›
›

Luận văn 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

pdf 141 trang phuongnguyen 5630
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn 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", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfluan_van_nghien_cuu_che_tao_khao_sat_dac_tinh_dien_hoa_cua_d.pdf

Nội dung text: Luận văn 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. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC CHU THỊ THU HIỀN 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 TIẾN SĨ HÓA HỌC HÀ NỘI – 2014 i
  2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HOÁ HỌC CHU THỊ THU HIỀN 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 TIẾN SĨ HÓA HỌC Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý Mã số: 62.44.31.01 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Trung PGS.TS. Vũ Thị Thu Hà HÀ NỘI – 2014 ii
  3. LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Chu Thị Thu Hiền, nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa lý thuyết và Hóa lý, khóa 2009 - 2013. Tôi xin cam đoan luận án tiến sỹ ‘‘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’’ là công trình nghiên cứu của riêng tôi, đây là công trình do tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Trần Trung và PGS. TS. Vũ Thị Thu Hà. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn thu đƣợc từ thực nghiệm, trung thực và không sao chép. Nghiên cứu sinh Chu Thị Thu Hiền i
  4. LỜI CẢM ƠN! Lời đầu tiên với lòng biết ơn sâu sắc nhất tôi xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS.Trần Trung và PGS.TS.Vũ Thị Thu Hà – những người đã truyền cho tôi tri thức, cũng như tâm huyết nghiên cứu khoa học, người đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành bản luận án này! Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu sinh! Tôi cảm ơn sự sự hỗ trợ từ trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, đề tài Nafosted 104.05-2012.56 Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô, các anh chị và các em Phòng Ứng dụng tin học trong hóa học – Viện Hóa học, Phòng Ăn mòn và Bảo vệ vật liệu – Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã chia sẻ những kinh nghiệm quý báu và trợ giúp các trang thiết bị để tôi thực hiện các nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đến GS.TS.Lê Quốc Hùng và TS.Nguyễn Ngọc Phong đã nhiệt tình hướng dẫn tôi thực hiện các phép đo đặc trưng và cách chế tạo điện cực cũng như các thảo luận để thực hiện luận án! Và tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các đồng nghiệp, bạn bè – những người đã luôn quan tâm, động viên tôi trong suốt thời gian qua! Cuối cùng, tôi xin dành tình cảm đặc biệt đến gia đình, người thân của tôi - những người đã luôn tin tưởng, động viên và tiếp sức cho tôi thêm nghị lực để tôi vững bước và vượt qua mọi khó khăn! Tác giả Chu Thị Thu Hiền ii
  5. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined. LỜI CẢM ƠN! ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 5 1.1. Kỹ thuật oxy hóa điện hóa cho xử lý nƣớc thải 5 1.2. Vật liệu điện cực anôt 12 1.2.1. Giới thiệu chung về vật liệu điện cực 12 1.2.2. Một số loại vật liệu dùng để chế tạo điện cực anôt 13 1.2.3. Một số yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền của anôt 15 1.2.4. Chế tạo điện cực anôt oxyt bằng phƣơng pháp phân huỷ nhiệt 17 1.3. Tình hình nghiên cứu điện cực anôt trơ và ứng dụng của chúng 19 1.4. Cơ sở lựa chọn điện cực anôt hệ Ti/ SnO2-Sb2O3/PbO2 23 1.5. Tổng quan về nƣớc thải có chứa hợp chất hữu cơ 29 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 33 2.1. Thiết bị, dụng cụ, hóa chất và vật liệu 33 2.1.1. Thiết bị, dụng cụ 33 2.1.2. Hóa chất và vật liệu 34 2.1.3. Các chƣơng trình máy tính sử dụng trong nghiên cứu 35 2.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu 36 2.2.1. Các phƣơng pháp vật lý 36 2.2.2. Các phƣơng pháp điện hoá 39 2.2.3. Phƣơng pháp phân tích thành phần dung dịch điện phân 44 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50 3.1. Nghiên cứu chế tạo điện cực anôt trơ Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 50 3.1.1. Nghiên cứu quá trình phân hủy nhiệt của các muối kim loại 50 iii
  6. 3.1.2. Khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ phân hủy tới đặc trƣng cấu trúc tinh thể và hình thái học bề mặt của lớp phủ SnO2-Sb2O3 53 3.1.3. Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian điện kết tủa lớp phủ hoạt hóa của anôt 57 3.1.4. Quy trình chế tạo điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 61 3.2. Khảo sát độ bền điện hóa của anôt Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 64 3.2.1. Vai trò và ảnh hƣởng của lớp oxyt trung gian SnO2-Sb2O3 64 3.2.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ nung tới độ bền của anôt Ti/SnO2- Sb2O3/PbO2 67 3.2.3. Ảnh hƣởng của biện pháp xử lý bề mặt nền titan đến độ bền của anôt 72 3.3. Nghiên cứu đặc tính điện hóa của điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 75 3.3.1. Khả năng hoạt động điện hóa của các hệ anôt 75 3.3.2. Nghiên cứu sự ảnh hƣởng của tốc độ quét thế đến dạng đƣờng Cyclic Voltammetry (CV) trong quá trình oxy hóa phenol 77 3.3.3. Nghiên cứu sự ảnh hƣởng của pH đến khả năng oxy hóa phenol 79 3.3.4. Nghiên cứu sự ảnh hƣởng của nhiệt độ đến khả năng oxy hóa phenol 90 3.3.5. Nghiên cứu sự ảnh hƣởng của mật độ dòng điện đến khả năng oxy hóa phenol 92 3.3.6. Nghiên cứu ảnh hƣởng của NaCl tới khả năng oxy hóa phenol 95 3.3.7. Nghiên cứu mức độ oxy hóa phenol trên điện cực anôt Ti/SnO2- Sb2O3/PbO2 theo thời gian 99 3.4. Kết quả khảo sát khả năng oxy hóa tạp chất hữu cơ trong nƣớc thải Dệt nhuộm của điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 105 3.5. Kết quả nghiên cứu biện pháp làm giảm sự khử hoạt hoá bề mặt anôt 110 KẾT LUẬN 114 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 117 iv
  7. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Chữ Tên tiếng Việt Ký hiệu Tên tiếng Việt viết tắt SEM Kính hiển vi điện tử quét S Diện tích XRD Nhiễu xạ tia X Vdd Thể tích dung dịch TGA Phân tích nhiệt trọng lƣợng t Thời gian DTA Phân tích nhiệt vi sai  Bƣớc sóng Quét thế vòng tuần hoàn CV r Kích thƣớc hạt (Cyclic Voltammetry) HPLC Sắc ký lỏng cao áp v Tốc độ quét thế COD Nhu cầu oxy hóa hóa học E Điện thế TOC Tổng lƣợng cacbon hữu cơ Ecb Điện thế cân bằng Điện cực so sánh calomel SCE j Cƣờng độ dòng điện bão hòa WE Điện cực làm việc i Mật độ dòng CE Điện cực đối R Điện trở RE Điện cực so sánh T Nhiệt độ NHE Điện cực so sánh hidro b Hệ số Tafel ICE Hiệu suất dòng tức thời q Điện tích EOI Chỉ số oxy hóa điện hóa n Bậc phản ứng Hiệu quang trình của GAC Hấp phụ bằng than hoạt tính hai tia phản xạ Khoảng cách giữa hai BDD Điện cực màng kim cƣơng dhkl mặt phản xạ CVD Lắng đọng hóa học pha hơi 2 Góc phản xạ TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam H Hiệu suất RT Thời gian lƣu F Hằng số Faraday v
  8. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Thế khử chuẩn của một số cặp oxy hóa khử thường được dùng trong lĩnh vực xử lý nước thải bằng phương pháp oxy hóa điện hóa 11 Bảng 1.2: Điện thế thoát oxy trên các anôt khác nhau 15 Bảng 1.3: Một số vật liệu anôt được chế tạo bằng phương pháp phân huỷ nhiệt 19 Bảng 2.1: Các kết quả HPLC xây dựng đường chuẩn của phenol 46 Bảng 3.1: Độ chuyển hóa COD trong dung dịch điện phân phenol ở các môi trường pH khác nhau 89 Bảng 3.2: Sự thay đổi chỉ số COD ở các mật độ dòng và thời gian điện phân khác nhau 93 Bảng 3.3: Giá trị điện thế Ein bắt đầu quá trình oxy hóa phenol, và Ep tương ứng với mức độ oxy hóa cực đại trên phổ CV trong dung dịch có thành phần ban đầu: phenol 500 mg/l, Na2SO4 5g/l, pH = 8 và có bổ sung NaCl, tại tốc độ quét thế 50 mV/s 98 Bảng 3.4: Giá trị điện thế Ein bắt đầu quá trình oxy hóa phenol và Ep tương ứng với mức độ oxy hóa cực đại trên phổ CV trong dung dịch sau những thời 2 gian điện phân khác nhau tại dòng không đổi i = 50 mA/cm 101 Bảng 3.5: Hiệu suất chuyển hóa phenol sau các thời gian xử lý khác nhau 104 Bảng 3.6: Một số thông số của mẫu nước thải Dệt nhuộm 106 vi
  9. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ minh họa của một hệ điện hóa 5 Hình 1.2: Đồ thị so sánh hiệu quả của các phương pháp xử lý nước thải của nhà máy dệt thông qua các yếu tố: chỉ số COD, độ màu và chi phí trên một đơn vị nước thải 8 Hình 1.3: Cơ chế oxy hóa các hợp chất hữu cơ bằng phương pháp điện hóa trên điện cực anôt 8 Hình 2.1: Hệ thống thiết bị phân tích điện hoá đa năng CPA-HH5 33 Hình 2.2: Giao diện điều khiển quá trình đo đạc sử dụng máy CPA-HH5 35 Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý chung của phương pháp nhiễu xạ tia X 37 Hình 2.4: Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét SEM 39 Hình 2.5: Hình dạng của đường cong phân cực 42 Hình 2.6: Hệ thống đo điện hoá và cấu tạo mẫu đo 43 Hình 2.7: Sơ đồ khối của thiết bị HPLC 44 Hình 2.8: Đường chuẩn của phenol 46 Hình 3.1: Phổ DTA và TGA của SnCl4.xH2O 51 Hình 3.2: Phổ DTA và TGA của SbCl3.xH2O 52 Hình 3.3: Phổ nhiễu xạ Rơnghen (XRD) của hỗn hợp oxyt SnO2-Sb2O3 tạo thành ở các nhiệt độ nung khác nhau: a) 370 oC, b) 420 oC, c) 480 oC, d) 550 oC 54 Hình 3.4: Ảnh SEM bề mặt điện cực Titan: a) Sau khi tẩy dầu mỡ, b) Sau công đoạn xử lý bằng oxalic sôi 15% 56 Hình 3.5: Ảnh SEM mô tả hình thái cấu trúc bề mặt của vật liệu nền Titan sau khi xử lý bề mặt (a, b) và lớp phủ SnO2-Sb2O3 trên nền Titan (c, d), sau khi nung ở 480 oC trong 60 phút ở các độ phóng đại 1000 và 5000 lần 57 Hình 3.6: Trạng thái bề mặt lớp phủ phụ thuộc vào thời gian điện kết tủa PbO2 : a) 30 phút, b) 60 phút, c) 120 phút, d) 150 phút. 59 vii
  10. Hình 3.7: Ảnh SEM lớp phủ PbO2 với thời gian điện kết tủa là 120 phút với độ phóng đại là 5000 và 12000 lần. 60 Hình 3.8: Phổ XRD của mẫu điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 sau thời gian phủ 120 phút 60 Hình 3.9: Sơ đồ khối quy trình chế tạo anôt trơ hệ Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 62 Hình 3.10: Phổ CV của quá trình oxy hóa phenol ảnh hưởng bởi vật liệu điện cực: a) Ti; b) Ti/SnO2-Sb2O3; c) Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2; d) Ti/PbO2 . 65 Hình 3.11: Sự thay đổi điện thế của các hệ anôt theo thời gian phân cực anôt 2 ở mật độ dòng 500 mA/cm trong H2SO4 1M; (lớp phủ SnO2-Sb2O3 o tạo thành khi nung ở 480 C) 66 Hình 3.12: Sự phụ thuộc điện thế của hệ đo vào thời gian phân cực của anôt Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 được nung ở các nhiệt độ khác nhau. Mật độ 2 o dòng phân cực 500 mA/cm trong H2SO4 1M ở 30 C. 69 Hình 3.13: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thời gian sống của điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 vào nhiệt độ phân hủy khi tạo lớp phủ trung gian 70 Hình 3.14: Ảnh SEM của bề mặt điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 có lớp phủ o SnO2-Sb2O3 được tạo thành khi nung ở 480 C trước (a, b) và sau khi phân cực (c,d) ở mật độ dòng định 500 mA/cm2 trong 340 giờ 72 Hình 3.15: Ảnh hưởng của biện pháp xử lý bề mặt nền Ti đến độ bền của anôt 74 Hình 3.16: Đường cong phân cực vòng điển hình của cặp oxy hoá khử 3- 4- [Fe(CN)6] /[Fe(CN)6] trên điện cực Ti/PbO2 và Ti/SnO2- Sb2O3/PbO2. Dung dịch K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] 0,01M trong KCl 0,1M; v = 20 mV/s. 76 Hình 3.17: Dạng đường CV của điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 trong dung dịch nước chứa 500 mg/l phenol khi thay đổi tốc độ quét thế; a) 20mV/s; b) 40mV/s; c) 50mV/s; d) 60mV/s; e) 100mV/s; f) 150mV/s) 78 Hình 3.18: Phổ CV của điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 và quá trình oxy hóa phenol trong các môi trường khác nhau: a) pH=3; b) pH=7; c) pH=8; d) pH=10, e) pH=12, f) đường nền, pH=7, không có phenol 81 viii
  11. • Hình 3.19: Sơ đồ mô tả con đường phản ứng oxy hóa radical C6H5O bởi radical HO• theo cơ chế tuần tự tạo hydroquinone, resocin và catechol 85 • Hình 3.20: Sơ đồ mô tả quá trình oxy hóa phenol tạo thành radical C6H5O , • tiếp theo đó các C6H5O tham gia vào các phản ứng hoặc oxy hóa điện hóa, hoặc phản ứng hóa học mà tạo ra hydroquinone, resocin và catechol, benzopuinone cùng các sản phẩm polymer trung gian khác 86 Hình 3.21: Sơ đồ mô tả quá trình phân hủy sản phẩm trung gian benzoquinone theo cơ chế kết hợp oxy hóa điện hóa và oxy hóa hóa học để mở mạch và cắt mạch, tạo ra các sản phẩm mạch thẳng, trước khi các sản phẩm này bị oxy hóa điện hóa thành CO2 và proton H+ 87 Hình 3.22: Sơ đồ mô tả khái quát quá trình oxy hóa phenol theo hai giai đoạn: giai đoạn oxy hóa thành các quinone, giai đoạn oxy hóa thành các chất trung gian mạch thẳng và sản phẩm cuối CO2, H2O 88 Hình 3.23: Phổ CV của quá trình oxy hóa phenol ảnh hưởng bởi nhiệt độ, tại pH = 8 91 Hình 3.24: Sự thay đổi chỉ số COD của dung dịch Na2SO4 7,5g/l, phenol 500mg/l, pH=8 theo thời gian điện phân tại các mật độ dòng điện phân 10, 30, 50, 70 mA/cm2 94 Hình 3.25: Phổ CV của quá trình oxy hóa phenol ảnh hưởng bởi nồng độ NaCl 96 Hình 3.26: Phổ CV của quá trình oxy hóa phenol trên hệ điện cực anôt Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 trong dung dịch có thành phần ban đầu: phenol o 500 mg/l, Na2SO4 5g/l, NaCl 1% tại pH = 8, T = 30 C, sau những thời gian điện phân khác nhau tại dòng không đổi i = 50 mA/cm2 100 Hình 3.27: Kết quả phân tích HPLC của dung dịch chứa phenol sau các khoảng thời gian điện phân khác nhau 103 ix
