LỜI MỞ ĐẦU - thuvienso.bvu.edu.vn

Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Trường Trường ĐHBRVT

Sv Nguyễn Ngọc Kiên – Lớp DH09H1 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

i

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, nền kinh tế phát triển với tốc độ rất nhanh, tồn tại song song với nó là

lượng chất thải hóa học cũng tăng theo, đặc biệt là các chất thải hữu cơ bền, độc hại như:

benzen, toluen, xylen, phenol… Đây là mối lo ngại cho toàn xã hội, vì vậy việc xử lý nó

là một vấn đề rất cấp bách và quan trọng.

Phương pháp điện phân, ngoài những ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp

điện hóa thì nó còn có khả năng xử lý các chất thải hữu cơ trên, bằng cách sử dụng các

điện cực anode tiêu biểu như Au, Pt…để oxi hóa phân hủy chúng nhưng giá thành tương

đối cao nên không đem lại hiệu quả về kinh tế. Trong khi đó, điện cực anode PbO2 là

một điện cực rẻ tiền nhưng lại có thể thay thế những điện cực đắt tiền trên.

Có rất nhiều phương pháp để tổng hợp điện cực anode PbO2 như: phương pháp ép

bột, phương pháp oxi hóa ion Pb2+ trên các vật liệu nền trong môi trường giàu oxi. Song,

các phương pháp này chỉ thu được màng PbO2 xốp, độ bền cơ học thấp và độ dẫn điện

kém. Ngược lại, bằng phương pháp điện hóa sử dụng dòng điện nhằm oxi hóa điện kết

tinh tạo màng PbO2 trên nền các vật liệu như: Fe, Ti [3, 4], carbon graphit [1, 2]….thì

lại thu được màng PbO2 đáp ứng được yêu cầu của một điện cực anode trong các quá

trình điện hóa. Các vật liệu nền sử dụng để tổng hợp anode PbO2 tương đối rẻ, đặc biệt

là carbon graphit, đây là loại vật liệu rẻ nhất trong số các vật liệu thường sử dụng và là

chất thải của ngành công nghiệp sản xuất Pin [15]. Vì vậy, hiện nay các nghiên cứu về

quy trình tổng hợp điện cực PbO2 trên nền carbon graphit đang rất được quan tâm bởi

tính kinh tế mà nó có thể đem lại và còn làm giảm thiểu các nguyên nhân gây ô nhiễm

môi trường.

Các nghiên cứu gần đây đều cho thấy kết quả khả quan của việc nghiên cứu quy

trình tổng hợp điện cực PbO2 trên nền carbon graphit [2, 6]. Bằng việc sử dụng các hóa

chất có độ tinh khiết cao, sử dụng điện cực catode lưới làm bằng kim loại Pt, một số nhà

nghiên cứu trong và ngoài nước đã tổng hợp thành công điện cực PbO2 có độ bền cơ hóa

cao, có khả năng xử lý các hợp chất hữu cơ độc hại như phenol [1].…rất tốt. Việc nghiên

cứu đã thành công, nhưng với việc sử dụng hóa chất tinh khiết mắc tiền và điện cực lưới

Pt là một kim loại có giá thành rất cao là một trở ngại lớn cho việc phát triển nghiên cứu

và sản xuất với quy mô công nghiệp.



ii

Chính vì những vấn đề trên, nhằm thúc đẩy quá trình nghiên cứu về điện cực PbO2

ngày càng phát triển hơn, nên tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu cải tiến quá trình tổng hợp

điện cực PbO2 trên nền carbon graphit và khảo sát khả năng oxi hóa phenol trên điện

cực PbO2”. Nội dung đề tài này sẽ tập trung khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình

oxi hóa điện kết tinh tạo màng PbO2 trên nền vật liệu anode nền carbon graphit với việc

sử dụng điện cực lưới làm bằng thép không gỉ 304 thay thế cho lưới Pt và sử dụng các

hóa chất có độ tinh khiết tương đối thay vì sử dụng hóa chất có độ tinh khiết cao trong

điều kiện phòng thí nghiệm của trường (trường ĐHBRVT). Với mục đích của đề tài,

nhằm tạo ra được điện cực PbO2 có chất lượng tương đương với các điện cực PbO2 của

các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước, nhưng giá thành rẻ hơn gấp nhiều lần. Để tổng

hợp nên điện cực PbO2 tôi đã lần lượt tiến hành giai đoạn các thí nghiệm sau:

- Giai đoạn 1: Khảo sát 5 thông số ảnh hưởng đến quá trình điện kết tinh tạo màng

PbO2: nồng độ ion Pb2+, H+, Cu2+, chất hoạt động bề mặt gelatin và mật độ dòng

điện phân.

