Tài liệu Các vật liệu anode ứng dụng trong phương pháp ef xử lý môi trường

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KHOA HÓA-LÝ KỸ THUẬT Seminar Các vật liệu anode ứng dụng trong phương pháp EF xử lý môi trường Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Trung Dũng Học viên thực hiện : Vũ Văn Hiếu 1 NỘI DUNG CHÍN H Tổng quan về EF 2 Vai trò của anode trong EF 3 Phân loại anode trong EF 4 Một số anode điển hình 5 Kết luận chung 2 Tổng quan 1. Fenton điện hóa là gì ? 2. Ưu và nhược điểm 3. Ứng dụng Fenton điện hóa là gì ?  Electro Fenton (EF) là phương pháp oxy hóa nâng cao các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học chuyển hóa các chất ô nhiễm thành CO2, nước và các ion vô cơ (ví dụ NH4+, NO3-, SO42-, v.v.) do sự tấn công của •OH vào các phân tử hữu cơ , các gốc tự do ●OH này được sinh ra dựa trên phản ứng fenton giữa Fe2+ và H2O2 . O2 + 2H+ + 2e- → Fe3+ + e- → Fe2+ Fe2+ + H+ + H2O2 H2O2 (1) (2) → Fe3+ + H2O + •OH (3) Ưu nhược điểm của phương pháp EF Ưu điểm Nhược điểm  Thân thiện với môi trường  Chiếm diện tích nhỏ  Vận hành linh hoạt  Dễ dàng trong vận hành  Chi phí ban đầu thấp  Điện cực catot nhanh hỏng Ứng dụng Xử lý nước thải bị nhiễm thuốc trừ sâu độc hại và dai dẳng, thuốc nhuộm tổng hợp hữu cơ, dược phẩm, các sản phẩm chăm sóc cá nhân, và rất nhiều chất gây ô nhiễm trong công nghiệp. Sơ đồ hệ thống EF trong phòng thí nghiệm Vai trò của anode  XỬ LÝ ĐIỆN TỬ TRỰC TIẾP  KHẮC PHỤC ĐIỆN TỬ  SỰ TẠO RA ELECTRON CỦA CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA.  XỬ LÝ ĐIỆN TỬ TRỰC TIẾP Quá trình ôxy hoá trực tiếp bao gồm quá trình ôxy hoá trực tiếp chất ô nhiễm trên bề mặt của anode . Để bị oxy hóa, chất hữu cơ phải đến bề mặt anốt và tương tác với bề mặt này. Điều này có nghĩa là các đặc tính xúc tác điện của bề mặt đối với quá trình oxy hóa các chất hữu cơ có thể đóng một vai trò quan trọng trong quá trình này. • Tương tự như vậy, điều đó có nghĩa là trong những điều kiện nh ất định, sự truyền khối có thể điều khiển tốc độ và hiệu suất của quá trình điện hóa. • Các điện thế cần thiết cho quá trình oxy hóa các ch ất h ữu c ơ th ường cao. Điều này ngụ ý rằng nước có thể bị ôxy hóa và việc tạo ra ôxy là phản ứng phụ chính. Đây là một phản ứng không mong muốn và nó ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả. • Thường xuyên tiềm năng đủ cao để thúc đẩy sự hình thành các chất oxy hóa ổn định, thông qua quá trình oxy hóa các ch ất khác có trong nước thải. Điều này có thể có ảnh hưởng có lợi đến hiệu quả vì những chất oxy hóa này có thể oxy hóa chất ô nhiễm trong tất cả lượng nước thải.   Quá trình oxy hóa hoặc điện phân trực tiếp anot xảy ra trực tiếp trên anot (M) và liên quan đến các phản ứng chuyển điện tích trực tiếp giữa bề mặt anot và các chất ô nhiễm hữu cơ có liên quan. ■ Cơ chế này chỉ liên quan đến sự trung gian của các electron, có khả năng oxy hóa một số chất ô nhiễm hữu cơ ở những thế xác định âm hơn tiềm năng phản ứng tiến hóa oxy (OER). ■ Quá trình điện phân trực tiếp thường đòi hỏi sự hấp phụ trước của các chất ô nhiễm lên bề mặt cực dương, đây là quá trình phân hủy và không dẫn đến quá trình đốt cháy tổng thể các chất ô nhiễm hữu cơ. ■ Trong quá trình điện phân trực tiếp, các chất ô nhiễm bị oxy hóa sau khi hấp phụ trên bề mặt anốt mà không có sự tham gia của bất kỳ chất nào khác ngoài điện tử, là “thuốc thử sạch”: Rads-ze- Pads Về mặt lý thuyết, có thể xảy ra quá trình điện ôxy hoá trực tiếp ở điện thế thấp, trước khi tiến hoá ôxy , nhưng tốc độ phản ứng thường có động học thấp phụ thuộc vào hoạt tính điện cực của cực dương. ■ Tỷ lệ điện hóa cao đã được quan sát bằng cách sử dụng các kim loại quý như Pt và Pd , và các cực dương oxit kim loại như iridi dioxide, ruthenium-titanium dioxide và iridium-titan dioxide . ■ Tuy nhiên, vấn đề chính của electrooxidation tại một tiềm năng anốt cố định trước khi tiến hóa oxy là sự sụt giảm trong hoạt động xúc tác, thường được gọi là các hiệu ứng ngộ độc , do sự hình thành của một lớp polymer trên anode bề mặt. ■ Quá trình khử hoạt tính này, phụ thuộc vào tính chất hấp phụ của bề mặt anot và nồng độ và bản chất của các hợp chất hữu cơ, được nhấn mạnh hơn khi có mặt các chất hữu cơ thơm như phenol, chlorophenol, naphthol và pyridine.  