  12. Hình 3.28: Sự thay đổi hàm lượng phenol theo thời gian điện phân trong dung dịch phenol 500 mg/l; Na2SO4 7,5 g/l, pH = 8,0; tại mật độ dòng điện phân 50mA/cm2. 104 Hình 3.29: Phổ CV của quá trình xử lý tạp chất hữu cơ trong nước thải Dệt nhuộm ở pH = 8, nhiệt độ phòng (30 oC), tốc độ quét 50mV/s bởi điện cực anôt hệ Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 sau các thời gian điện phân khác nhau 107 Hình 3.30: Phổ CV tổng hợp của quá trình xử lý tạp chất hữu cơ trong nước thải Dệt nhuộm ở pH = 8, nhiệt độ phòng (30 oC), tốc độ quét 50mV/s bởi điện cực anôt hệ Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 . 108 Hình 3.31: Sự thay đổi chỉ số COD của mẫu nước thải Dệt nhuộm theo thời gian điện phân trong dung dịch có Na2SO4 7,5g/l, NaCl 1%, pH = 8; tại mật độ dòng điện phân 50 mA/cm2. 109 Hình 3.32: Phổ CV trong dung dịch phenol 500 mg/l, Na2SO4 7,5 g/l, pH = 8 2 trên điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2. Diện tích mẫu 4cm . Tốc độ quét 50mV/s. 111 Hình 3.33: Phổ CV của điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 trong dung dịch phenol 500 mg/l, Na2SO4 7,5 g/l, pH = 8 trước (a) và sau (b) khi phá vỡ màng thụ động 111 x
  13. MỞ ĐẦU Trong khoảng hai thập kỷ gần đây, công nghệ oxy hóa điện hóa đã đƣợc nghiên cứu rộng rãi để ứng dụng xử lý nƣớc thải. Công nghệ này bao gồm quá trình oxy hóa trực tiếp và/hoặc gián tiếp của các chất hữu cơ chứa trong nƣớc thải trên anôt hoặc trong dung dịch của thiết bị điện hóa. Dƣới tác dụng của dòng điện các chất thải độc hại và khó phân hủy sinh học sẽ bị oxy hóa thành các sản phẩm trung gian ít độc hại hơn và dễ bị phân hủy sinh học hoặc có thể oxy hóa đến CO2 và H2O. Phƣơng pháp xử lý điện hóa nƣớc thải công nghiệp ngày càng đƣợc quan tâm do nó có những ƣu điểm riêng nhƣ thiết bị đơn giản, khả năng phù hợp cao đối với quy mô vừa và nhỏ, đầu tƣ ban đầu thấp, tốc độ đƣợc điều khiển bằng dòng điện nên dễ tự động hóa, cần rất ít hoặc không cần hóa chất trong quá trình xử lý và là công nghệ “xanh” thân thiện với môi trƣờng: ít sinh ra hóa chất độc thứ cấp, độ chọn lọc cao [1, 2]. Tuy nhiên, do nƣớc thải công nghiệp là dung dịch chứa nhiều chất độc hại khác nhau nên để tăng hiệu quả xử lý cần thiết phải quan tâm tới vật liệu điện cực anôt. Về tổng thể, anôt hữu ích phải thoả mãn ba yêu cầu chính sau: dẫn điện, có khả năng xúc tác điện hoá và bền vững. PbO2 đƣợc coi là một điện cực oxyt kim loại xuất sắc và đƣợc 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 [3, 4]. Tuy nhiên, trong lĩnh vực xử lý môi trƣờng nƣớc thải bị ô nhiễm các chất hữu cơ độc hại thì điện cực anôt PbO2 ít đƣợc sử dụng bởi lẽ lƣợng 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 phƣơng pháp điện hoá để xử lý nƣớc thải công nghiệp ngƣời ta ít dùng điện cực PbO2 mà thƣờng 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 trƣờng [5, 6, 7, 8]. 1
  14. Nếu giảm đƣợc mức độ hòa tan trong quá trình oxy hóa xử lý môi trƣờng nƣớc thải chứa tạp chất hữu cơ, cũng nhƣ đồng thời tăng đƣợc độ dẫn, hiệu suất dòng điện, sẽ mở rộng đƣợc phạm vi ứng dụng của vật liệu điện cực anôt PbO2. Chính vì những lý do trên mà đề tài: “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” đã đƣợc đặt ra. Mục tiêu của luận án: - Chế tạo điện cực anôt Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2, khảo sát cấu trúc, hình thái và tính chất của điện cực chế tạo đƣợc; - Nghiên cứu tính chất điện hóa của điện cực chế tạo đƣợc trong dung dịch có chứa hợp chất hữu cơ: Xác lập quan hệ giữa các thông số nhƣ 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 nƣớc thải thực tế có chứa hợp chất hữu cơ. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Cùng với xu thế chung trên thế giới về quản lý và kiểm soát môi trƣờng, 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 đƣợc thực hiện nhằm vào việc đƣa ra các cơ sở khoa học phục vụ cho việc xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp điện hóa một cách hiệu quả, thực thi và giảm giá thành, đóng góp vào công cuộc bảo vệ môi trƣờng nói chung. Hiện nay ở Việt Nam mới chế tạo và ứng dụng các hệ anôt truyền thống nhƣ graphit, PbO2, còn hệ anôt trên cơ sở titan đƣợc phủ hỗn hợp oxyt SnO2, Sb2O3, PbO2 chƣa có nghiên cứu nào. Đây là loại vật liệu anôt có những tính chất ƣu việt hơn hẳn các loại anôt truyền thống nhƣ độ bền ăn mòn cao, xúc tác điện hóa tốt, mật độ dòng hoạt động lớn Việc nghiên cứu chế 2
  15. tạo vật liệu anôt trơ trên cơ sở các oxyt kim loại chuyển tiếp dẫn điện bằng phƣơng 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 trƣờng. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 + Khảo sát các điều kiện của quá trình chế tạo điện cực ảnh hƣởng tới tính chất điện cực: chất xử lý bề mặt nền Titan, môi trƣờng điện ly, nhiệt độ nhiệt phân, thời gian điện kết tủa; + Phân tích sự ảnh hƣởng 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 ƣu chế tạo điện cực có tính chất tốt, có khả năng ứng dụng cao. - Nghiên cứu đặc tính điện hóa của điện cực đã chế tạo trong dung dịch có chứa chất hữu cơ (phenol): + Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng tới khả năng oxy hóa phenol: loại vật liệu, thế điện phân, mật độ dòng, pH, nhiệt độ, thành phần chất điện ly + Phân tích sự ảnh hƣởng của các yếu tố tới khả năng oxy hóa chất hữu cơ, từ đó tìm ra điều kiện tối ƣu cho việc xử lý phenol; + Khảo sát khả năng ứng dụng của điện cực chế tạo đƣợc vào xử lý mẫu nƣớc thải thực tế. Đối tƣợng, phƣơng pháp 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 đƣợc nghiên cứu chủ yếu trong các môi trƣờng có Cl- và môi trƣờng axit nhằm chế tạo anôt có tính chất tốt và trong một số môi trƣờng khác cho quá trình xử lý chất hữu cơ độc hại khó phân huỷ nhƣ phenol. 3
  16. Phương pháp nghiên cứu là phƣơng pháp thực nghiệm. Bằng phƣơng 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 đƣợc khảo sát bằng phƣơng pháp phân tích nhiệt vi sai và nhiệt trọng lƣợng, các phƣơng pháp phân tích cấu trúc và hình thái học (hiển vi điện tử quét SEM, nhiễu xạ tia X), các phƣơng pháp điện hóa. Các phƣơng pháp phân tích sắc ký lỏng cao áp (HPLC), nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand - COD) đƣợc sử dụng để đánh giá quá trình và hiệu quả oxy hóa chất hữu cơ cần nghiên cứu. 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. Cấu trúc của luận án Phần mở đầu giới thiệu lý do chọn đề tài, mục đích, đối tƣợng, phƣơng pháp, phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Phần tổng quan: Trình bày những vấn đề chính: 1. Kỹ thuật oxy hóa điện hóa cho xử lý nƣớc thải 2. Giới thiệu về vật liệu điện cực, tình hình nghiên cứu, cách chế tạo và một số ứng dụng vật liệu điện cực anôt trơ trong công nghệ điện hóa 3. Cơ sở lựa chọn điện cực anôt hệ Ti/ SnO2-Sb2O3/PbO2 4. Tổng quan về nƣớc thải có chứa hợp chất hữu cơ Phần kết quả và thảo luận: gồm 2 chương Chƣơng 2 trình bày các vấn đề: 1. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất sử dụng trong quá trình nghiên cứu. 2. Nội dung thực nghiệm và phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 3 trình bày các kết quả nghiên cứu và thảo luận. Phần kết luận trình bày các kết quả chính của luận án Các kết quả chủ yếu của luận án đã đƣợc công bố ở 8 bài báo đã đăng trên các tạp chí khoa học trong nƣớc và hội nghị chuyên ngành. 4
  17. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Kỹ thuật oxy hóa điện hóa cho xử lý nƣớc thải Trong thời gian gần đây, công nghệ điện hóa đã đƣợc nghiên cứu rộng rãi để ứng dụng xử lý nƣớc thải [9, 10]. Trong công nghệ này, các phản ứng điện hóa sử dụng năng lƣợng điện để điều khiển quá trình hóa học Hình 1.1 là một minh họa đơn giản của một hệ điện hóa. Hệ này bao gồm một điện cực dƣơng (anôt) và một điện cực âm (catôt) đặt trong một dung dịch điện phân và cả hai đƣợc nối với một nguồn điện một chiều bên ngoài. Khi có dòng điện chạy qua hệ điện hóa thì trên bề mặt các điện cực sẽ xảy ra các phản ứng điện hóa. Tùy theo mục đích làm việc mà các phản ứng oxy hóa hoặc các phản ứng khử sẽ đƣợc quan tâm và các quá trình xử lý nƣớc thải sẽ xảy ra tại catôt hoặc tại anôt [11, 12]. Nguồn điện - + một chiều A Catốt Anốt Dung dịch điện phân Hình 1.1: Sơ đồ minh họa của một hệ điện hóa Các phƣơng pháp điện hóa thƣờng bao gồm hai thành phần: khử xảy ra trên điện cực âm (catôt) và oxy hóa xảy ra trên điện cực dƣơng (anôt). Vì vậy, điện phân có thể đƣợc áp dụng đối với các chất thải mà nó có thể oxy hóa hoặc khử. Các công nghệ điện hóa thuận lợi là các quá trình điện cực chỉ bao gồm cung cấp (khử) hoặc lấy đi (oxy hóa) điện tử. Về nguyên tắc không cần bổ sung thêm các hóa chất hoặc bổ sung ít hóa chất không độc hại, cho nên công nghệ điện hóa đƣợc coi là một công nghệ “xanh” thân thiện với môi 5
  18. trƣờng. Do đó, ứng dụng của công nghệ điện hóa trong xử lý nƣớc thải ngày càng đƣợc mở rộng [13, 14, 15]. Xử lý điện hóa có thể bao gồm các phƣơng pháp trực tiếp hoặc gián tiếp, các phƣơng pháp gián tiếp bao gồm các cặp oxy hóa – khử hoặc bằng điện phân tạo thành các chất oxy hóa mạnh. Ví dụ cặp oxy hóa – khử kim loại nhƣ Ce4+/ Ce3+ và Co3+/ Co2+, còn các chất oxy hóa gián tiếp nhƣ ClO- và H2O2 [16, 17, 18]. * Ưu điểm: - Độ linh hoạt: Có khả năng xử lý nhiều loại chất ô nhiễm khác nhau với các dạng rắn, lỏng và khí. Có thể sử dụng quá trình oxy hóa, quá trình khử hoặc sự tách pha để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ với khoảng nồng độ thay đổi rộng từ loãng tới đặc và từ thể tích dung tích microlít tới hàng triệu lít. - Hiệu quả năng lượng: Quá trình điện hóa thƣờng làm việc tại nhiệt độ thƣờng nên chi phí cho năng lƣợng thấp hơn so với các quá trình xử lý tƣơng đƣơng khác. Do có thể khống chế đƣợc điện thế làm việc, hệ điện hóa sẽ đƣợc thiết kế phù hợp cho mỗi đối tƣợng làm việc đảm bảo sao cho tổn hao năng lƣợng do phân bố dòng kém, điện áp rơi trên hệ và các phản ứng phụ là nhỏ nhất. - Dễ tự động hóa: Do sử dụng các thông số điện nhƣ dòng điện I và điện thế E nên quá trình điện hóa đặc biệt dễ dàng tự động hóa, góp phần kiểm soát chất lƣợng nƣớc thải và tiết kiệm chi phí sản xuất. - Không gây ô nhiễm môi trường: tác nhân chính sử dụng trong quá trình điện hóa là các electron tham gia trong các phản ứng điện hóa nên phƣơng pháp này rất sạch đối với môi trƣờng. Mặt khác, độ chọn lọc cao của các phản ứng điện hóa xảy ra trên bề mặt điện cực cũng góp phần làm giảm sự tạo thành của các sản phẩm phụ. - Hiệu quả kinh tế: Thiết bị và điều kiện vận hành của quá trình điện hóa tƣơng đối đơn giản. Nếu có thiết kế phù hợp, chi phí đầu tƣ tính trên một đơn vị chất ô nhiễm cũng sẽ không quá cao. 6
  19. * Nhược điểm: - Sự thụ động: Do trong quá trình điện phân có một màng polyme đƣợc tạo thành trên bề mặt điện cực làm thụ động điện cực làm việc. Điều này dẫn tới làm giảm tốc độ phản ứng, giảm hiệu suất làm việc của thiết bị và có thể làm mất khả năng hoạt động của toàn bộ hệ thống. - Giảm độ bền của vật liệu điện cực do sự ăn mòn của hóa chất sau một thời gian làm việc dài. Tùy theo cơ chế phản ứng của các quá trình điện hóa xảy ra trên bề mặt điện cực anôt, phƣơng pháp oxy hóa điện hóa có thể đƣợc chia thành hai nhóm quan trọng: - Oxy hóa trực tiếp trên anôt - Oxy hóa gián tiếp bằng cách sử dụng các chất oxy hóa thích hợp đƣợc tạo thành trong quá trình anôt Khi quá trình điện phân bắt đầu trong hệ điện hóa, tại anôt sẽ xảy ra các phản ứng oxy hóa. Các chất có thể oxy hóa đƣợc trong nƣớc thải sẽ bị oxy hóa để chuyển hóa thành các chất không độc hại hoặc ít độc hại với môi trƣờng. Đối với các chất thải hữu cơ, các sản phẩm cuối cùng sau khi có thể đạt đƣợc sẽ có thể chỉ là CO2 và H2O [19, 20]. Do đó, phƣơng pháp oxy hóa điện hóa hứa hẹn sẽ cung cấp một giải pháp vƣợt trội rất thân thiện với môi trƣờng và không có sản phẩm ô nhiễm thứ cấp. Một ví dụ minh họa cho ƣu thế của phƣơng pháp oxy hóa điện hóa là các kết quả nghiên cứu (hình 1.2) thu đƣợc bởi Sarina J. Ergas và các cộng sự khi so sánh các công nghệ sử dụng để xử lý nƣớc thải trong công nghiệp dệt [21, 22, 23, 24]. Có thể thấy rằng phƣơng pháp điện hóa có hiệu quả cao trong cả vấn đề giảm chỉ số COD trong nƣớc thải cũng nhƣ giảm độ màu trong nƣớc thải nhƣng chi phí tính trên một đơn vị nƣớc thải không cao hơn so với các phƣơng pháp khác [25, 26]. 7