- Giai đoạn 2: Khảo sát khả năng oxy hóa chuyển hóa phenol và khả năng khoáng

hóa (COD) của điện cực sau khi tổng hợp tại điều kiện tối ưu.

Với mục tiêu nhằm:

Xác định được các thông số ảnh hưởng đến quá trình điện kết tinh PbO2 nhằm tạo ra

được điện cực tốt nhất.

Đánh giá được khả năng oxi hóa của điện cực sau khi tổng hợp trong điều kiện tối

ưu nhất thông qua xác định độ chuyển hóa phenol và độ chuyển hóa COD của điện

cực.

Đánh giá chất lượng của điện cực sau khi thực hiện quá trình oxy hóa xử lý phenol.



iii

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện đề tài nghiên cứu, dưới sự giúp đỡ tận tình của giáo viên

hướng dẫn và được phía nhà trường tạo điều kiện thuận lợi tôi đã có một quá trình nghiên

cứu, tìm hiểu và học tập nghiêm túc để hoàn thành đề tài. Kết quả thu được không chỉ

do nỗ lực của cá nhân tôi mà còn có sự giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và các bạn.

Tôi xin chân thành cảm ơn

- Ban giám hiệu nhà trường, Ban chủ nhiệm Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

đã quan tâm và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành đề tài.

- Thầy Diệp Khanh: Thầy đã hướng dẫn và hỗ trợ tôi hoàn thành tốt đề tài về phương

pháp, lý luận và nội dung trong suốt thời gian thực hiện.

- Các thầy Nguyễn Chí Thuần, Nguyễn Văn Toàn, cô Tống Thị Minh Thu đã giúp

đỡ tôi rất nhiều về những kiến thức liên quan đến đề tài.

- Gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi.

- Các bạn đã giúp đỡ, trao đổi thông tin, kiến thức về đề tài trong suốt quá trình

nghiên cứu.

Trong quá trình thực hiện và trình bày không thể tránh khỏi những sai sót và hạn

chế, do vậy tôi rất mong nhận được sự góp ý, nhận xét phê bình của quý thầy cô và các

bạn.

Kính chúc quý thầy cô và các bạn sức khỏe!

Vũng tàu, ngày 12 tháng 07 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Kiên



iv

TÓM TẮT

Trong nghiên cứu này, tôi đã tìm ra điều kiện tối ưu cho quá trình tổng hợp điện

cực PbO2, đồng thời đã tổng hợp thành công điện cực PbO2 trên nền anode carbon

graphit kết hợp với catode làm bằng thép không gỉ 304 và khảo sát khả năng oxi hóa

điện hóa phenol của điện cực PbO2 trong điều kiện mật độ dòng không đổi.

Các phương pháp phân tích hóa lý được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm:

phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để định dạng pha tinh thể của PbO2;

phương pháp sắc ký lỏng cao áp (HPLC) được sử dụng để xác định độ chuyển hóa của

phenol sau khi xử lý; phương pháp COD được dùng để xác định mức độ khoáng hóa (sự

chuyển hóa thành CO2, H2O) của phản ứng oxi hóa phenol.

Kết quả, điều kiện tối ưu để thu được màng PbO2 có bề mặt láng mịn, độ bám dính

tốt, độ bền cơ hóa cao là mật độ dòng i = 40 mA/cm2; HNO3 20 ml/l; Pb(NO3)2 0,6M;

Cu(NO3)2 0,4M; gelatin 1 g/l; nhiệt độ 250C - 300C và kết quả oxi hóa điện hóa phenol

của điện cực đã nghiên cứu cho thấy, độ chuyển hóa phenol đạt 99%, khả năng khoáng

hóa thành CO2, H2O đạt trên 79% khi tiến hành điện phân trong dung dịch điện li Na2SO4

0,15M; pH = 8,0; nồng độ NaCl 7,5 g/l; mật độ dòng i = 75 mA/cm2; nồng độ phenol

1000 mg/l [2].



v

MỤC LỤC

Trang

LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................. i

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... iii

TÓM TẮT ..................................................................................................................... iv

MỤC LỤC ...................................................................................................................... v

DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... vii

DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU ................................................ ix

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN .......................................................................................... 1

1.1. Tổng quan về điện cực ............................................................................................ 1

1.1.1. Điện cực Hg ............................................................................................... 2

1.1.2. Điện cực Pb ............................................................................................... 2

1.1.3. Điện cực carbon graphit ............................................................................ 2

1.1.4. Điện cực oxyt ............................................................................................ 2

1.1.5. Điện cực bán dẫn ....................................................................................... 3

