Luận án TS: Nghiên cứu chế tạo, khảo sát đặc tính điện hóa của điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 trong dung dịch có chứa hợp chất hữu cơ

Luận án Nghiên cứu chế tạo, khảo sát đặc tính điện hóa của điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 trong dung dịch có chứa hợp chất hữu cơ được hoàn thành với mục tiêu nhằm phân tích sự ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo tới tính chất điện cực (cấu trúc tinh thể, hình thái học, độ bền màng, độ hoạt hóa,…), từ đó tìm ra điều kiện tối ưu chế tạo điện cực có tính chất tốt, có khả năng ứng dụng cao.

Luận án TS: Nghiên cứu chế tạo, khảo sát đặc tính điện hóa của điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 trong dung dịch có chứa hợp chất hữu cơ

1. Mở đầu

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

PbO2 được coi là một điện cực oxyt kim loại xuất sắc và được sử dụng rộng rãi trong công nghệ điện hóa vì chi phí của nó thấp hơn so với các kim loại quý, dẫn nhiệt tốt, độ bền hóa trong ăn mòn, quá thế cao trong phản ứng thoát oxy. Tuy nhiên, trong lĩnh vực xử lý môi trường nước thải bị ô nhiễm các chất hữu cơ độc hại thì điện cực anôt PbO2 ít được sử dụng bởi lẽ lượng chì tan ra trong quá trình oxy hoá có khả năng gây ô nhiễm thứ cấp, hơn nữa hiệu suất mật độ dòng hoạt động thấp. Do đó, trong lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng phương pháp điện hoá để xử lý nước thải công nghiệp người ta ít dùng điện cực PbO2 mà thường sử dụng các vật liệu anôt trơ dựa trên cơ sở hỗn hợp các oxyt kim loại chuyển tiếp và oxyt trơ, vừa có khả năng dẫn điện vừa có độ bền hoá học và điện hoá cao, và ít độc hơn với môi trường. Nếu giảm được mức độ hòa tan trong quá trình oxy hóa xử lý môi trường nước thải chứa tạp chất hữu cơ, cũng như đồng thời tăng được độ dẫn, hiệu suất dòng điện, sẽ mở rộng được phạm vi ứng dụng của vật liệu điện cực anôt PbO2.

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

- Chế tạo điện cực anôt Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2, khảo sát cấu trúc, hình thái và tính chất của điện cực chế tạo được;

- Nghiên cứu tính chất điện hóa của điện cực chế tạo được trong dung dịch có chứa hợp chất hữu cơ: Xác lập quan hệ giữa các thông số như pH, nhiệt độ, tốc độ quét, loại vật liệu, thế điện phân, mật độ dòng, thành phần chất điện ly và áp dụng cho xử lý mẫu nước thải thực tế có chứa hợp chất hữu cơ.

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là anôt tạo bởi hỗn hợp một số oxyt kim loại phủ trên nền titan. Các anôt được nghiên cứu chủ yếu trong các môi trường có Clvà môi trường axit nhằm chế tạo anôt có tính chất tốt và trong một số môi trường khác cho quá trình xử lý chất hữu cơ độc hại khó phân huỷ như phenol.

Phạm vi nghiên cứu là điện cực anôt hệ Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 phục vụ cho việc nghiên cứu tính chất điện hóa của điện cực trong dung dịch có chứa chất hữu cơ.

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là phương pháp thực nghiệm. Bằng phương pháp phân huỷ nhiệt các dung dịch muối clorua của các kim loại để chế tạo các điện cực oxyt trên nền titan. Quá trình chế tạo và tính chất của chúng được khảo sát bằng phương pháp phân tích nhiệt vi sai và nhiệt trọng lượng, các phương pháp phân tích cấu trúc và hình thái học (hiển vi điện tử quét SEM, nhiễu xạ tia X), các phương pháp điện hóa. Các phương pháp phân tích sắc ký lỏng cao áp (HPLC), nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand - COD) được sử dụng để đánh giá quá trình và hiệu quả oxy hóa chất hữu cơ cần nghiên cứu.

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Cùng với xu thế chung trên thế giới về quản lý và kiểm soát môi trường, vấn đề khảo sát và xử lý các nguồn thải đang trở nên ngày càng cấp thiết. Việc khảo sát, tiến hành các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm là quan trọng và cấp bách. Đề tài được thực hiện nhằm vào việc đưa ra các cơ sở khoa học phục vụ cho việc xử lý nước thải bằng phương pháp điện hóa một cách hiệu quả, thực thi và giảm giá thành, đóng góp vào công cuộc bảo vệ môi trường nói chung.