  20. Hình 1.2: Đồ thị so sánh hiệu quả của các phương pháp xử lý nước thải của nhà máy dệt thông qua các yếu tố: chỉ số COD, độ màu và chi phí trên một đơn vị nước thải Hình 1.3 thể hiện các quá trình điện hóa xảy ra trên bề mặt điện cực anôt trong quá trình điện phân xử lý nƣớc thải. Ở đây M là ký hiệu của vật liệu kim loại dùng làm điện cực anôt. Các chất hữu cơ đƣợc đặc trƣng bởi R sẽ tham gia các phản ứng với M và các sản phẩm đƣợc tạo ra trong quá trình điện phân nhƣ O, H+ [27, 28, 29]. Hình 1.3: Cơ chế oxy hóa các hợp chất hữu cơ bằng phương pháp điện hóa trên điện cực anôt 8
  21. * Oxy hóa anôt trực tiếp: Quá trình oxy hóa trực tiếp bao gồm các giai đoạn a, e và f (hình 1.3). • Tác nhân O2 hoạt hóa đƣợc tạo thành là gốc OH hấp phụ vật lý trên bề mặt điện cực anôt (giai đoạn a). Trong trƣờng hợp này, tƣơng tác giữa gốc OH• và anôt là yếu. Do đó, khi các chất hữu cơ xuất hiện tại tại anôt, gốc OH• sẽ oxy hóa các chất thải hữu cơ theo phản ứng: • + - M(OH ) + R M + mCO2 + nH2O + H + e (1.1) •. Phản ứng này sẽ bị cạnh tranh bởi phản ứng tạo thành O2 từ gốc OH : • + - M(OH ) + R M + ½ O2 + H + e (1.2) Vật liệu anôt trong cơ chế này không chỉ đóng vai trò là nguồn cung cấp điện tử cho quá trình oxy hóa chất thải mà còn có vai trò xúc tác cho sự • hấp phụ của gốc OH và hạn chế phản ứng phụ thoát O2. Tƣơng tác giữa gốc OH• và điện cực càng yếu thì khả năng phản ứng oxy hóa các chất hữu cơ càng thấp [30, 31, 32]. Oxy hóa điện hóa các chất ô nhiễm có thể xảy ra trực tiếp trên anôt thông qua việc tạo thành oxy hoạt hóa đƣợc hấp thụ vật lý (các gốc hydroxyl hấp thụ OH•) hoặc oxy hoạt hóa hấp thụ hóa học (oxy trong mạng tinh thể oxyt MOx+1). Quá trình này thƣờng đƣợc gọi là oxy hóa anôt hay oxy hóa trực tiếp và quá trình oxy hóa anôt đã đƣợc mô tả bởi Comninellis[33, 34]; Oxy hóa điện hóa biến đổi các chất ô nhiễm độc hại không thể xử lý bằng vi sinh thành những chất hữu cơ có thể xử lý bằng vi sinh, vì vậy sau khi oxy hóa điện hóa dung dịch cần đƣợc xử lý bằng vi sinh. Ngƣợc lại, “đốt cháy điện hóa” là oxy hóa điện hóa hoàn toàn thành CO2 và H2O và vì vậy không cần phải xử lý tiếp. Tuy nhiên, tính khả thi của quá trình này phụ thuộc vào 3 thông số sau: (1) sự tạo thành các gốc hydroxyl hấp thụ hóa học hoặc vật lý, (2) bản chất tự nhiên của vật liệu anôt và (3) quá trình cạnh tranh với phản ứng thoát oxy [35, 36]. Oxy hóa điện hóa trực tiếp không cần cho thêm một lƣợng lớn hóa chất vào trong nƣớc thải; hơn nữa không có khả năng tạo thành những sản phẩm 9
  22. độc hại thứ cấp. Những ƣu điểm này đã làm cho oxy hóa điện hóa trực tiếp có sức hút hơn các quá trình oxy hóa khác. Thông số quan trọng nhất trong quá trình này là vật liệu anôt [38, 39, 40, 41]. * Oxy hóa anôt gián tiếp: Oxy hóa anôt gián tiếp là quá trình sử dụng một chất đƣợc tạo thành từ phản ứng điện hóa tại anôt làm chất phản ứng để oxy hóa các chất ô nhiễm thành những sản phẩm ít độc hại hơn. Chất này đóng vai trò nhƣ một chất trung gian vận chuyển điện tử giữa các chất ô nhiễm và điện cực trong hệ điện hóa. Có nhiều loại chất trung gian khác nhau đƣợc tạo ra trên anôt tùy theo mục đích sử dụng và chúng đƣợc phân loại theo cơ chế của phản ứng oxy hóa. Hình 1.3 cũng minh họa cơ chế của một quá trình oxy hóa gián tiếp sử dụng tác nhân trung gian là O2 hoạt hóa gồm các giai đoạn a, b, c, và d. Sau giai đoạn hấp phụ gốc OH•, gốc này tƣơng tác với anôt và tạo thành ôxít MO theo phản ứng: • + - M(OH ) MO + H + e (1.3) Cặp oxy hóa – khử MO/M sẽ đóng vai trò nhƣ một chất trung gian cho phản ứng oxy hóa các chất hữu cơ theo phản ứng: MO + R M + RO (1.4) Hiệu quả của quá trình oxy hóa gián tiếp phụ thuộc vào 3 thông số: - Sự tạo thành của gốc oxy hóa trung gian - Bản chất của vật liệu anôt - Sự cạnh tranh của phản ứng tạo ra gốc oxy hóa trung gian với phản ứng thoát oxy trên điện cực anôt. Bên cạnh các chất trung gian có thể tái sinh, oxy hóa gián tiếp còn có thể làm việc trong các hệ liên quan tới các chất oxy hóa không thuận nghịch nhƣ Cl2, HClO, peroxyt và O3. Các chất này đƣợc tạo ra từ phản ứng điện cực tại anôt và có thể đƣợc dùng để phá hủy các chất ô nhiễm. Các chất oxy hóa - trung gian không thuận nghịch đƣợc dùng nhiều nhất là Cl2 và ClO đƣợc tạo 10
  23. ra trong quá trình điện phân Cl- [2, 31, 33, 42]. Trong hầu hết các trƣờng hợp, cả hai loại chất ô nhiễm hữu cơ cũng nhƣ vô cơ sẽ bị loại bỏ khi nồng độ của Cl- cao, điển hình là lớn hơn 3g/l. Tuy nhiên, các hợp chất trung gian hoặc sản phẩm cuối cùng bị clo hóa có thể đƣợc tạo thành trong quá trình điện phân nên đã gây trở ngại cho khả năng ứng dụng rộng rãi của phƣơng pháp này. Một số chất thƣờng dùng trong điện phân gián tiếp đƣợc liệt kê trong bảng 1.1 [11, 43]. Bảng 1.1: Thế khử chuẩn của một số cặp oxy hóa khử thường được dùng trong lĩnh vực xử lý nước thải bằng phương pháp oxy hóa điện hóa Cặp oxy hóa khử Thế khử chuẩn Cặp oxy hóa khử Thế khử chuẩn (V/NHE) (V/NHE) • - - H2O/OH 2,80 ClO2 /Cl 1,55 2+ + O3 /O2 2,07 Ag /Ag 1,50 2- 2- - S2O8 /SO4 2,00 Cl2/ Cl 1,36 2- 2- 3+ MnO4 /MnO2 1,70 Cr2O7 /Cr 1,33 H2O2/H2O 1,77 Những yêu cầu cơ bản cho một quá trình oxy hóa gián tiếp có hiệu suất cao là: - Giá trị điện thế tại đó các chất trung gian đƣợc tạo thành không đƣợc quá gần giá trị điện thế của các quá trình thoát oxy và thoát hyđrô. - Tốc độ của phản ứng tạo thành các chất trung gian cần phải lớn. - Tốc độ của phản ứng giữa chất trung gian với các chất ô nhiễm cần phải lớn hơn tốc độ của các phản ứng cạnh tranh khác. - Sự hấp phụ của các chất ô nhiễm cần phải là nhỏ nhất. 11
  24. 1.2. Vật liệu điện cực anôt 1.2.1. Giới thiệu chung về vật liệu điện cực Công nghệ điện hóa đang ngày càng phát huy đƣợc tác dụng trong nhiều lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật, đặc biệt trong công nghệ tổng hợp các hóa chất, vật liệu mới và xử lý ô nhiễm môi trƣờng. Để nghiên cứu ứng dụng một cách hiệu quả các quá trình điện hóa nói chung và oxy hóa điện hóa nói riêng cần thiết phải có những hệ thiết bị và phƣơng pháp nghiên cứu thích hợp, trong đó bản chất các loại vật liệu dùng làm điện cực anôt có vai trò hết sức quan trọng [12, 44, 45]. Vật liệu điện cực là một trong những yếu tố quan trọng xác định chiều hƣớng của phản ứng điện cực, quyết định tốc độ phản ứng, hiệu suất và chất lƣợng sản phẩm điện phân. Vật liệu điện cực thƣờng phải thoả mãn các điều kiện sau: dẫn điện tốt, có tác dụng xúc tác điện hóa hiệu quả đối với những phản ứng mong muốn, chịu đƣợc sự ăn mòn hóa chất, bền cơ học, dễ tạo dáng, giá cả hợp lý [28, 29, 46] . Việc lựa chọn điện cực phải đƣợc xem xét cẩn thận bởi vì vật liệu điện cực và việc xử lý hoặc thay đổi bề mặt của nó có thể làm thay đổi hoàn toàn cơ chế quá trình phản ứng, tính chất sản phẩm trung gian, các sản phẩm phụ và do đó sẽ làm thay đổi đặc tính của sản phẩm cuối cùng. Trong công nghệ xử lý môi trƣờng nƣớc thải công nghiệp thì đây là một đặc điểm rất cần lƣu ý [27, 30, 38, 47]. Tính chất của vật liệu điện cực thƣờng đƣợc thể hiện qua quá thế của phản ứng trên điện cực, đó là đại lƣợng biểu thị sự thích hợp giữa khả năng của điện cực và chất tham gia phản ứng trên điện cực. Trong quá trình oxy hóa anôt trong môi trƣờng nƣớc, quá thế oxy của điện cực là một yếu tố quan trọng và có ý nghĩa nhƣ quá thế hydro của quá trình khử. Tuy nhiên việc lựa chọn vật liệu điện cực anôt có quá thế oxy khác nhau bị hạn chế khi xem xét đến tính chất ăn mòn của vật liệu [38, 48]. 12
  25. Nhiệm vụ khó khăn chính của việc phát triển công nghệ xử lý nƣớc thải hữu cơ bằng phƣơng pháp điện hóa là tìm kiếm những vật liệu anôt không độc hại, có khả năng oxy hóa gián tiếp hoặc trực tiếp và các điều kiện điện phân để có thể chuyển đổi chất thải hữu cơ độc hại thành những chất không độc hại với hiệu suất dòng cao. Các tính chất cần thiết khác của điện cực bao gồm giá thành thấp, không độc hại, độ bền và ổn định cao và độ hoạt hóa cao. Vấn đề hiệu suất dòng cũng đặc biệt chú ý bởi vì trong quá trình điện phân nƣớc để tạo thành các gốc hydroxyl OH• mong muốn thì oxy cũng đƣợc tạo thành và đây là sản phẩm không mong muốn, nó làm giảm hiệu suất dòng. Do đó vật liệu anôt phải có quá thế cao đối với quá trình thoát oxy mới có thể oxy hóa trực tiếp các chất hữu cơ độc hại [41, 49, 50]. Về tổng thể, anôt hữu ích phải thoả mãn ba yêu cầu chính sau: dẫn điện tốt, có khả năng xúc tác điện hóa và bền vững. Dẫn điện tốt là cần thiết để làm tăng hiệu quả sử dụng điện (không tốn điện). Những tính chất xúc tác điện hóa tốt là quan trọng để làm tăng độ sạch sản phẩm và hiệu quả điện phân. Anôt bền vững (hao mòn ít) sẽ kéo dài tuổi thọ của anôt, không gây bẩn sản phẩm và giảm giá thành trong việc duy trì bảo dƣỡng. Ngoài ra, vật liệu điện cực anôt phải có điện trở nhỏ, tản nhiệt tốt, ít xảy ra phản ứng phụ, chịu nhiệt độ cao; có giá thành hợp lý, chế tạo đơn giản và không gây ô nhiễm môi trƣờng [51, 52]. 1.2.2. Một số loại vật liệu dùng để chế tạo điện cực anôt Về mặt lý thuyết, bất kỳ vật dẫn điện tử nào cũng có thể sử dụng làm điện cực anôt, nhƣng chỉ có một số vật liệu đƣợc sử dụng trong thực tế, thoả mãn các điều kiện: giá thành thấp, có tính chất điện hóa hợp lý và có độ bền ăn mòn cao. Các vật liệu chế tạo anôt thƣờng dùng là: - Graphit: Vật liệu này có độ bền hóa cao, độ tiêu hao lớn 2 - 5 kg/A.năm, phụ thuộc mật độ dòng phân cực; độ dẫn điện khá lớn, có thể chế tạo ở các dạng khác nhau, gia công dễ dàng. Tính chất phụ thuộc khá nhiều vào công nghệ chế tạo. Tuy nhiên, nó không bền cơ học, chịu mài mòn kém, 13
  26. dễ nứt vỡ; chỉ sử dụng rộng rãi trong môi trƣờng ít chịu tác động của ngoại lực. - Chì và hợp kim của chì: Có độ bền cơ học cao, mật độ dòng lớn 100- 200 A/m2; dùng trong nhiều môi trƣờng khác nhau, cả môi trƣờng có độ xâm thực lớn; công nghệ chế tạo đơn giản. Nhƣng lại dễ tạo ra lớp màng đặc sít, bám chắc trên bề mặt vật liệu, tăng điện trở làm tiêu hao điện, cản trở sự hoạt động của điện cực Pb; gây ô nhiễm môi trƣờng rất lớn [54, 55, 56]. - Thép không gỉ: Thép chứa một hàm lƣợng lớn các nguyên tố Cr, Ni, Si có độ bền chống ăn mòn cao, tuy nhiên do có chứa các phụ gia trên nên dễ dàng tạo ra các màng thụ động [55]. - Hợp kim nhôm, kẽm: Đa số hợp kim nhôm có tính bền cơ học cao và đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong kiến trúc, xây dựng và các ngành công nghệ cao sản xuất ô tô, máy bay, các dụng cụ nhà bếp. Hợp kim nhôm, kẽm đƣợc sử dụng làm vật liệu anôt tan trong bảo vệ kim loại của các công trình trong môi trƣờng xâm thực; đóng vai trò là anôt hy sinh. Trong quá trình điện phân các ion Al3+, Zn2+ tan ra từ điện cực anôt đóng vai trò là tâm keo tụ tách các tạp chất trong nƣớc thải. Các vật liệu này có lƣợng tiêu hao điện cực lớn, khả năng làm việc hạn chế ở mật độ dòng cao [58, 59]. - Titan và hợp kim titan Titan có khả năng kéo dãn tốt, nhẹ, chống ăn mòn tốt và khả năng chịu đƣợc nhiệt độ rất cao. Có độ bền cơ, độ bền hóa rất cao trong nhiều môi trƣờng, tốc độ ăn mòn thấp; mật độ dòng lớn 800 – 1000 A/m2, có tính chất tốt. Hợp kim titan đƣợc dùng chủ yếu trong hàng không, tàu hải quân, tên lửa, trong ngành kỹ thuật công nghiệp. Titan có chứa các tạp chất của oxy, nitơ, sắt, silic và cacbon tăng độ dẻo và giảm tác động khi nhiệt độ cao. Trong các hợp chất titan chủ yếu tồn tại trạng thái oxy hóa là 4, hiếm khi ở trạng thái oxy hóa là 3 và 2. Khả năng chống ăn mòn cao do sự hiện diện trên bề mặt một tấm màng oxyt mỏng. Titan bền trong nƣớc biển, trong dung dịch clorua, – ClO , HNO3, oxalic, formic Titan không bền khi có mặt các chất oxy hóa 14
  27. nhƣ trong H2SO4 và HCl tinh khiết, hypoclorit nhƣng lại bền trong axit có 3+ 2+ chứa các ion Fe (FeCl3) hoặc Cu (CuCl2) [53, 60]. Trong mỗi công nghệ mới, vật liệu anôt đóng một vai trò quan trọng. Một điện cực lí tƣởng dùng trong quá trình oxy hóa anôt phải đảm bảo đƣợc các tiêu chuẩn: độ bền cao, độ dẫn điện tốt, có khả năng xúc tác chọn lọc cho các phản ứng oxy hóa tại anôt và có quá thế cao cho phản ứng thoát oxy để đảm bảo hiệu suất cao cho quá trình oxy hóa các chất thải. Chính vì nguyên nhân trên trong lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp điện hóa để xử lý nƣớc thải công nghiệp ngƣời ta thƣờng sử dụng các vật liệu anôt trơ. Bảng 1.2 [43] đƣa ra sự so sánh quá thế thoát oxy trên những vật liệu anôt đƣợc nghiên cứu nhiều nhất. Bảng 1.2: Điện thế thoát oxy trên các anôt khác nhau Anôt E [V(NHE)] Điều kiện Anôt E [V(NHE)] Điều kiện Pt 1,3 0,5M H2SO4 SnO2 1,9 0,5M H2SO4 IrO2 1,6 0,5M H2SO4 Si/BDD 2,3 0,5M H2SO4 Graphit 1,7 0,5M H2SO4 Ti/BDD 2,7 0,5M H2SO4 PbO2 1,9 1M HClO4 1.2.3. Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của anôt Cơ chế hoà tan của anôt phủ oxyt phụ thuộc vào điều kiện làm việc, nhƣ nồng độ ion Cl-, nhiệt độ, pH và mật độ dòng. Việc đánh giá thời gian sống của anôt cũng đã đƣợc nghiên cứu, song cũng rất khó khăn vì tốc độ hoà tan rất chậm dƣới điều kiện hoạt động bình thƣờng và những thử nghiệm gia tốc hoàn toàn không giống các điều kiện bình thƣờng. Các thử nghiệm gia tốc thƣờng đƣợc thực hiện trong dung dịch axit với nồng độ ion Cl- thấp và mật độ dòng cao. Dƣới những điều kiện này quá trình giải phóng oxy chiếm ƣu thế, và thời gian sống của điện cực không những phụ thuộc vào sự ăn mòn của lớp hoạt hoá mà còn phụ thuộc vào khả năng tạo lớp điện trở TiO2 giữa bề mặt nền titan và lớp phủ hoạt hoá [44, 61, 62]. 15