KHẮC PHỤC ĐIỆN TỬ Các quá trình EO gián tiếp được thực hiện qua quá trình tạo điện tại chỗ của các chất oxy hóa cao ở bề mặt điện cực. Các loại chất oxy hóa khác nhau có thể được tạo ra bởi quá trình EO (i) các loại oxy phản ứng và (ii) các loại hoạt động clo.  Không phải tất cả các chất ô nhiễm đều hoạt động điện.  Trong quá trình oxy hóa anốt, sự bám bẩn có thể xảy ra ở bề mặt anốt, có thể ảnh hưởng hoặc cản trở sự chuyển giao của các electron.  Tốc độ loại bỏ chất hữu cơ bị hạn chế bởi sự chuyển khối, do sự cạn kiệt chất hữu cơ trong dung dịch. Hạn chế này do truyền khối dẫn đến giảm hiệu suất dòng điện trong quá trình điện phân, điều này làm tăng đáng kể chi phí năng lượng.  SỰ TẠO RA ELECTRON CỦA CÁC PHẢN ỨNG OXY HÓA  Các loại oxy phản ứng (ROS) là các loại phản ứng hóa học có chứa oxy như hydrogen peroxide (H2O2), ozone (O3), hoặc gốc hydroxyl (• OH). Phản ứng hóa học của chúng là do electron chưa ghép đôi của phân tử oxy.   Việc tạo ra các chất oxy hóa mạnh như vậy phụ thuộc vào một số thông số ph ản ứng chính. Vật liệu lectrode E , thành phần chất điện phân, dòng điện (hoặc điện áp), pH và nhiệt độ.  Vật liệu cực dương là thông số quan trọng. Bởi vì tất cả các chất oxy hóa được hình thành ở thế cao, phản ứng cạnh tranh là sự hình thành oxy. Cần có vật liệu anốt có khả năng ôxy hóa cao .  EO gián tiếp bởi các loại oxy phản ứng dựa trên sự phát điện của gốc hydroxyl được hấp phụ Anode: M+ H2O M(+ e  Trong đó, M được gọi là cực dương và M (• OH) là gốc hydroxyl bị hấp phụ. Phản ứng giữa hợp chất hữu cơ R và các gốc hydroxyl (hấp phụ lỏng lẻo trên cực dương) diễn ra gần bề mặt của cực dương. (n: số electron tham gia phản ứng oxi hóa R). Tuy nhiên, các phản ứng cạnh tranh không thể tránh khỏi (3) và (4) tiêu thụ các chất gốc dẫn đến quá trình tiến hóa oxy cũng có thể thực hiện được. Sơ đồ các tuyến chính liên quan đến sự hình thành anốt của các chất ôxy hóa  Vật liệu anốt thường được phân loại thành "hoạt động" hoặc "không hoạt động" tương ứng với hoạt động xúc tác của chúng Phân loại anode trong EF (i) Anode hoạt động (ví dụ:Ti/RuO2–IrO2, Ti/RuO2–TiO2 ) có tiềm năng tiến hóa oxy thấp và do đó là chất xúc tác điện tốt cho phản ứng tiến hóa oxy: chỉ cho phép oxy hóa một phần các chất hữu cơ (ii) Anode không hoạt động (ví dụ, SnO2, PbO2, and Ti4O7) có tiềm năng tiến hóa oxy cao và do đó là chất xúc tác điện kém cho phản ứng tiến hóa oxy và tạo điều kiện cho quá trình oxy Một số nghiên cứu quốc tế về các loại anode điển hình Anode Một số điện cực đã được sử dụng để xử lý nước bằng quá trình oxy hóa điện hóa. ■ Tính ổn định cơ học ■ Tính ổn định hóa học ■ Hình thái học ■ Độ dẫn điện ■ Tính chất xúc tác ■ Tỷ lệ giá / thời gian tồn tại Để tạo ra các loại ôxy phản ứng, cần có thế ôxy cao; nếu không, một phần lớn dòng điện áp dụng sẽ bị lãng phí để tạo ra oxy như một phản ứng phụ, do đó làm giảm hiệu suất của quá trình điện hóa. Một số vật liệu điện cực như PbO2, DSA dựa trên SnO2 và BDD đã được báo cáo là thể hiện khả năng quá mức oxy cao. Các vật liệu điện cực này có thể cản trở phản ứng tiến hóa oxy có lợi về mặt nhiệt động lực học, do đó cải thiện hiệu suất tạo ROS. Graphite anode Các loại anode được tìm hiểu Anode hoạt động Pt anode RuO2–IrO2 Anode BDD anode Anode không hoạt động Ti/ SnO2PbO2