng sử dụng cho oto chạy điện sắp tới

Trang 29

• Pin nhiên liệu

Trang 30

 Do vậy, cuối thế kỷ 19, W Ostwald, W.Grove, W.Nernst quan tâm đến khả năng chuyển trực tiếp hóa năng của

nhiên liệu thành điện năng bằng con đường điện hóa bỏ qua khâu sử dụng máy nhiệt Đó là pin nhiên liệu:

Về mặt lý thuyết h/s có thể 100%

(vì nó ko bị giới hạn bởi đ/lý Carnot qua khâu máy nhiệt)

Trang 31

Thật vậy, chuyển hóa năng lượng qua khâu máy nhiệt:

Còn theo con đường điện hóa:

Để tính hiệu suất ta thay

Trang 32

Gía trị ΔG và ΔH xấp xỉ bằng nhau ở cùng thứ nguyên, nên dễ dàng thấy ≈ 100% Nếu ΔS < 0 thì � �

> 100% (thực tế rất ít phản ứng khả dĩ áp dụng cho pin nhiên liệu lại có ΔS > 0)

Hiệu suất thực tế của pin nhiên liệu ngày nay mới đạt khoảng

50 – 80%, tuy nhiên đã hơn hẳn hiệu suất qua con đường máy nhiệt

Trang 33

▪ Nguyên tắc hoạt động của pin nhiên liệu

Chất hoạt động ở cực âm là nhiên liệu tự nhiên hay những dẫn xuất của nhiên liệu tự nhiên, chất hoạt động ở cực dương là oxi Trong pin nhiên liệu, “chất đốt’’ được tích trữ bên ngoài và cung cấp liên tục tới điện cực, còn tế bào điện hóa chỉ là một reactơ để chuyển hóa

Pin nhiên liệu được kỳ vọng và nghiên cứu thành công nhất cho tới nay là pin Oxi – Hydro nhằm đón đầu kỷ nguyên kinh tế hydro trong tương lai gần

Trang 34

Pin Hidro – Oxi : ở đó chất điện giải có thể là: KOH màng polime, H3PO4, muối cabonat, chất

điện giải rắn

 Sự ưu việt là khi làm việc pin vừa sản xuất điện năng vừa tổng hợp nước  sử dụng trên các tàu vũ trụ

Trang 35

Mô hình Pin HYDRO - OXY

Định dạng
Số trang	37
Dung lượng	541,94 KB