  28. Khi một điện cực oxyt đƣợc nhúng vào trong dung dịch nƣớc thì nó đƣợc che phủ bởi các nhóm H+ hoặc OH- mà nồng độ của chúng sẽ phụ thuộc vào bản chất tự nhiên của oxyt. Sự hấp phụ các ion lạ sẽ thay thế các ion H+ hoặc OH-. Sự hấp phụ của các anion phụ thuộc vào ái lực hấp phụ đặc biệt của chúng, nồng độ anion và thế điện cực. Ở những điện thế hoạt động bình - thƣờng sự hấp phụ của ion Cl trên bề mặt anôt PbO2 sẽ phụ thuộc vào điện thế. Sự hấp phụ của Cl- giảm khi pH dung dịch tăng. Khi những điều kiện dung dịch không thuận lợi cho việc hấp phụ ion Cl- thì những cấu tử chứa oxy sẽ hấp phụ lên trên các điểm hoạt hoá và nhƣ vậy khả năng phản ứng giải phóng oxy sẽ tăng lên [63, 64]. a) Ảnh hưởng của mật độ dòng đến tốc độ hoà tan anôt. Tăng mật độ dòng sẽ làm tăng tốc độ chuyển điện tích và điện thế của anôt, và tốc độ của các phản ứng riêng biệt sẽ tăng theo tính chất phân cực của chúng, ví dụ nhƣ trong trƣờng hợp đơn giản nhất là theo các hệ số Tafel của chúng. Trong điện phân xút-clo hàm lƣợng oxy của khí thu đƣợc giảm khi mật độ dòng tăng. Nguyên nhân là do phản ứng thoát clo có hệ số Tafel thấp hơn hệ số Tafel của phản ứng thoát oxy, cho nên tốc độ riêng phần của phản ứng thoát clo tăng nhanh hơn tốc độ riêng phần của phản ứng thoát oxy khi mật độ dòng điện phân tăng. Tuy nhiên, điều đó không có thể ức chế tốc độ hoà tan anôt khi mật độ dòng cao, bởi vì tốc độ thoát oxy tuyệt đối cũng nhƣ tốc độ hoà tan anôt sẽ tăng khi mật độ dòng tăng. Nhƣ vậy, trong sản xuất khí clo thì lƣợng anôt tiêu thụ sẽ giảm so với lƣợng khí clo đƣợc sản xuất khi mật độ dòng tăng, trong khi đó trong bảo vệ catôt thì sử dụng mật độ dòng thấp hơn sẽ kéo dài thời gian hoạt động của anôt. Sự hoà tan oxyt kim loại (ví dụ nhƣ PbO2) xảy ra đồng thời và liên quan với sự thoát oxy. Điều đó đƣa đến giả thiết rằng ở một điện thế hoặc một mật độ dòng tới hạn, tốc độ thoát oxy quá thấp thì sự hoà tan của lớp oxyt coi nhƣ không xảy ra. 16
  29. b) Ảnh hưởng của nồng độ Cl- đến tốc độ hoà tan anôt. Tốc độ hoà tan anôt phụ thuộc vào quá trình thoát oxy, trong khi đó phản ứng thoát clo và oxy xảy ra trên bề mặt anôt là các phản ứng cạnh tranh và phụ thuộc vào nồng độ Cl-. Tốc độ thoát oxy riêng phần tăng với sự giảm nồng độ Cl-. Ví dụ khí clo đƣợc sản xuất trong các bể xút-clo chứa khoảng 2- 3% oxy, nhƣng trong sản xuất hypochlorit khí thoát ra của quá trình anôt có thể chứa trên 10% oxy. Tuy nhiên, không có thể xác định đƣợc rõ ràng phần oxy tạo thành do phân huỷ nƣớc và phần oxy do oxy hoá các hợp chất oxy của clo. Điều đó rất quan trọng vì chỉ có quá trình thoát oxy bằng điện hoá mới cho là gây nên sự hoà tan của oxyt kim loại. Khi những điều kiện phù hợp cho sản xuất clo thì phần lớn oxy đƣợc tạo thành bằng hoá học, nhƣng phần oxy đƣợc tạo thành do điện hoá (do phân huỷ nƣớc) sẽ tăng khi điều kiện bắt đầu ƣu tiên quá trình thoát oxy. c) Ảnh hưởng của pH đến tốc độ hoà tan anôt. Ảnh hƣởng của pH dung dịch dẫn đến hao mòn anôt là do sự thay đổi tốc độ phản ứng thoát oxy và clo. Tăng pH, về mặt nhiệt động sẽ làm dễ dàng quá trình thoát oxy, nhƣng tốc độ thoát clo cũng thấy tăng khi tăng pH. Độ axit trong các lỗ xốp của anôt tăng lên trong quá trình hoạt động do đó tốc độ thoát oxy giảm và nhƣ vậy tốc độ hòa tan bên trong anôt sẽ bị hạn chế. Ảnh hƣởng của pH đến hoà tan anôt trên cơ sở hỗn hợp oxyt kim loại là khá phức tạp do những oxyt kim loại có độ bền ăn mòn khác nhau [11, 52]. 1.2.4. Chế tạo điện cực anôt oxyt bằng phương pháp phân huỷ nhiệt Các kỹ thuật sử dụng để chế tạo điện cực oxyt phải đạt đƣợc những mục đích sau: (1) độ dẫn cao; (2) lớp phủ hoạt hóa phải mỏng để cho giá thành thấp nhất và để giảm ảnh hƣởng có thể đến độ dẫn của lớp phủ; (3) việc chế tạo điện cực nhanh và dễ dàng; (4) lớp phủ có độ ổn định cơ học cao. Anôt trơ trên cơ sở hỗn hợp oxyt kim loại thƣờng đƣợc chế tạo từ kim loại nền và lớp phủ hoạt hóa điện hóa. Kim loại nền có khả năng thụ động, 17
  30. bền hóa học và điện hóa dƣới tác dụng của dòng anôt nhƣ titan hoặc tantali. Lớp phủ hoạt hóa là lớp hỗn hợp oxyt kim loại trong đó có oxyt kim loại chuyển tiếp dẫn điện. Hỗn hợp oxyt kim loại gồm những oxyt hoạt hóa và oxyt trơ, thành phần hoạt hóa thƣờng là RuO2 và IrO2 và thành phần trơ thƣờng là TiO2, Ta2O5, SnO2 để tăng độ bền của anôt và giảm giá thành [65, 66, 67]. Chức năng của lớp phủ hoạt hóa là cung cấp dòng điện đến bề mặt tiếp giáp điện cực - dung dịch và giữ cho các phản ứng anôt theo yêu cầu xảy ra. Về nguyên tắc có nhiều phƣơng pháp có thể sử dụng để chế tạo lớp oxyt trên các nền khác nhau nhƣ phƣơng pháp điện phân, phƣơng pháp lắng đọng hóa học pha hơi CVD, phƣơng pháp sol-gel , nhƣng trong thực tế phương pháp phân huỷ nhiệt lớp dung dịch muối phủ trên bề mặt nền (titan) thƣờng đƣợc sử dụng do kỹ thuật đơn giản nhƣng hiệu quả, tính chất lớp phủ tốt, diện tích bề mặt thực cao (tăng độ hoạt hóa), đáp ứng tốt nhất các yêu cầu kỹ thuật của vật liệu điện cực anôt. Các bƣớc cơ bản bao gồm hòa tan hợp chất chứa kim loại cần tạo oxyt trong dung dịch phù hợp, phủ dung dịch đó trên nền chẳng hạn Ti đã đƣợc xử lý bề mặt và nung ở nhiệt độ đƣợc chọn. Việc lựa chọn nhiệt độ nung phụ thuộc vào vật liệu ban đầu để tạo oxyt và bản chất vật liệu nền. Thông thƣờng nhiệt độ nung phải đủ lớn để đảm bảo sự phân huỷ lớn nhất nhƣng đủ thấp để tránh quá thiêu kết sản phẩm cuối cùng. Việc tạo ra một số lớp phủ oxyt kim loại từ phƣơng pháp phân hủy nhiệt các muối đƣợc tóm tắt trong bảng 1.3 [7, 41, 49, 68] (thay bằng TL 62, 69,70) 18
  31. Bảng 1.3: Một số vật liệu anôt được chế tạo bằng phương pháp phân huỷ nhiệt Anôt Quy trình chế tạo RuO2 Muối RuCl3 đƣợc hòa tan trong isopropanol hoặc butanol. Sau mỗi o o lần phủ dung dịch, mẫu đƣợc sấy ở 50 C, sau đó nung ở 300-500 C [69] o IrO2 Chế tạo tƣơng tự nhƣ RuO2 từ IrCl4 và nhiệt độ nung từ 400-550 C [69] PtO2 H2PtCl6 đƣợc hòa tan trong dung dịch axit, phủ lên nền titan, sấy ở nhiệt độ 100 oC, sau đó nung ở 350-450 oC [70] MnO2 Có thể chế tạo bằng phƣơng pháp điện phân hoặc phân huỷ nhiệt. Trong phƣơng pháp phân huỷ nhiệt, dung dịch Mn(NO3)2 đƣợc dùng o làm dung dịch phủ và nhiệt độ nung là 190-200 C [70] SnO2 Muối SnCl4 đƣợc hòa tan trong isopropanol hoặc butanol. Sau mỗi lần phủ dung dịch, mẫu đƣợc sấy ở 50-60 oC, sau đó nung ở 300-500 oC[62, 70]. 1.3. Tình hình nghiên cứu điện cực anôt trơ và ứng dụng của chúng Điện cực anôt trơ (dimensionally stable anodes - DSA) là loại điện cực đặc biệt của hỗn hợp các oxyt kim loại chuyển tiếp (SnO2, IrO2, RuO2, Sb2O3 ) phủ trên nền titan. Chúng là những loại điện cực mới có độ bền điện hóa, hóa học và hoạt tính xúc tác cao đã và đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới nhằm nâng cao tính năng và mở rộng phạm vi ứng dụng của anôt trong các lĩnh vực điện hóa khác nhau [23, 61, 62, 71]. Cho đến nay, trên thế giới nhiều hệ anôt trơ dựa trên DSA đã đƣợc phát triển và sử dụng rộng rãi trong các công nghệ điện hóa khác nhau nhƣ công nghệ điện phân: xút-clo, chlorat, tổng hợp các chất hữu cơ , công nghệ bảo vệ catôt chống ăn mòn, công nghệ xử lý môi trƣờng: sản xuất các chất khử trùng và oxy hóa, xử lý nƣớc thải, nƣớc ô nhiễm , do các tính chất ƣu việt của chúng nhƣ độ dẫn điện, khả năng xúc tác điện hóa và độ bền cao so với 19
  32. các loại vật liệu anôt truyền thống khác (graphit, gang ferosilic, magnetit, PbO2 ). Vào những năm 90, hàng loạt hỗn hợp oxyt hai hoặc ba cấu tử đã đƣợc thử nghiệm. Các loại oxyt iridi, ruteni và platin đƣợc chọn làm các cấu tử dẫn điện và xúc tác; còn các oxyt tantali, titan và thiếc đƣợc sử dụng nhƣ các chất ổn định không dẫn điện [60, 72, 73]. Điện cực Pt đƣợc nghiên cứu rộng rãi nhất trong lĩnh vực oxy hóa điện hóa. Điện cực Pt đƣợc ứng dụng rộng rãi để xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ: nƣớc thải urine, thuốc trừ sâu, tannins, các chất ô nhiễm hữu cơ hiện đại. Màng Pt phủ trên Ti cũng đƣợc ứng dụng để loại bỏ các chất nhuộm màu, tannery, axít benzoic và bisphenol-A. Theo Comminellis, sự oxy hóa lựa chọn có thể xảy ra trên điện cực với sự tạo thành PtOx. Hiệu suất đối với điện cực này phụ thuộc rất nhiều vào quá trình chuẩn bị chế tạo điện cực. Các điện cực Pt cải tiến với các chất bổ sung nhƣ Pt/WOx và Ti/Pt-Ir cũng đã đƣợc nghiên cứu để oxy hóa các axit cacboxylic và các chất nhuộm màu. Trong cả hai nghiên cứu, hiệu suất dòng cao (80-100%) và gần 99% axit và gần 50% chất nhuộm màu đã đã bị oxy hóa [19, 33, 34, 63, 77]. Comninellis và cộng sự đã nghiên cứu oxy hóa điện hóa của phenol trên điên cực Pt cho xử lý nƣớc thải. Dung dịch điện phân là Na2SO4 150g/l với pH là 3 và 12,5 và nồng độ phenol là 1,2 ,4, 10 mmol/l. Kết quả thu đƣợc là chỉ số oxy hóa EOI không phụ thuộc vào mật độ dòng điện phân và nhiệt độ mà chỉ phụ thuộc vào pH và nồng độ phenol. Kết quả phân tích các hợp chất trung gian tạo thành trong phản ứng chứng minh hai con đƣờng oxy hóa của phenol: Oxy hóa hóa học với sự tạo thành của gốc OH• và oxy hóa trực tiếp của các phân tử phenol hấp phụ trên bề mặt điện cực và/hoặc các hợp chất trung gian của nó thành CO2. TiO2 đƣợc sử dụng trong xử lý nƣớc thải nhƣ một chất quang xúc tác. Bằng cách thêm vào Nb và Ta, độ dẫn của TiO2 đƣợc cải thiện cho phép sử dụng nhƣ một chất xúc tác điện hóa cho quá trình oxy hóa chất ô nhiễm. Điện 20
  33. cực này thƣờng đƣợc chế tạo bằng cách nung nền Ti phủ màng Nb hoặc Ta bổ sung cho TiO2 [7, 15, 18, 47]. Điện cực TiO2 bền tại mật độ dòng thấp (<30A/m2) nhƣng tuổi thọ của nó giảm đáng kể khi làm việc tại mật độ dòng cao [67, 79]. Điện cực màng kim cƣơng BDD là một vật liệu hiệu quả cho sự phá hủy các chất ô nhiễm nhƣ amoni, CN-, phenol, chlorophenol, aniline, chất nhuộm màu, chất hoạt động bề mặt và nhiều hợp chất khác[72, 80, 81]. Không nhƣ các điện cực khác, màng BDD đƣợc kết tủa trên Si, Ta, Nb, và W bằng phƣơng pháp bay hơi hóa học (CVD) và có độ bền điện hóa cao. Tuy nhiên, chỉ có điện cực BDD trên nền Si đƣợc ứng dụng rộng rãi mặc dù nó có những nhƣợc điểm là dễ vỡ và độ dẫn của nền Si là tƣơng đối thấp. Mặt khác, khả năng ứng dụng của BDD trên nền Nb, Ta và W là khó thực hiện do chi phí cho vật liệu nền quá cao [58]. Ti có đầy đủ các ƣu điểm của một vật liệu nền hoàn hảo nên điện cực Ti/BDD đã và đang đƣợc nghiên cứu sử dụng để phân hủy một số chất ô nhiễm nhƣ các chất nhuộm màu, các axit cacboxylic, và các hợp chất phenol [58, 81, 82, 83, 84]. Carey và đồng nghiệp đã có Patent về sử dụng điện cực Si/ BDD để oxy hóa các chất ô nhiễm hữu cơ. Comninellis và cộng sự cũng đã nghiên cứu oxy hóa anôt của một chất hữu cơ trên Si/BDD cũng nhƣ cơ chế mà các chất này bị oxy hóa tại bề mặt điện cực. Giá trị hiệu suất dòng nhận đƣợc rất cao, thay đổi từ 33,4% đến hơn 95% phụ thuộc vào bản chất của chất ô nhiễm và điều kiện oxy hóa. Beck cũng đã thu đƣợc kết quả nhƣ Comninellis khi so sánh các điện cực Si/BDD, Ti/SnO2, Ta/PbO2 và Pt cho oxy hóa phenol. Với điện lƣợng đi qua dung dịch là 20Ah, TOC giảm từ 1500 tới 50mg/l với Si/BDD và khoảng 300, 650 và 950g/l với các điện cực Ti/SnO2, Ta/PbO2 và Pt tƣơng ứng [1, 5, 13, 20, 30-33]. P.L.Hagans và các cộng sự đã nghiên cứu quá trình oxy hóa điện hóa phenol trên điện cực màng kim cƣơng BDD. Thí nghiệm sử dụng một hệ điện phân tuần hoàn với dung dịch H2SO4 0,1M và phenol 10mM. Các phép đo quét thế vòng CV đã chỉ ra rằng quá trình oxy hóa của phenol bởi điện cực 21
  34. BDD vẫn tiếp tục xảy ra sau nhiều chu kỳ đo CV. Kết quả phân tích tổng cacbon hữu cơ TOC cho thấy sự thay đổi của TOC phụ thuộc vào thời gian điện phân và dòng diện đi qua hệ. TOC có thể giảm tới < 0,1% đã chứng tỏ một quá trình chuyển hóa hòan toàn của phenol thành CO2. [41, 49, 85] Để so sánh khả năng làm việc của các điện cực hoạt hóa và điện cực không hoạt hóa, P. Canizaes và các cộng sự đã sử dụng điện cực BDD và điện cực thép không rỉ để điện phân oxy hóa điện hóa phenol. Nghiên cứu đã chỉ ra những sự khác nhau trong tính chất điện hóa của hai loại điện cực. Bề mặt điện cực thép không rỉ thay đổi nhiều trong khi điện phân làm ảnh hƣởng đến quá trình oxy hóa của phenol. Ngƣợc lại điện cực BDD hầu nhƣ không bị thay đổi trong suốt quá trình làm việc. Các thông số nhiệt độ, mật độ dòng điện, nồng độ phenol ban đầu ảnh hƣởng khác nhau đến cả hai loại điện cực. Khi sử dụng điện cực BDD tốc độ chuyển hóa phenol thành CO2 giảm khi tăng nhiệt độ và mật độ dòng điện[15, 86] . Gần đây một số điện cực đa lớp biến tính bao gồm hỗn hợp hai hoặc ba oxyt nhƣ Ti/Sb-SnO2[62], Ti/Ta2O5–IrO2[83], Ti/RuO2–IrO2–TiO2[69], Ti/SnO2–RuO2–IrO2[6], Ti/SnO2-Sb/Ce-PbO2[87] cũng đã đƣợc nghiên cứu và hiệu suất điện hóa đã đƣợc tăng lên. N. Belhadj và cộng sự đã sử dụng các điện cực PbO2 để nghiên cứu động học của quá trình điện phân phá hủy phenol. Ba loại điện cực đã đƣợc sử dụng là Ti/PbO2, Ti/IrO2-Ta2O5/PbO2, Ti/IrO2-Ta2O5/Bi2O5-PbO2 [6, 83, 84]. Lớp phủ trung gian IrO2-Ta2O5 đƣợc chuẩn bị bằng phƣơng pháp phân hủy nhiệt. Các lớp PbO2 và Bi2O5-PbO2 đƣợc chuẩn bị bằng phƣơng pháp mạ điện. Ảnh hƣởng của ion perchlorate đến quá trình điện cực đƣợc nghiên cứu bằng cách đƣa thêm axít HClO4 vào trong dung dịch mạ điện dùng để chuẩn bị điện cực [39, 88]. Dung dịch điện phân có pH = 2 và nồng độ phenol ban đầu là 21 mM. Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng các ion perchlorate có ảnh hƣởng đến quá trình vận chuyển của các nguyên tử O trên bề mặt điện cực. Mặc dù có cùng tốc độ phân hủy phenol nhƣng điện cực PbO2 chứa ion 22