Hiện nay ở Việt Nam mới chế tạo và ứng dụng các hệ anôt truyền thống như graphit, PbO2, còn hệ anôt trên cơ sở titan được phủ hỗn hợp oxyt SnO2, Sb2O3, PbO2 chưa có nghiên cứu nào. Đây là loại vật liệu anôt có những tính chất ưu việt hơn hẳn các loại anôt truyền thống như độ bền ăn mòn cao, xúc tác điện hóa tốt, mật độ dòng hoạt động lớn... Việc nghiên cứu chế tạo vật liệu anôt trơ trên cơ sở các oxyt kim loại chuyển tiếp dẫn điện bằng phương pháp phân huỷ nhiệt và mạ điện cho từng quá trình điện hóa cụ thể rất có ý nghĩa thực tiễn. Các vật liệu điện cực mới có khả năng sử dụng trong thực tế, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng của chúng trong lĩnh vực điện phân xử lý môi trường.

2. Nội dung

2.1 Tổng quan

Kỹ thuật oxy hóa điện hóa cho xử lý nước thải

Vật liệu điện cực anôt

Tình hình nghiên cứu điện cực anôt trơ và ứng dụng của chúng

Cơ sở lựa chọn điện cực anôt hệ Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2

Tổng quan về nước thải có chứa hợp chất hữu cơ

2.2 Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu

Thiết bị, dụng cụ, hóa chất và vật liệu

Các phương pháp nghiên cứu

2.3 Kết quả và thảo luận

Nghiên cứu chế tạo điện cực anôt trơ Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2

Khảo sát độ bền điện hóa của anôt Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2

Nghiên cứu đặc tính điện hóa của điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2

Kết quả khảo sát khả năng oxy hóa tạp chất hữu cơ trong nước thải Dệt nhuộm của điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2

Kết quả nghiên cứu biện pháp làm giảm sự khử hoạt hoá bề mặt anôt

3. Kết luận

Quá trình nghiên cứu chế tạo điện cực anôt trơ Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 và khảo sát đặc tính điện hóa của điện cực trong trong dung dịch có chứa phenol đã thu được những kết quả sau:

- Chế tạo điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2

- Khảo sát đặc tính điện hóa của hệ điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 đã chế tạo thông qua các thử nghiệm trên dung dịch mẫu giả có chứa phenol 500 mg/l

- Đã đề xuất hai cơ chế: cơ chế tuần tự hóa hoc liên quan đến vận chuyển proton nội phân tử và cơ chế kết hợp điện hóa và hóa học trong quá trình oxy hóa phenol trong dung dịch nước. Điều này cho phép hiểu rõ hơn cơ chế tổng quát đã được đề xuất trước đó

- Vai trò và ảnh hưởng của Cl− đã được khảo sát cho thấy, không chỉ có vai trò khử thụ động và hoạt hóa điện cực, mà còn tham gia tạo các radical ClO− , ClO3 − , và HO là những tác nhân oxy hóa phenol và các sản phẩm trung gian theo cơ chế hóa học. Trong đó các phản ứng và có thể lần đầu tiên được đề xuất trong nghiên cứu này, xác nhận thêm vai trò của Cl− trong quá trình tạo ra HO

- Thử nghiệm ứng dụng điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 xử lý hợp chất hữu cơ trong mẫu nước thải thực tế

4. Tài liệu tham khảo

4.1 Tiếng Việt

Guohua Chen, Electrochemical technologies in wastewater treatment, Separation and Purification Technology, 2004, 38 (1), 11-41.

Jiann-Long Chen, Guan-Chang Chiou & Chih-Chao Wu, Electrochemical oxidation of 4-chlorophenol with granular graphite electrodes, Desalination, 2010, 264 (1–2), 92-96.

J. Kong, et al., Preparation and characterization of PbO2 electrodes doped with different rare earth oxydes, Electrochim. Acta, 2007, 53 2048-2054.

S. Cattarin U. Casellato, M. Musiani, Preparation of porous PbO2 electrodes electrochemical deposition of composites, Electrochim. Acta 2003, 48 3991–3998.

S. Ergas, B. Therriault & D. Reckhow, Evaluation of Water Reuse Technologies for the Textile Industry, Journal of Environmental Engineering, 2006, 132 (3), 315-323.

4.2 Tiếng Anh

Trịnh Xuân Sén, Điện hóa học, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2004.

Nguyễn Ngọc Phong, Nghiên cứu chế tạo điện cực anôt trơ titan phủ hỗn hợp ôxít kim loại, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, 2003, 41.

Trương Công Đức Lê Tự Hải, Trần Văn Thắm, Điện kết tinh PbO2 trên nền graphit bằng phương pháp oxy hóa anôt ion Pb2+ trong dung dịch Pb(NO3)2, Tạp chí Khoa học và công nghệ Đà Nẵng, 2008, 5-28.

Lê Tự Hải, Nghiên cứu động học và cơ chế quá trình oxy hóa điện hóa ion Pb2+ trong dung dịch Pb(NO3)2 tạo màng PbO2, Tạp chí Khoa học và công nghệ Đà Nẵng, 2008, 6-18.

--- Nhấn nút TẢI VỀ hoặc XEM ONLINE để tham khảo đầy đủ nội dung Luận án tiến sĩ Hóa học trên ---

Ngày:25/09/2020 Chia sẻ bởi:An

CÓ THỂ BẠN QUAN TÂM