  35. perchlorate có tốc độ phá hủy 1,4 Benzoquinone thấp hơn 3 lần so với điện cực PbO2. Khi có thêm sự bổ sung của Bi thì hiệu suất phân hủy phenol trên bề mặt điện cực cao hơn và trong cả ba loại điện cực thì điện cực PbO2 tinh khiết có hiệu suất phân hủy cao nhất [78, 89]. Tại Việt Nam, vấn đề xử lý nƣớc thải có chứa các chất hữu cơ độc hại bằng phƣơng pháp oxy hóa đã và đang đƣợc các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Một số công trình nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực điện hóa nghiên cứu xử lý các nƣớc thải có chứa các hợp chất phenol sử dụng các loại anôt nhƣ Ti/PbO2, Ti/SnO2 đã đƣợc thực hiện tại các đơn vị khoa học nhƣ: Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Hóa học, Viện Khoa học Công nghệ Môi trƣờng Trung tâm Môi trƣờng thuộc Viện Kỹ Thuật Quân sự đã triển khai một hệ thống xử lý nƣớc thải có chứa các chất nhạy nổ nhƣ TNT, TNR bằng phƣơng pháp oxy hóa điện hóa tại nhà máy Z121 trên tỉnh Phú Thọ. Đặc biệt, tại Viện Khoa học Vật liệu, phòng Ăn mòn và Bảo vệ Vật liệu đã chế tạo thành công vật liệu anôt trơ nền Ti phủ hỗn hợp ôxít kim loại RuO2, IrO2, TiO2 ứng dụng trong lĩnh vực xử lý nƣớc thải. 1.4. Cơ sở lựa chọn điện cực anôt hệ Ti/ SnO2-Sb2O3/PbO2 Ngoài các cơ sở đã trình bày trên, việc lựa chọn điện cực anôt hệ Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 cho quá trình nghiên cứu trong đề tài còn dựa vào các cơ sở sau: Trong lĩnh vực xử lý môi trƣờng nƣớc thải bị ô nhiễm các chất hữu cơ độc hại thì điện cực anôt 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 hóa học và điện hóa cao và ít độc hơn với môi trƣờng đƣợc lựa chọn sử dụng bởi lẽ trong quá trình oxy hóa các chất này sẽ không tan ra, vì thế không có khả năng gây ô nhiễm thứ cấp, hơn nữa mật độ dòng hoạt động lại thấp [28, 29, 47, 90, 91]. Báo cáo về việc áp dụng PbO2 nhƣ là một chất thay thế của điện cực Pt - trong ngành công nghiệp ClO4 có từ trƣớc 1930, nhƣng nghiên cứu và chuẩn 23
  36. bị của điện cực Ti dựa trên PbO2 chỉ đƣợc bắt đầu từ 20 năm trƣớc đây. Một số công trình nghiên cứu đã cho thấy PbO2 đƣợc coi nhƣ là một điện cực oxyt kim loại tuyệt vời và đƣợc sử dụng rộng rãi trong quá trình oxy hóa điện hóa vì nó có chi phí thấp hơn so với các kim loại quý, có khả năng thay thế các loại vật liệu anôt quý nhƣ Pt, Au và công nghệ chế tạo đơn giản [3, 4]. Điện cực trên cơ sở oxyt kim loại PbO2 đƣợc sử dụng trong quá trình điện hóa nhờ có khả năng dẫn điện cao, khả năng chống ăn mòn hóa học tốt, có khả năng xúc tác cao cho các phản ứng oxy hóa. Ngoài ra, màng mỏng PbO2 còn có các ƣu điểm là dẫn nhiệt tốt, bền trong các môi trƣờng, có tính oxy hóa mạnh, chịu mật độ dòng lớn[71, 87, 89]. PbO2 là một vật liệu đa hình với hai hình thức thù hình: dạng thoi α- PbO2 với cấu trúc nhỏ gọn và tứ giác β- PbO2 với cấu trúc xốp. Chủ yếu là sử dụng cấu trúc dạng β- PbO2 để xử lý vì nó có tính hoạt hóa cao hơn nhiều và diện tích bề mặt riêng lớn hơn nhiều so với dạng α - PbO2 [90] . Việc chế tạo điện cực Ti/PbO2 đã đƣợc phát triển ứng dụng cho quá trình oxy hóa điện hóa loại bỏ hiệu quả o-nitrophenol từ dung dịch nƣớc thải [46]. Song và cộng sự [74] sử dụng điện cực PbO2 pha tạp Sb làm anôt trong môi trƣờng axit nhằm xử lý 4-Chloro-3-methyl phenol đã đạt hiệu quả cao. Kirk đã nhận ra ứng dụng đầu tiên của của PbO2 cho oxy hóa tạp chất hữu cơ aniline. Vật liệu anôt này đƣợc dùng để xử lý một vài hợp chất hữu cơ khác nhƣ indol, glucose, chloranilic axít, trytophan và bezoquinone. Cùng thời gian này, lớp màng PbO2 trên Ti đƣợc dùng để oxy hóa benzoquinone, phenol, chlorophenol, và một số chất hữu cơ độc hại khác [92, 93, 94]. Trong các nghiên cứu này, vật liệu anôt đã cho hiệu suất dòng điện cao. Tuy nhiên giá trị hiệu suất dòng điện rất khác nhau phụ thuộc điều kiện thí nghiệm. Kaba và các đồng nghiệp đã đạt đƣợc hiệu suất 95% khi các chất hữu cơ ô nhiễm từ nƣớc thải sinh khối có chứa urine. Trong khi đó các thực nghiệm của Kirk chỉ thu đƣợc hiệu suất thấp (16-21%) và hiệu suất này phụ thuộc nhiều vào giá trị điện thế và các thông số thí nghiệm khác. Nhƣợc điểm lớn nhất cho đến nay 24
  37. 2+ làm hạn chế sự ứng dụng của điện cực PbO2 là sự tạo thành của Pb có thể gây ra ô nhiễm nƣớc [71, 87, 89]. Tahar và Savall [90, 91, 95] mô tả quá trình oxy hóa phenol trên điện cực PbO2 bằng cách sử dụng các chất nền kim loại khác nhau (Ti, Ta, và Pb) với sự thay đổi chế độ làm việc trong bể điện phân. Andrade và cộng sự [29, 47] nghiên cứu quá trình oxy hóa phenol trong H2SO4 bằng cách sử dụng điện - - - cực PbO2 tinh khiết hoặc F , Co và Co/ F đƣợc pha tạp trong điện cực PbO2 trong bộ phận máy lọc ép [47]. Có một số công trình nghiên cứu chế tạo hệ Ti/SnO2-Sb2O3 bằng phƣơng pháp hoả phân và sử dụng nhƣ là anôt có quá thế oxy cao để oxy hóa điện hóa các chất hữu cơ. Ƣu điểm của hệ anôt này là không sử dụng các oxyt kim loại quý, nhƣng độ dẫn của nó không cao và không xúc tác cho quá trình giải phóng oxy nhƣ các anôt chứa RuO2, IrO2 hoặc PbO2 [69, 87] Song và các cộng sự [75] đã điều tra sự suy thoái điện hóa 0,70 mM 4- chloro-3-methyl phenol trên điện cực Ti/SnO2 -Sb/PbO2. Hiệu quả loại bỏ TOC đạt 50% sau khi điện phân cho 8 giờ ở mật dòng là 100 A/m2. Wang et al đã nghiên cứu sự suy thoái điện hóa của 90 mg/L 2,4-dichlorophenol trên hệ điện cực Ti/SnO2- Sb2O5/α-PbO2/β-PbO2. Việc loại bỏ hiệu TOC đạt 36% 2 sau khi điện phân cho 6 giờ với mật độ dòng là 5 mA/cm . Lớp phủ SnO2 cũng có hoạt tính tƣơng tự nhƣ PbO2. Tại cực dƣơng SnO2, các chất hữu cơ phản ứng với cả gốc hydroxyl hấp thụ và gốc hydroxyl tự do nên nâng cao hiệu quả cho việc xử lý các chất hữu cơ [38]. Theo Yinghan Zhenga và các cộng sự [90, 91], lớp xen giữa SnO2- Sb2O5-RuO2 đóng một vai trò rất quan trọng tạo điều kiện thuận lợi cho lớp PbO2 đƣợc hình thành nhờ phƣơng pháp mạ điện. Các điện cực Ti/SnO2- Sb2O5-RuO2/α-PbO2/β-PbO2 thu đƣợc không chỉ có sự ổn định điện cao mà còn có tác dụng tốt trong việc làm suy giảm các các chất ô nhiễm. Khi phân 2 cực ở mật độ dòng 4 A/cm trong dung dịch H2SO4 0,5M, thời gian sống của điện cực đạt 59 giờ. Việc loại bỏ COD khoảng 94% và 53% cho xuống cấp 25
  38. phenol 500 mg/l với mật độ dòng 100 A/m2, và khoảng 82% và 25% cho xuống cấp 4- chlorophenol 1 mM với mật độ dòng 200 A/m2 [91]. So sánh tính chất điện hóa của điện cực Pt và điện cực SnO2 trong oxy hóa điện hóa phenol cũng đã đƣợc Comninellis và cộng sự thực hiện [66]. Sự khác biệt chính nhận đƣợc là: tại điện cực SnO2 chỉ có một lƣợng rất nhỏ các hợp chất trung gian thơm tồn tại trong khi đối với điện cực Pt lƣợng hợp chất trung gian này là rất lớn. Các axít aliphatic bị oxy hóa nhanh tại điện cực SnO2 nhƣng không hoạt hóa điện hóa đối với điện cực Pt. Cơ chế của quá trình oxy hóa điện hóa trên điện cực SnO2 cũng đã đƣợc đề xuất. Bƣớc đầu tiên gốc OH• đƣợc tạo thành do phản ứng điện phân của nƣớc: • + - 2H2O 2OH + 2H + 2e (1.5) • gốc OH này sẽ oxy hóa phenol tại bề mặt điện cực thành CO2[62, 65, 96, 97]. Để góp phần vào lĩnh vực này các nhóm nghiên cứu ở Việt Nam gồm các tác giả Trịnh Xuân Sén, Trƣơng Thị Hạnh, Nguyễn Thị Bích Lộc ( Khoa Hóa học, Trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia Hà Nội) và Trần Quốc Tùy (Trung tâm Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ Quân sự BQP) [44] cũng đã tiến hành nghiên cứu chế tạo điện cực PbO2/Ti và tính chất điện hóa của chúng trong môi trƣờng chất điện ly nhằm làm tăng độ bền và tính chất điện hóa của điện cực. Nhóm nghiên cứu đã dùng phƣơng pháp điện phân để chế tạo lớp phủ PbO2 trên nền titan kim loại. Kết quả nghiên cứu cho thấy, điện cực PbO2 đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp điện phân bao gồm hai lớp α-PbO2 và β-PbO2 có độ bền cao hơn điện cực chỉ có một lớp β-PbO2; với thời gian điện phân là 30 phút, điện cực PbO2 có khả năng trao đổi electron đối với hệ oxy hóa khử đã khảo sát và độ bền hòa tan anôt của nó trong dung dịch NaCl cao nhất; điện cực PbO2 đƣợc chế tạo trên nền Ti có phủ lớp SnO2 có độ bền hòa tan anôt trong dung dịch NaCl, Na2SO4 và Na3PO4 cao hơn các điện cực PbO2/C (màng PbO2 trên nền graphit cacbon) và PbO2/Ti. 26
  39. Một trong những nghiên cứu của ngành điện hóa hiện nay là chế tạo các điện cực dạng màng mỏng oxyt kim loại trên nền vật liệu trơ, đặc biệt là nền titan kim loại. Gần đây, một số điện cực đƣợc chế tạo bao gồm hệ nhị phân và bậc ba các hỗn hợp oxyt cũng đã đƣợc nghiên cứu và hiệu suất của quá trình điện phân đƣợc nâng cao [65, 83]. Một số điện cực anôt trên cơ sở hỗn hợp các oxyt hoạt hóa và oxyt trơ phủ trên nền titan bằng phƣơng pháp phân hủy nhiệt ở nhiệt độ thấp có các đặc tính nổi trội đƣợc ứng dụng rộng rãi. Thành phần chính của dung dịch phủ bao gồm các cấu tử mang ion kim loại Ru, lr, Ti, Sn, Sb, butanol và HCl [6, 70]. o Anôt Ti/RuO2-TiO2 với 30% RuO2 và nung ở 450 C có tính chất điện hóa và độ bền tốt nhất, anôt này chỉ phù hợp cho quá trình thoát clo. Anôt trên cơ sở lrO2 là Ti/lrO2 (15%)-RuO2 (15%)-TiO2 và Ti/lrO2 (10%)-Sb2O5- 0 SnO2 đƣợc nung ở 500 C bền đối với quá trình thoát oxy, có thể áp dụng cho các môi trƣờng và mật độ dòng khác nhau. Lớp phủ trung gian lrO2 giữa nền titan và lớp phủ hoạt hóa và oxy hóa nền titan bằng dung dịch NaOH + H2O2 sẽ làm tăng độ bền điện hóa của anôt. Sự khử hoạt hóa hay độ bền điện hóa của anôt giảm là do sự hòa tan dần dần của các điểm hoạt hóa và nền titan bị thụ động dƣới tác động của quá trình thoát oxy [60, 69]. Điện cực anôt trơ Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 đƣợc chế tạo có cấu trúc đa lớp oxyt hỗn hợp oxyt. Trong đó lớp ngoài cùng có hoạt tính xúc tác điện hóa cao là lớp PbO2, lớp trung gian là là hỗn hợp oxyt SnO2-Sb2O3, cũng có hoạt tính xúc tác điện hóa cao trong quá trình oxy hóa các hợp chất có chứa phenol. Trong các oxyt nói trên chỉ có SnO2 và PbO2 là hoàn toàn không tan trong nƣớc, còn Sb2O3 có tan trong nƣớc nhƣng rất ít. Nồng độ hòa tan trong nƣớc chỉ là 370 37 μg/L sau 7 ngày tiếp xúc ở nhiệt độ 20,8-22,9 oC. Cho dù điện cực Ti/SnO2-SbO3 đã đƣợc nghiên cứu chỉ ra có hiệu quả cao đối với quá trình oxy hóa phenol, hằng số tốc độ biểu kiến: 6,66x10-2 min-1, hiệu suất dòng tức thời (instantaneous current effect) là: 78,7%, mức độ suy giảm nồng độ phenol là 98.5%. Trong khi đó đối với điện cực Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2, các 27
  40. chỉ số tƣơng ứng là: hằng số tốc độ biểu kiến: 2,49x10-2 min-1 (cùng bậc độ lớn), hiệu suất dòng tức thời 38,9%, mức độ phân hủy phenol 82,7% [98]. Nghiên cứu trên cũng cho thấy bề mặt của lớp điện cực SnO2-SbO3 có nhiều vết nứt lớn rất khó khắc phục, hơn nữa cho dù rất nhỏ nhƣng Sb2O3 vẫn hòa tan trong môi trƣờng nƣớc, nên điện cực Ti/SnO2-Sb2O3 không đƣợc các nhà nghiên cứu đánh giá không có khả năng tạo ra với kích thƣớc sử dụng cho quy mô công nghiệp, kể cả điện cực có cấu hình dạng mắt lƣới. Trong khi đó hiệu suất phân hủy phenol của điện cƣc Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 có thấp hơn, 82,7% so với 98,5% nhƣng điện cực cực này lại đƣợc coi là một anode bền có kích thƣớc qui mô công nghiêp (a dimension stable anode) trong công nghiệp điện phân do đặc tính bền, điện thế thoát oxy cao, độ dẫn cao, bền ăn mòn, và thời gian sống dài hơn [99]. Việc kết tủa điện hóa PbO2 trực tiếp lên điện cực nền titan là hoàn toàn hiện thực, tuy nhiên lớp PbO2 kết tủa có nhiều nứt gãy. Điều này có thể do sự khác nhau giữa cấu trúc tinh thể lớp TiO2 mỏng của nền Ti và PbO2. Trong khi PbO2 nói chung có cấu trúc orthorhombic, dạng khối hộp chữ nhật đứng với đáy là hình chữ nhật a = 4,97Å, b = 5,96Å, chiều cao c = 5,44Å, còn TiO2 dạng cấu trúc tetragonal, khối trụ đứng đáy vuông cạnh a = 3,78Å, chiều cao c = 9,51Å. Sự khác biệt quá lớn về chiều cao của ô mạng cơ sở trong cấu trúc tinh thể cóa lẽ là nguyên nhân gây nên nứt gãy và bong tróc khi mạ trực tiếp PbO2 lên Ti. Trong khi đó với lớp trung gian, SnO2 có cấu trúc tƣơng đồng kiểu TiO2 với a = 4,74Å, c = 3,2Å, đồng thời Sb2O3 với cấu trúc lập phƣơng tâm mặt FCC với a = 11,16Å, sẽ làm giảm bớt sự sai lệch về chiều cao, hằng số c giữa TiO2 và PbO2 khi kết tủa điện trực tiếp. Màng mỏng SnO2 có một số ƣu điểm nhƣ dẫn điện tốt, hóa chất ổn định và có khả năng chống ăn mòn. Một lớp SnO2 xen giữa lớp PbO2 và nền Ti cũng có thể nâng cao tính dẫn điện của các điện cực và cải thiện đặc tính xúc tác[71]. 28
  41. Theo[87], màng mỏng SnO2 cho nhiều lợi thế nhƣ dẫn điện tốt, có khả năng chống ăn mòn cao. SnO2 tinh khiết là một chất bán dẫn dạng n. Dạng oxyt này thể hiện một điện trở suất cao tại nhiệt độ phòng và vì vậy không thể đƣợc dùng nhƣ một vật liệu điện cực, tuy nhiên, độ dẫn của SnO2 có thể cải thiện đáng kể bằng cách bổ sung thêm B, Bi, F, P và Sb [52]. Trong lĩnh vực điện hóa, chất bổ sung chủ yếu cho SnO2 là Sb [91]. Một lớp xen giữa Sn- pha lẫn trong PbO2 vào trong nền Ti cũng có thể nâng cao tính dẫn điện và cải thiện đặc tính xúc tác của các điện cực [74, 87]. Một trong các xu hƣớng mở ra triển vọng ứng dụng của PbO2 là tạo ra điện cực cấu trúc đa lớp hỗn hợp các oxyt kim loại khác có hoạt tính cao. Vì thế, nếu sử dụng vật liệu SnO2-Sb2O3 làm chất nền của lớp phủ và PbO2 làm chất dẫn điện thì có thể giảm đƣợc đáng kể hàm lƣợng kim loại quý trong lớp phủ và cải thiện đƣợc đặc tính xúc tác của điện cực. Ngoài ra, cũng cần quan tâm nghiên cứu cơ chế hòa tan lớp phủ hay sự khử hoạt hóa của anôt trong quá trình giải phóng oxy, trên cơ sở đó có thể nâng cao độ bền, kéo dài tuổi thọ của anôt. Để có thể tận dụng tính ƣu việt của màng mỏng các oxyt kim loại SnO2, Sb2O3 và PbO2, chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo điện cực anôt trơ hệ Ti/SnO2- Sb2O3 /PbO2. 1.5. Tổng quan về nƣớc thải có chứa hợp chất hữu cơ Các tác nhân gây ô nhiễm nƣớc thải đều ảnh hƣởng xấu đến con ngƣời, đến các động thực vật sống. Giữa các chất ô nhiễm khác nhau thì các chất ô nhiễm hữu cơ trong nƣớc thải công nghiệp đặc biệt nguy hiểm. Trong các chất hữu cơ độc hại, sự ô nhiễm của các hợp chất hydrocacbon thơm có chứa gốc benzen là nguy hiểm hơn cả. Chúng là những thành phần quan trọng trong xăng dầu, thƣờng chứa các phân tử gây ung thƣ nhƣ benzen, toluen, ethylbezen và xylen. Một vài hợp chất còn chứa các 29
  42. nhóm thế vô cơ nhƣ N, Cl, S, P. Ngoài ra, các hợp chất này phần lớn là không có khả năng phân hủy bằng phƣơng pháp sinh học [5, 17, 97]. Hiện nay một số hợp chất hữu cơ với tính chất độc hại cao và khó phân hủy nhƣ các hợp chất hữu cơ có trong thuốc trừ sâu, thuốc diệt côn trùng, diệt cỏ, thuốc kích thích tăng trƣởng, thuốc bảo quản thực phẩm, phốt pho đang có ảnh hƣởng nghiêm trọng đến sức khỏe con ngƣời và sự phát triển của các loài động thực vật. Chúng có khả năng gây ngộ độc, viêm gan, nôn mửa, tiếp xúc lâu dài sẽ gây ung thƣ nghiêm trọng các cơ quan nội tạng [34, 80]. Chất tẩy trắng Xenon peroxyt, natri cacbonat gây viêm đƣờng hô hấp, oxalate kết hợp với canxi tạo ra canxi oxalat gây đau thận, sỏi mật [67, 100]. Khi xâm nhập vào cơ thể các hợp chất hữu cơ có khả năng gây ra nhiều tổn thƣơng cho các cơ quan và hệ thống khác nhau nhƣng chủ yếu là tác động lên hệ thần kinh, hệ thống tim mạch và máu [95, 101]. Mức độ nguy hiểm, độc hại của từng chất hữu cơ độc hại khó phân hủy là khác nhau, nhƣng đều có một số đặc điểm chung: - Có độc tính cao; - Khó phân hủy, có thể tồn tại nhiều năm thậm chí hàng chục, hàng trăm năm trƣớc khi phân hủy thành dạng ít độc hơn. - Có thể bay hơi xa và phát tán đi xa theo không khí hoặc nƣớc. - Tích luỹ trong các mô mỡ động vật. Các hợp hất hữu cơ độc hại trong nƣớc thông qua vòng tuần hoàn nƣớc, theo hơi nƣớc vào không khí làm cho mật độ bụi bẩn trong không khí tăng lên. Không những vậy, các hơi nƣớc này còn là giá bám cho các vi sinh vật và các loại khí bẩn công nghiệp độc hại. Một số khí đƣợc hình thành trong quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nƣớc nhƣ: SO2, CO2, CO ảnh hƣởng nghiêm trọng đến môi trƣờng khí quyển. Ngoài ra, nƣớc bị ô nhiễm còn ảnh hƣởng đến môi trƣờng đất. Các chất hữu cơ thấm vào đất, gây ô nhiễm nghiêm trọng cho đất. Làm liên kết giữa 30
  43. các hạt keo đất bị bẻ gãy, cấu trúc đất bị phá vỡ, làm thay đổi đặc tính lý học cũng nhƣ đặc tính hóa học của đất [39, 42, 50, 102]. Trong các chất hữu cơ gây độc phải kể đến phenol và các dẫn xuất của phenol. Chúng là nguyên liệu đầu rất quan trọng trọng trong nhiều ngành công nghiệp. Các nguồn chính gây ra ô nhiễm phenol và dẫn xuất của phenol trong môi trƣờng nƣớc là các loại nƣớc thải từ công nghiệp sơn, thuốc bảo vệ thực vật, chế biến than đá, nhựa polymer, dệt nhuộm, dầu mỏ [28, 29, 46]. Năm 1963, toàn thế giới sản xuất khoảng 40 vạn tấn phenol. Hiện nay tổng sản lƣợng thế giới hàng năm khoảng 3,5 triệu tấn. Phần lớn phenol dùng để sản xuất chất dẻo phenol-fomandehit, sợi nilon, sợi caprolacton, nhựa epoxyt. Ngoài ra còn để sản xuất axit salicylic, các chất màu, dƣợc phẩm, chất hóa dẻo, chất chống oxy hóa, tẩy uế côn trùng, thuốc trừ sâu, chất diệt cỏ, các sản phẩm nitro hóa phenol đƣợc dùng làm thuốc nổ [28, 29, 46]. Về khía cạnh môi trƣờng, phenol và dẫn xuất của phenol đƣợc liệt vào các chất gây ô nhiễm môi trƣờng. Chúng đƣợc xem là chất ô nhiễm hàng đầu vì chúng có thể gây hại đến sinh vật ngay ở những nồng độ thấp [30, 31, 38, 102]. Khi tấn công vào các tế bào, chúng gây sự đốt cháy mạnh ở tế bào do tiêu thụ nhiều oxy, làm cản trở quá trình photphoryl hóa, oxy hóa, ảnh hƣởng đến quá trình tổng hợp ATP (Ađênôsin triphôtphát). Do độc tính cao, phenol trong nƣớc có tác động xấu đến môi trƣờng sống của các loại thủy sinh và hạn chế sự phân hủy sinh học[41]. Xử lý nƣớc thải phenol nồng độ cao không phải là một vấn đề phức tạp, chúng đƣợc xử lý bằng công nghệ thu hồi bằng chiết tách và công nghệ đốt. Khi nồng độ chất hữu cơ thấp thì sự lựa chọn công nghệ xử lý sẽ khó khăn hơn. Dựa trên quan điểm về mặt kinh tế, công nghệ sinh học thƣờng đƣợc đề xuất cho xử lý nƣớc thải công nghiệp. Tuy nhiên, các hợp chất phenol có độ độc cao và có khả ức chế chức năng thông thƣờng của các vi khuẩn phổ biến 31
  44. do đó ảnh hƣởng đến quá xử lý sinh học. Các chất mà không phản ứng vi sinh thì cũng có chiều hƣớng không phản ứng về mặt hóa học. Các hợp chất hữu cơ mạch vòng và có chứa nguyên tố halogen là những đặc trƣng cấu trúc làm giảm khả năng phản ứng hóa học và làm tăng tính chất khó phân hủy của phân tử [29, 38, 39]. Do đó, xử lý nƣớc thải chứa phenol nồng độ thấp đã đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng các công nghệ ôzôn hóa hoặc oxy hóa hóa học kết hợp với quá trình hấp phụ và oxy hóa điện hóa. Vì các lý do trên, dung dịch có chứa phenol đƣợc lựa chọn là đối tƣợng cho việc nghiên cứu tính chất điện hóa của điện cực chế tạo đƣợc trong đề tài. 32
  45. CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Thiết bị, dụng cụ, hóa chất và vật liệu 2.1.1. Thiết bị, dụng cụ - Hệ thiết bị CPA-HH5 là một hệ máy potentio-galvanostat đa năng sử dụng cho nghiên cứu tính chất điện hóa của vật liệu và phân tích điện hoá. Các kỹ thuật đo đƣợc sử dụng trong nghiên cứu: Vôn-Ampe vòng (Cyclic Voltammetry), dòng không đổi (Galvanostatic). Thiết bị này đƣợc ghép nối với một hệ máy tính cá nhân (PC), thuận tiện cho việc nghiên cứu điện hóa. Các chƣơng trình máy tính để điều khiển quá trình đo đạc và xử lý số liệu cũng đƣợc xây dựng phù hợp với các chức năng của máy và thuận tiện cho ngƣời sử dụng. Thiết bị điện hóa CPA-HH5 đƣợc chế tạo tại Phòng Ứng dụng Tin học trong Nghiên cứu hóa học (CACR) – Viện Hóa học, có độ phân giải cao và có thể đo đƣợc dòng đến vài nA. + Hệ thiết bị CPA-HH5: Gồm máy đo chính, máy tính Hình 2.1: Hệ thống thiết bị phân tích điện hoá đa năng CPA-HH5 + Hệ điện cực gồm: WE: điện cực làm việc (điện cực chế tạo đƣợc) RE : điện cực so sánh (Calomen bão hòa) CE: điện cực đối (thép không gỉ) 33
  46. + Các giá trị thế đƣợc biểu diễn trong luận án là giá trị thế so với điện cực so sánh Calomen bão hòa. - Lò nung chuyên dụng 1100 oC Model L3/11 của hãng Nabertherm Đức. - Bếp khuấy từ gia nhiệt 85-2 công suất 150W xuất xứ Trung Quốc. - Hệ thống sắc ký lỏng cao áp (HPLC) Alliance series 2695, detector PDA 2996 - hãng Waters - Mỹ. - Cân phân tích Adam AAA 160L; cân điện tử 4 số Shimddzu AUX220 - Một số dụng cụ thủy tinh nhƣ: pipet, micropipet, bình định mức, cốc, ống đong, ống nghiệm, bình đo hệ ba điện cực - Bóng đèn sợi đốt 100W - Nhiệt kế - Máy cất nƣớc hai lần Hamilton Laboratory Glass Limited. 2.1.2. Hóa chất và vật liệu 2.1.2.1. Hóa chất STT Công thức Tên đầy đủ STT Công thức Tên đầy đủ 1 CH3COCH3 Axeton 10 SnCl4 Thiếc (IV) clorua 2 HNO3 Axit nitric 11 SbCl3 Antimon (III) clorua 3 H2SO4 Axit sunfuric 12 PbO Chì (II) oxyt 4 HCl Axit clohydric 13 Pb(NO3)2 Chì (II) nitrat 5 HF Axit flohydric 14 Na2SO4 Natri sunfat 6 C2H2O4 Axit oxalic 15 C3H5OH Isopropanol 7 C2H5OH Etanol 16 C6H5OH Phenol 8 NaOH Natri hydroxyde 17 K2Cr2O7 Kali đicromat 9 NaCl Natri clorua 18 Ag2SO4 Bạc sunphat 2.1.2.2. Vật liệu - Vật liệu nền đƣợc sử dụng là Titan dạng tấm của Trung Quốc (ký hiệu là TA2) có thành phần tạp chất cực đại: 0,30%Fe; 0,10%C; 0,05%N; 0,15%H; 0,25%O. Tấm Titan có chiều dày 1mm 34
  47. - Thép không gỉ - Keo Epoxy - Giấy nhám với các kích thƣớc hạt khác nhau 320 ÷ 600 - Cầu muối Aga, giấy lọc. 2.1.3. Các chương trình máy tính sử dụng trong nghiên cứu Hình 2.2: Giao diện điều khiển quá trình đo đạc sử dụng máy CPA-HH5 Các mode đo đƣợc sử dụng trong nghiên cứu: - Khống chế dòng: sử dụng cho các nghiên cứu kết tủa điện lớp phủ PbO2 lên bề mặt điện cực Ti/SnO2-Sb2O3; nghiên cứu đánh giá thời gian sống của anôt trơ. - Khống chế thế: sử dụng cho các nghiên cứu khảo sát khả năng oxy hóa phenol. - Quét thế tuần hoàn: sử dụng cho các nghiên cứu nhả năng hoạt động của các anôt đƣợc tạo thành ở các điều kiện khác nhau; nghiên cứu sự ảnh hƣởng của một số yếu tố tới quá trình oxy hóa điện hóa phenol trên điện cực anôt trơ. 35
  48. 2.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu 2.2.1. Các phương pháp vật lý 2.2.1.1. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai và nhiệt trọng lượng Công cụ tốt nhất để nghiên cứu khoảng nhiệt độ phân huỷ của các dung dịch phủ trên nền Ti thành các oxyt là phƣơng pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA - differential thermal analysis) và nhiệt trọng lƣợng (TGA - thermal gravity analysis). Các phƣơng pháp này cho chúng ta biết đƣợc quá trình phân huỷ là toả nhiệt hay thu nhiệt, sự biến đổi trọng lƣợng mẫu khi nhiệt độ nung thay đổi, nhiệt độ phân huỷ của các chất. Các phép phân tích nhiệt DTA và TGA đƣợc thực hiện trên máy Shimadzu DTA-50 và Shimadzu TGA-50H tại Phòng thí nghiệm hóa lý, Khoa hóa học, Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Hà Nội. 2.2.1.2. Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X đƣợc ứng dụng rộng rãi trong khoa học vật liệu để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu. Ngoài ra phƣơng pháp này còn đƣợc ứng dụng để xác định pha tinh thể, kích thƣớc hạt trung bình Các nghiên cứu trong đề tài, phƣơng pháp nhiễu xạ tia X dùng để nghiên cứu cấu trúc và thành phần pha của lớp phủ oxyt. Nguyên tắc: Theo lý thuyết cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể đƣợc xây dựng từ các nguyên tử, phân tử hay ion phân bố đều đặn trong không gian theo một trật tự nhất định. Khi chùm tia X tới bề mặt tinh thể và đi sâu vào bên trong mạng lƣới tinh thể thì mạng lƣới này đóng vai trò nhƣ một cách tử nhiễu xạ đặc biệt. Các nguyên tử, phân tử và ion phân bố trên các mặt phẳng song song khi bị kích thích bởi chùm tia X sẽ thành các tâm phát ra các tia phản xạ. Hiệu quang trình của hai tia phản xạ bất kỳ trên hai mặt phẳng song song cạnh nhau đƣợc tính theo công thức: = 2.dhkl.sin hkl Khi các tia này giao thoa với nhau, sẽ thu đƣợc các cực đại nhiễu xạ thoả mãn phƣơng trình Vulf – Bragg: 36
  49. = 2.dhkl.sinθhkl = n Trong đó: : Hiệu quang trình của hai tia phản xạ θhkl: Góc giữa chùm tia X và mặt phẳng phản xạ dhkl: Khoảng cách giữa hai mặt phản xạ h,k,l: Chỉ số Miller n: Các số nguyên 0, 1, 2 chỉ các bậc phản xạ Phƣơng trình Vulf-Bragg là phƣơng trình cơ bản dùng để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể. Khi biết các giá trị góc quét , θhkl ta có thể xác định đƣợc d. So sánh giá trị của d với d chuẩn, sẽ xác định đƣợc thành phần, cấu trúc mạng tinh thể của chất cần nghiên cứu (vì mỗi chất có các giá trị d đặc trƣng riêng). Kích thƣớc hạt trung bình của vật liệu đƣợc xác định theo phƣơng trình Debye – Scherre: 0,89. λ r β . cosθ Trong đó r : kích thƣớc hạt trung bình λ : bƣớc sóng tia X β : độ rộng tại nửa chiều cao vạch nhiễu xạ cực đại θ : góc nhiễu xạ của vạch nhiễu xạ cực đại Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý chung của phương pháp nhiễu xạ tia X 37
  50. Thực nghiệm: Giản đồ XRD đựơc ghi trên máy D8 – Advance 5005 – tại Khoa Hoá học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN. Điều kiện ghi: ống phát tia Rơnghen làm bằng Cu với bƣớc sóng k =1,5406 Å, nhiệt độ 25 oC, góc quét 2θ tƣơng ứng với mỗi chất, tốc độ quét 0,02 o/s và đo trực tiếp lớp phủ tinh thể trên nền Ti, không cần phá mẫu tạo thành bột. 2.2.1.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu hình thái bề mặt mẫu, nhất là với nghiên cứu mẫu màng mỏng. Nguyên lý: Một chùm tia điện tử đi qua các thấu kính điện từ tiêu tụ thành một điểm rất nhỏ chiếu lên bề mặt mẫu nghiên cứu. Khi các điện tử của chùm tia tới va chạm với các nguyên tử ở bề mặt vật rắn thì có nhiều hiệu ứng xảy ra. Chùm tia điện tử đi qua các thấu kính (điện từ) sẽ đƣợc hội tụ lên mẫu nghiên cứu. Khi chùm điện tử đập vào mẫu, trên bề mặt mẫu phát ra các chùm điện tử thứ cấp. Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu sẽ biến đổi thành một tín hiệu ánh sáng, tín hiệu đƣợc khuếch đại, đƣa vào mạng lƣới điều khiển tạo độ sáng trên màn ảnh. Độ sáng tối trên màn ảnh phụ thuộc vào lƣợng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu và phụ thuộc hình dạng bề mặt mẫu nghiên cứu. Trong kính hiển vi điện tử quét, các thấu kính dùng để tập trung chùm điện tử thành điểm nhỏ chiếu lên mẫu chứ không dùng để phóng đại. Cho tia điện tử quét trên mẫu với biên độ nhỏ d (cỡ micromet) còn tia điện tử quét trên màn hình với biên độ lớn D (tuỳ theo kích thƣớc màn hình), ảnh có độ phóng đại D/d. Ảnh đƣợc phóng đại theo phƣơng pháp này thì mẫu không cần phải cắt lát mỏng và phẳng, cho phép quan sát đƣợc mẫu kể cả khi bề mặt mấp mô. Độ phóng đại của kính hiển vi điện tử quét thông thƣờng từ vài chục ngàn đến vài trăm ngàn lần, năng suất phân giải phụ thuộc vào đƣờng kính của chùm tia chiếu hội tụ trên mẫu. 38
  51. Thực nghiệm: Ảnh SEM của các mẫu vật liệu đƣợc chụp trên thiết bị JSM-6499 của hãng Jeol tại Trung tâm đánh giá hƣ hỏng vật liệu COMFA, Viện khoa học vật liệu, Viện khoa học và công nghệ Việt Nam. Hình 2.4: Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét SEM 2.2.2. Các phương pháp điện hoá 2.2.2.1. Phương pháp dòng tĩnh (Galvanostatic) Nguyên lý: Kỹ thuật này ứng với việc giữ dòng điện chạy qua giữa điện cực làm việc và điện cực đối tại một giá trị không đổi. Ban đầu khi dòng diện chạy qua, điện tích trên điện cực làm việc sẽ đƣợc nạp cho đến khi điện thế đạt đến một giá trị mà tại đó xảy ra quá trình trao đổi điện tử của chất hoạt động điện hóa có mặt trong dung dịch, giả sử chất ở dạng oxy hóa (Ox). Tại cùng một thời điểm, do sự giảm nồng độ chất ban đầu COx và sự tăng nồng độ chất sản phẩm CR tạo thành trên bề mặt điện cực dẫn đến thế của điện cực làm việc dịch chuyển dần về phía điện thế âm cho đến khi COx bằng không. Nhƣ 39
  52. vậy, khi không có phản ứng điện cực, dòng tại điện cực sẽ là dòng tụ điện, ich. Khi phản ứng điện cực diễn ra, dòng áp lên điện cực sẽ bao gồm dòng tụ điện và dòng faraday, if. Một ƣu điểm của kỹ thuật dòng không đổi là sự sụt điện trở Ohm do điện trở của dung dịch tạo ra sẽ cũng không đổi, do đó dễ dàng đƣợc bù bằng một giá trị điện áp. Thực nghiệm: Trong nghiên cứu này, phƣơng pháp dòng tĩnh đƣợc dùng cho các khảo sát sau đây: * Kết tủa điện lớp phủ PbO2 lên bề mặt điện cực Ti/SnO2-Sb2O3 PbO2 đƣợc kết tủa ở chế độ dòng tĩnh trên tấm Titan đã đƣợc phủ SnO2-Sb2O3 trong dung dịch chứa PbO bão hòa trong NaOH (140 g/l) với thời gian là 30, 60, 120, 150 phút ở 40 oC, mật độ dòng là 20 mA/cm2 sau đó tiếp tục kết tủa PbO2 từ dung dịch chứa Pb(NO3)2 35% với thời gian là 30, 60, 120, 150 phút ở 40 oC, mật độ dòng là 80 mA/cm2. Điện cực catot là một lồng thép không gỉ đƣờng kính 4 cm. * Đánh giá thời gian sống của anôt trơ Mục đích của nghiên cứu là đánh giá độ bền ăn mòn, độ bền hoạt hoá của vật liệu anôt. Mẫu đo dạng tấm phẳng và diện tích làm việc đƣợc khống chế là 4 cm2. Điện cực đƣợc phân cực anôt ở mật độ dòng điện 500 mA/cm2 hoặc 1000 mA/cm2 (mật độ dòng cao hơn mật độ dòng hoạt động bình thƣờng của anôt) trong dung dịch H2SO4 1M nhằm gia tốc quá trình hoà tan hoặc khử hoạt hoá của anôt, từ đó đánh giá nhanh thời gian sống của điện cực. Đó là thời gian đo đƣợc cho đến khi điện cực bị phá huỷ, tức là khi thế điện cực tăng vọt do lớp oxyt TiO2 đƣợc tạo thành trên nền titan. Điện cực anôt đƣợc phân cực ở mật độ dòng cao nên tốc độ thoát oxy lớn, việc đo thế điện cực anôt bị ảnh hƣởng của các bọt khí oxy trên bề mặt anôt, điện thế đo đƣợc thƣờng không ổn định. Để giải quyết vấn đề này chúng tôi đo hiệu điện thế của hệ nghiên cứu. Ở điều kiện thử nghiệm nhƣ nhau 40
  53. (dung dịch, mật độ dòng và điện cực đối - thép không gỉ) nên giá trị hiệu điện thế thay đổi là do điện thế của anôt thay đổi. * Oxy hoá điện hoá phenol Nhằm đánh giá ảnh hƣởng của vật liệu điện cực anôt và điều kiện điện phân đến quá trình oxy hoá hợp chất phenol, phƣơng pháp dòng không đổi đã đƣợc sử dụng. Mật độ dòng thƣờng đƣợc sử dụng trong thực tế và nghiên cứu trong khoảng từ 0,015 đến 0,15 A/cm2. Mật độ dòng đƣợc lựa chọn trong khoảng mật độ dòng trên tuỳ thuộc vào từng trƣờng hợp cụ thể. 2.2.2.2. Phương pháp thế tĩnh (Potentiostatic) Với kỹ thuật này, điện thế đƣợc áp lên điện cực làm việc một giá trị không đổi, sự biến đổi của dòng điện trên điện cực này đƣợc ghi theo thời gian. Ở đây, điện thế áp lên điện cực làm việc đƣợc khống chế bằng cách tạo ra bƣớc nhảy thế từ mức điện thế mà tại đó không có dòng faraday (E1) lên mức điện thế mà tại đó nồng độ chất họat động điện hóa tại bề mặt điện cực làm việc bằng không (E2). Ngay khi áp thế, bề mặt điện cực làm việc sẽ bị thay đổi do sự hình thành lớp điện kép và tạo ra dòng tụ điện. Đồng thời do điện thế áp sẽ tạo ra phản ứng điện hóa trên điện cực làm việc sinh ra dòng faraday. Do vậy, dòng đo đƣợc sẽ là tổng của cả hai dòng tụ điện và dòng faraday. Ban đầu, thế E1 là thế tại đó không có phản ứng điện hóa xảy ra đƣợc áp lên làm việc (WE). Sau khi thế E2 áp lên WE, phản ứng điện hóa sẽ xảy ra trong thời gian t tạo ra gradien nồng độ giữa vùng sát bề mặt điện cực với vùng thể tích dung dịch hình thành một dòng chất di chuyển đến bề mặt điện cực để tham gia phản ứng điện hóa. Dòng chất và dòng điện thu đƣợc sẽ tỉ lệ với gradien nồng độ tại bề mặt điện cực Phương pháp thế ổn định được sử dụng để nghiên cứu độ hoạt hoá xúc tác của anôt thông qua mật độ dòng ổn định đo được. Mật độ dòng điện ổn định ở điện thế nhất định là thƣớc đo trực tiếp số lƣợng các điểm hoạt hoá trên diện tích bề mặt hình học của mẫu. Trong phƣơng pháp thế ổn định, điện 41
  54. cực đƣợc giữ ở điện thế không đổi 2V(SCE) trong dung dịch axit H2SO4 1M và dòng điện đƣợc ghi lại sau 15 phút phân cực. Sau khoảng thời gian này mật độ dòng đạt đƣợc trạng thái ổn định. Ở điện thế 2V (SCE) hệ đƣợc khống chế bằng quá trình chuyển điện tích và chỉ có oxy đƣợc thoát ra. 2.2.2.3. Phương pháp quét thế vòng (Cyclic Voltammetry) Vol-Amper quét thế vòng (Cyclic Voltammetry) là một kỹ thuật quét thế tuyến tính (Kỹ thuật thế động - Potentiodynamic). Trong quá trình quét thế, potentiostat sẽ đo dòng nhận đƣợc do phản ứng điện cực tạo ra và đƣợc biểu diễn theo sự biến đổi của điện thế áp lên điện cực. Đây là một trong những kỹ thuật đo rất hiệu quả và đƣợc dụng phổ biến trong phƣơng pháp đo điện hóa để nghiên cứu bản chất và khả năng tham gia phản ứng điện hóa của các chất tham gia (Ox) ở chiều quét thuận và các chất sản phẩm tạo thành (R) ở chiều quét nghịch. Độ hoạt hoá anôt phụ thuộc vào lƣợng các điểm hoạt hoá và diện tích bề mặt thực. Lƣợng các điểm hoạt hoá thay đổi phụ thuộc vào bản chất tự nhiên của phản ứng giải phóng các khí. Phản ứng thoát oxy không những xảy ra trên bề mặt điện cực mà còn xảy ra cả ở trong các lỗ xốp. Hình 2.5: Hình dạng của đường cong phân cực 42
  55. Trong nghiên cứu này, phƣơng pháp quét thế vòng đƣợc dùng cho các khảo sát sau đây: - Nghiên cứu khả năng hoạt động điện hóa của các anôt được tạo thành ở các điều kiện khác nhau - Nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số yếu tố tới quá trình oxy hóa điện hóa hợp chất phenol trên điện cực anôt trơ. Các phép đo điện hoá đƣợc thực hiện trong bình đo điện hoá là hệ ba điện cực (hình 2.6) với dung tích bình chứa 100 ml dung dịch. Trong phần lớn các phép đo, thép không gỉ đƣợc sử dụng làm điện cực đối, điện cực đối thép không gỉ đƣợc sử dụng trong điện phân phenol. Điện thế của điện cực làm việc đƣợc đo so với điện cực so sánh calomel bão hoà (SCE). Điện thế của điện cực SCE lớn hơn so với điện cực hydro tiêu chuẩn là 0,24V. Cầu agar và đầu Haber-Luggin đƣợc sử dụng nhằm làm giảm tối đa sự sụt thế giữa điện cực làm việc và điện cực so sánh. Khoảng cách giữa đầu Luggin và điện cực làm việc khoảng 2 mm. RE Máy Máy WE Potentiostat tính in CE S CE Dây dẫn Cu Keo bạc phủ êpoxy Mẫu Thép Mẫu Ti phủ oxyt đo không gỉ Hình 2.6: Hệ thống đo điện hoá và cấu tạo mẫu đo Các phép đo điện hoá đƣợc thực hiện trên thiết bị điện hóa CPA-HH5 tại Phòng Tin học trong Nghiên cứu hóa học (CACR) – Viện Hóa học. 43
  56. Đối với các mẫu đo điện hoá, dây dẫn đƣợc nối trực tiếp với nền Ti bằng keo bạc. Diện tích mẫu để đo điện hoá là 4 cm2, phần còn lại và dây dẫn đƣợc phủ bằng nhựa êpoxy. 2.2.3. Phương pháp phân tích thành phần dung dịch điện phân 2.2.3.1. Phương pháp sắc ký lỏng cao áp (HPLC). Sản phẩm của quá trình oxy hóa các hợp chất phenol chứa nhiều hợp chất trung gian. Vì vậy, để xác định đƣợc thành phần sản phẩm phản ứng thƣờng phải sử dụng phƣơng pháp phân tích sắc kí lỏng hiệu năng cao. Nguyên tắc: Quá trình tách trong HPLC là quá trình tổ hợp của nhiều quá trình vừa có tính chất hóa học vừa có tính chất lý học. Quá trình này là những cân bằng động xảy ra ở trong cột sắc kí giữa pha tĩnh là chất rắn và pha động là chất lỏng. Nó là sự vận chuyển và phân bố của chất tan (hỗn hợp mẫu) theo từng lớp qua pha tĩnh. Trong quá trình đó chất tan luôn luôn đƣợc phân bố lại giữa hai pha, khi pha động luôn luôn chảy qua cột với một tốc độ nhất định. Trong quá trình sắc kí, chất nào bị lƣu giữ mạnh nhất sẽ đƣợc rửa giải ra khỏi cột sau cùng, chất nào bị lƣu giữ kém nhất sẽ đƣợc rửa giải ra trƣớc tiên. Các đêtectơ sẽ dò nhận sự biến đổi tín hiệu điện khi có mặt chất phân tích và cho tín hiệu là pic chất trên sắc đồ. Thông thƣờng, dựa vào thời gian lƣu, có thể định tính đƣợc chất phân tích bằng cách so sánh với thời gian lƣu của chất chuẩn trong cùng điều kiện phân tích. Hình 2.7: Sơ đồ khối của thiết bị HPLC 44
  57. Sắc đồ HPLC của dung dịch chứa phenol đƣợc ghi trên thiết bị HPLC Alliance series 2695, detector PDA 2996 của hãng Waters-Mỹ. Điều kiện đo: + Cột phân tích: Sunfire -C18 RP (4,6 x 150 mm), 5μm + Pha động : Kênh A : H2O + 0,1% axit focmic Kênh B : Acetonitrile + Tốc độ dòng 1 ml/phút, chạy gradient + Tín hiệu đo ở các bƣớc sóng (sig) (Detector PDA): phenol (sig 271 nm) + Áp suất: 280 bar * Xây dưng đường chuẩn: Phenol chuẩn (Merck) đƣợc cân chính xác 25 mg cho vào bình định mức (25 ml) sau đó thêm MeOH cho đến vạch ta đƣợc dung dịch gốc. Pha loãng dung dịch gốc thành các dung dịch có nồng độ 0,01; 0,1; 0,3; 0,5; 0,7; và 1 mg/ml, sau đó chạy lần lƣợt các dung dịch có nồng độ trên qua hệ thống HPLC với cột phân tích: Sunfire -C18 RP (4.6 x 150 mm), 5μm Các nồng độ phenol chuẩn 0,01; 0,1; 0,3; 0,5; 0,7 và 1 mg/ml đã đƣợc đo lặp lại 3 lần, kết quả thu đƣợc có sự ổn định rất cao về giá trị tích phân (diện tích pic), và thời gian lƣu (RT). Điều này chứng tỏ rằng các giá trị thông số của phƣơng pháp mà chúng tôi đã lựa chọn cho hệ thống HPLC là phù hợp cho việc phân tích định lƣợng phenol. Kết quả thu đƣợc (bảng 2.1), từ kết quả này sẽ tiến hành xây dựng đƣờng chuẩn. 45
  58. Bảng 2.1: Các kết quả HPLC xây dựng đường chuẩn của phenol Nồng độ Diện tích pic Diện tích pic Thời gian lƣu TT (mg/ml) (amu) lý thuyết RT (phút) 1 0,01 197208 159778 10,1 2 0,1 1956410 1918411 10,1 3 0,3 5796558 5826484 10,1 4 0,5 9613691 9734558 10,1 5 0,7 13676378 13642631 10,1 6 1 19546354 19504741 10,1 Y = 19540367. Xi – 35626 Hình 2.8: Đường chuẩn của phenol Từ kết quả bảng 2.1, dựa vào phƣơng pháp bình phƣơng tối thiểu (hồi quy tuyến tính một lớp), phƣơng trình hồi quy tuyến tính đƣợc xác định là : Y = 19540367. Xi – 35626 (2.1) Nhƣ vậy, với sự ổn định của việc lặp lại các lần đo cộng thêm sự tƣơng quan chặt chẽ giữa nồng độ phenol và diện tích pic thu đƣợc trên phổ HPLC, phƣơng pháp này tối ƣu cho việc phân tích định lƣợng phenol trong các mẫu nghiên cứu. 46
  59. * Phân tích định tính: Căn cứ vào thời gian lƣu tR của chất chuẩn hoặc theo phổ UV ứng với các pic sắc ký. * Phân tích định lượng: Theo phƣơng pháp ngoại chuẩn, dựa vào tính ổn định các thông số làm việc của thiết bị nhƣ nhiệt độ, tốc độ dòng, áp suất và lƣợng bơm vào có độ lặp cao ngƣời ta lập đƣờng chuẩn bằng cách xây dựng đồ thị phụ thuộc giữa các lƣợng mẫu với nồng độ chất chuẩn khác nhau với diện tích pic tƣơng ứng hoặc chiều cao pic của các mẫu đƣa vào. Áp diện tích pic hoặc chiều cao pic của các mẫu cần định lƣợng vào đồ thị chuẩn đã đƣợc xây dựng trong máy, ta sẽ xác định đƣợc nồng độ chất cần phân tích. 2.2.3.2. Phương pháp xác định nhu cầu oxy hoá học COD Phƣơng pháp đo nhu cầu oxy hoá học (COD-chemical oxygen demand) đƣợc sử dụng để xác định hiệu suất dòng oxy hoá. Bản chất của phƣơng pháp này là oxy hoá các chất hữu cơ có mặt trong dung dịch sau khi điện phân bằng bicromat kali. Bằng phƣơng pháp chuẩn độ sẽ xác định đƣợc lƣợng bicromat kali còn dƣ không bị khử hết trong dung dịch, từ đó xác định đƣợc COD của dung dịch. Sau mỗi một khoảng thời gian điện phân nhất định, lấy khoảng 1ml dung dịch để phân tích COD và hiệu suất dòng tức thời ICE (Instantaneous Current Efficiency). * Cách xác định chỉ số COD: Chỉ số COD của dung dịch có chứa phenol (chất hữu cơ) đƣợc xác định bằng kalibicromat theo TCVN (6491 – 1999). Hỗn hợp dung dịch gồm 2 ml mẫu dung dịch cần phân tích + 1ml K2Cr2O7 0,1N + 3ml (10g Ag2SO4 + 35ml H2O + 965ml H2SO4 98%) đun ở 150oC trong thời gian 2 giờ, sau đó để nguội và pha loãng thành 15 ml. Dùng muối Morhn (sắt amoni sunphat (NH4)2FeSO4) 0,12N với chỉ thị feroin để chuẩn độ lƣợng K2Cr2O7 còn dƣ sau khi phản ứng với các chất có 47
  60. trong mẫu, cho đến khi màu của dung dịch chuyển từ xanh lục sang nâu đỏ. Làm tƣơng tự nhƣ trên với một mẫu nƣớc cất (mẫu trắng). Nhu cầu oxy hóa học (COD) tính bằng mg theo công thức: COD = [(V1-V2).N. 8. 1000]/V (2.2) trong đó: V1 là thể tích dung dịch sắt amoni sunphat dùng cho chuẩn mẫu trắng (ml) V2 là thể tích dung dịch sắt amoni sunphat dùng cho mẫu phân tích (ml) N là nồng độ đƣơng lƣợng của dung dịch sắt amoni sunphat V là thể tích mẫu nƣớc kiểm nghiệm (ml) 8 là khối lƣợng mol đƣơng lƣợng của oxy * Độ chuyển hóa COD được xác định bằng công thức : COD COD Độ chuyển hóa = t s .100 (%) (2.3) CODt Trong đó: CODt là giá trị COD của mẫu nƣớc trƣớc khi xử lý. CODs là giá trị COD của mẫu nƣớc sau khi xử lý. 2.2.4. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố tới hiệu suất điện phân Các yếu tố ảnh hƣởng tới hiệu suất quá trình điện phân đƣợc xem xét là: thời gian điện phân (t), nhiệt độ dung dịch điện phân (T oC), pH môi trƣờng, mật độ dòng (i), nồng độ chất phụ gia (CNaCl), bản chất vật liệu anôt v.v Khi tiến hành nghiên cứu ảnh hƣởng của một tham số yếu tố nào đó thì chỉ cho thay đổi tham số đó còn các tham số còn lại giữ cố định. Trên cơ sở đó khảo sát lựa chọn điều kiện đạt hiệu suất phân huỷ cao. Tổ hợp kết quả nghiên cứu ta sẽ chọn đƣợc điều kiện phù hợp về công nghệ để đạt hiệu suất phân hủy cao của quá trình điện phân. * Hiệu suất của quá trình oxy hoá được xác định bằng phương trình sau: COD.V .F H = dd (2.4) 8.i.S. t 48
  61. Trong đó: ΔCOD là độ biến thiên chỉ số COD (g/l). Vdd là thể tích dung dịch điện ly (l). S là diện tích bề mặt điện cực (cm2). i là mật độ dòng điện (A/cm2). F là hằng số Faraday (96487C mol-1). Δt là thời gian oxy hóa (s). 8 là khối lƣợng mol đƣơng lƣợng của oxy. 49
  62. CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu chế tạo điện cực anôt trơ Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 Để có thể tận dụng tính ƣu việt của màng mỏng các oxyt kim loại SnO2, Sb2O3 và PbO2, hệ điện cực anode trơ đa lớp hệ Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 đƣợc chúng tôi lựa chọn. Mục đích chính của nghiên cứu này là tăng cƣờng khả năng hoạt động điện hóa và tính ổn định của điện cực Ti/PbO2 bởi việc tạo cấu trúc đa lớp của một số oxyt kim loại do đó đảm bảo tính bền điện hóa, có độ dẫn tốt, có khả năng xúc tác cho quá trình loại bỏ phenol từ nƣớc thải. Điện cực đa lớp Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2 đƣợc chế tạo bởi kỹ thuật phân hủy nhiệt và mạ điện. Cả bề mặt và các lớp bên trong của màng mỏng đƣợc nghiên cứu đặc trƣng bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ X-ray (XRD). Các đặc tính điện hóa của các điện cực này đã đƣợc nghiên cứu bởi phƣơng pháp quét thế tuần hoàn CV. 3.1.1. Nghiên cứu quá trình phân hủy nhiệt của các muối kim loại Để nghiên cứu khoảng nhiệt độ phân huỷ của các dung dịch chứa muối thiếc và muối antimon phủ trên nền Ti thành các oxyt, phƣơng pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA - differential thermal analysis) và nhiệt trọng lƣợng (TGA - thermal gravity analysis) đã đƣợc sử dụng. Các phƣơng pháp này cho chúng ta biết đƣợc quá trình phân huỷ là toả nhiệt hay thu nhiệt, sự biến đổi trọng lƣợng mẫu khi nhiệt độ nung thay đổi, nhiệt độ phân huỷ của các chất. Các muối kim loại SbCl3, SnCl4 đƣợc nung trong nồi platin từ nhiệt độ phòng đến 800 oC trong không khí với tốc độ tăng nhiệt là 10oC/phút. Phổ TGA – DTA đƣợc ghi trên máy Shimadzu DTA-50H. Kết quả nhận đƣợc (hình 3.1, 3.2) của các mẫu chỉ ra rằng có sự thay đổi giảm trọng lƣợng theo quá trình tăng nhiệt độ. Hình 3.1 trình bày phổ DTA và TGA của SnCl4.xH2O cho thấy SnCl4.xH2O bị phân hủy theo 2 giai đoạn: 50
  63. + Giai đoạn 1 là quá trình bay hơi và mất nƣớc vật lý của SnCl4.xH2O, quá trình này xảy ra trong nhiệt độ từ khoảng 40 oC đến 140 oC, trong đó xuất hiện píc ở 120,0 oC, tiếp đó là phần mất nƣớc hóa học, với pic xuất hiện ở 162 oC, với tổng độ hụt khối là 17,83%. + Giai đoạn 2 là quá trình phân hủy nhiệt hoàn toàn của SnCl4.xH2O, quá trình này xảy ra trong nhiệt độ từ khoảng 180 oC đến 280 oC, trong đó xuất hiện píc ở 227,56 oC với độ hụt khối là 35,37%. Quá trình này chậm hẳn o o lại sau 300 C và kết thúc hoàn toàn ở gần 400 C. Nhƣ vậy thiếc oxyt SnO2 sẽ o bắt đầu hình thành ở nhiệt độ khoảng 180 C nhờ sự phân hủy của SnCl4 khan, kết thúc ở nhiệt độ khoảng 400 oC. Phản ứng xảy ra có thể là nhƣ sau: SnCl4.xH2O SnCl4(khô) + H2O (3.1a) SnCl4 + O2 SnO2 + 2Cl2 (3.1b) Kết quả nghiên cứu mẫu thu đƣợc bằng phổ XRD đã chứng minh sản phẩm cuối cùng là SnO2 (hình 3.3). Hình 3.1: Phổ DTA và TGA của SnCl4.xH2O Tƣơng tự, khảo sát đối với muối SbCl3.xH2O, kết quả thu đƣợc cho o o thấy SbCl3.xH2O cũng bị phân hủy theo 2 giai đoạn: từ 70 C – 300 C là quá trình mất nƣớc vật lý và hóa học của muối SbCl3.xH2O, với các píc ở 156,50 oC và 276,44 oC, với tổng độ hụt khối là 12,44%. Tuy nhiên sau khi đạt đến 51
  64. độ hụt khối do mất nƣớc đạt đến cực đại tại 310 oC, thì cũng từ nhiệt độ này bắt đầu có sự phân hủy của SbCl3 xảy ra đồng thời với quá trình hấp phụ oxy để quá trình oxy hóa để tạo thành Sb2O3 xảy ra theo phản ứng (3.2b). Chính vì vậy ở khoảng nhiệt độ 310-400 oC, khối lƣợng mẫu tăng nhẹ. Ngay sau đó tại nhiệt độ 410 oC bắt đầu có quá trình giảm trọng lƣợng mạnh và quá trình này kết thúc ở khoảng nhiệt độ 530 oC, píc xuất hiện ở 500,81 oC với độ hụt khối là 16,41% đây là quá trình thu nhiệt và quá trình này ổn định khi tiếp tục tăng nhiệt độ lên 800 oC (hình 3.2). Kết hợp với kết quả nghiên cứu phổ nhiễu xạ tia X (hình 3.3) cho thấy quá trình phân huỷ nhiệt muối SbCl3 đã tạo thành Sb2O3 theo phản ứng: SbCl3.xH2O SbCl3(khô) + H2O (3.2a) 4SbCl3 + 3O2 2Sb2O3 + 3Cl2 (3.2b) Nhƣ vậy quá trình tạo thành Sb2O3, theo kết quả nghiên cứu DTA và TGA ở trên cho thấy oxyt này có thể bắt đƣợc đƣợc tạo thành ngay khi SbCl3 khan bị phân hủy và hấp thụ oxy cho quá trình oxy hóa ở nhiệt độ trên 310 oC. Hình 3.2: Phổ DTA và TGA của SbCl3.xH2O 52
  65. 3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phân hủy tới đặc trưng cấu trúc tinh thể và hình thái học bề mặt của lớp phủ SnO2-Sb2O3 3.1.2.1. Đặc trưng cấu trúc tinh thể Hình 3.3 trình bày phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu thử nghiệm để tạo lớp phủ SnO2-Sb2O3 khi nung mẫu ở các nhiệt độ khác nhau: 370, 420, 480, 550 oC. Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau M16 150 140 (a) 130 120 110 100 d=3.315 90 d=3.239 80 70 Lin (Cps) Lin 60 d=2.893 d=2.584 50 40 d=2.299 30 20 10 0 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Thuong VH mau M16.raw - Type: Detector Scan - Start: 20.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.020 ° - Step time: 0.8 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 17 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 1.000 ° - Chi: 0. 00-036-1163 (N) - Antimony Oxide - SbO2 - Y: 45.61 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.58900 - b 4.58900 - c 3.07600 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P42/mnm (136) - 2 03-065-7657 (C) - Tin - Sn - Y: 41.94 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 5.83180 - b 5.83180 - c 3.18190 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - I41/amd (141) - 4 - 108.216 00-001-0657 (D) - Tin Oxide - SnO2 - Y: 27.61 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.72000 - b 4.72000 - c 3.17000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P42/ncm (138) - 2 - 70.6 Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample SnO2-Sb2O3-05-04 700 (b) 600 d=2.231 500 400 Lin (Cps) Lin 300 d=2.328 200 d=1.720 d=3.330 d=2.539 100 d=2.629 d=1.756 d=3.184 d=1.471 d=2.470 d=1.415 d=2.164 0 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Hien NCS mau SnO2-Sb2O3-05-04.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 12 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10. 00-001-1198 (D) - Titanium - Ti - Y: 32.37 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 2.92000 - b 2.92000 - c 4.67000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P63/mmc (194) - 2 - 34.4837 00-001-0657 (D) - Tin Oxide - SnO2 - Y: 18.47 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.72000 - b 4.72000 - c 3.17000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P42/ncm (138) - 2 - 70.6 01-074-1725 (D) - Valentinite - Sb2O3 - Y: 16.02 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 12.46000 - b 4.92000 - c 5.42000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pccn (56) - 4 - 332 53
  66. Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample SnO2-Sb2O3 600 (c) 500 d=2.231 400 300 Lin (Cps) Lin 200 d=3.325 d=1.720 d=2.624 d=2.330 d=1.753 100 d=2.540 d=2.356 d=1.472 d=3.131 0 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Hien NCS mau SnO2-Sb2O3.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 11 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° 00-001-1198 (D) - Titanium - Ti - Y: 43.24 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 2.92000 - b 2.92000 - c 4.67000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P63/mmc (194) - 2 - 34.4837 00-001-0657 (D) - Tin Oxide - SnO2 - Y: 33.90 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.72000 - b 4.72000 - c 3.17000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P42/ncm (138) - 2 - 70.6 01-074-1725 (D) - Valentinite - Sb2O3 - Y: 25.62 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 12.46000 - b 4.92000 - c 5.42000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pccn (56) - 4 - 332 Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Mau M13 320 310 300 (d) 290 280 270 260 250 d=3.197 240 230 220 210 200 190 180 170 160 d=2.973 d=2.538 150 Lin (Cps) Lin 140 d=2.253 d=2.825 130 d=2.459 120 110 100 90 d=2.159 80 70 60 d=1.735 d=1.712 50 40 30 20 10 0 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Thuong VH mau M13.raw - Type: Detector Scan - Start: 20.000 ° - End: 70.000 ° - Step: 0.020 ° - Step time: 0.8 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 2 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 1.000 ° - Chi: 0.0 00-036-1163 (N) - Antimony Oxide - SbO2 - Y: 38.96 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.58900 - b 4.58900 - c 3.07600 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P42/mnm (136) - 2 00-005-0562 (D) - Antimony, syn - Sb - Y: 13.87 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Rhombo.H.axes - a 4.30700 - b 4.30700 - c 11.27300 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - R-3m (166) - 6 03-065-7657 (C) - Tin - Sn - Y: 31.74 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 5.83180 - b 5.83180 - c 3.18190 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - I41/amd (141) - 4 - 108.216 Hình 3.3: Phổ nhiễu xạ Rơnghen (XRD) của hỗn hợp oxyt SnO2-Sb2O3 tạo thành ở các nhiệt độ nung khác nhau: a) 370 oC, b) 420 oC, c) 480 oC, d) 550 oC Kết quả thu đƣợc cho thấy mẫu thử nghiệm ở nhiệt độ nung khác nhau o đều cho các píc điển hình của SnO2. Tuy nhiên ở nhiệt độ nung thấp (370 C), ngoài sự xuất hiện các pic đặc trƣng cho SnO2 thì còn có píc đặc trƣng cho o o SbO (2θ = 30,8 , hình 3.3a). Ở nhiệt độ nung cao hơn 420 và 480 C, ngoài pic của SnO2, chỉ có pic đặc trƣng cho Sb2O3, nhƣ vậy đã có sự chuyển hóa o SbO thành Sb2O3. Khi nhiệt độ nung ủ tăng lên đến 550 C, phổ nhiễu xạ Rơnghen không còn sắc nét, các pic doãng rộng, cƣờng độ pic suy giảm cho thấy một phần oxyt Sb2O3 đã bị oxy hóa tiếp lên oxyt có mức độ oxy hóa cao 54