1.2. Tổng quan điện cực PbO2 ...................................................................................... 3

1.2.1. Một số phương pháp điều chế PbO2 .......................................................... 7

1.3. Tổng quan về phenol .............................................................................................. 8

1.3.1. Tính chất hóa học ...................................................................................... 9

1.3.2. Ứng dụng ................................................................................................. 10

1.3.3. Tác hại của Phenol .................................................................................. 10

1.3.4. Một số phương pháp xử lý phenol .......................................................... 10

1.4. Giới thiệu về phương pháp điện phân ............................................................... 10

1.4.1. Định nghĩa ............................................................................................... 10

1.4.2. Một số khái niệm ..................................................................................... 11

1.4.3. Sự điện phân chất điện li nóng chảy ....................................................... 12

1.4.4. Sự điện phân dung dịch điện li ................................................................ 12

1.4.5. Định luật Faraday .................................................................................... 14

CHƯƠNG II. PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................. 15



vi

2.1. Thiết bị và hóa chất .............................................................................................. 15

2.1.1. Thiết bị .................................................................................................... 15

2.1.2. Hóa chất ................................................................................................... 15

2.2. Chuẩn bị vật liệu nền ............................................................................................ 16

2.2.1. Đánh bóng ............................................................................................... 16

2.2.2. Tẩy dầu mỡ .............................................................................................. 16

2.3. Chuẩn bị catode làm việc ..................................................................................... 17

2.3.1. Xử lý catode trong dung dịch kiềm bằng điện phân ............................... 17

2.4. Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quá trình điện kết tinh PbO2 .............. 18

2.4.1. Ảnh hưởng của mật độ dòng ................................................................... 18

2.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ ion H+ ............................................................... 18

2.4.3. Ảnh hưởng của nồng độ ion Pb2+ ............................................................ 18

2.4.4. Ảnh hưởng của nồng độ ion Cu2+ ............................................................ 19

2.4.5. Ảnh hưởng của nồng độ gelatin .............................................................. 19

2.5. Khảo sát khả năng oxi hóa phenol trên điện cực PbO2 ..................................... 19

2.5.1. Khả năng khoáng hóa dung dịch chứa phenol của điện cực PbO2 .......... 19

2.5.2. Khả năng chuyển hóa phenol của điện cực PbO2 .................................... 20

CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................... 21

3.1. Kết quả khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quá trình điện kết tinh PbO2 . 21

3.1.1. Ảnh hưởng của mật độ dòng ................................................................... 21

3.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ ion H+ ............................................................... 22

3.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ ion Pb2+ ............................................................ 24

3.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ ion Cu2+ ............................................................ 25

3.1.5. Ảnh hưởng của nồng độ gelatin .............................................................. 26

3.2. Kết quả khảo sát khả năng oxi hóa phenol trên điện cực PbO2 ....................... 28

3.2.1. Khả năng khoáng hóa dung dịch chứa phenol của điện cực PbO2 .......... 28

3.2.2. Khả năng chuyển hóa phenol của điện cực PbO2 .................................... 28

CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................... 30

4.1. Kết luận ................................................................................................................. 30

4.2. Kiến nghị ............................................................................................................... 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 31

PHỤ LỤC



vii

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 1.1. Một số tính chất hóa lý của 2 dạng PbO2 ........................................................ 4

Bảng 1.2. Điện trở của các dang dioxyt chì và một vài kim loại .................................... 5

Bảng 3.1. Ảnh hưởng của mật độ dòng đến lượng PbO2 kết tinh ................................. 21

Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ ion H+ đến lượng PbO2 kết tinh ............................. 23

Bảng 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ ion Pb+ đến lượng PbO2 kết tinh ........................... 24

Bảng 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ Cu2+ đến lượng PbO2 kết tinh ................................ 25

Bảng 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ gelatin đến lượng PbO2 kết tinh ............................ 27

Bảng 3.6. Độ chuyển hóa COD của dung dịch điên phân theo thời gian ...................... 28



viii

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 2.1. Sơ đồ mô tả quá trình điện phân cơ bản ........................................................ 11

Hình 3.1. Sơ đồ lắp đặt hệ thống thiết bị thực nghiệm ................................................. 16

Hình 3.2. Catode làm việc ............................................................................................ 17

Hình 3.1. Ảnh hưởng của mật độ dòng tới lượng PbO2 kết tinh ................................... 21

Hình 3.2. Điện cực PbO2 thu được khi khảo sát mật độ dòng ....................................... 22

Hình 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ ion H+ tới khối lượng PbO2 kết tinh ...................... 23

Hình 3.4. Điện cực PbO2 thu được khi khảo sát nồng độ ion H+ .................................. 24

Hình 4.6. Ion Cu2+ bị khử thành Cu bám lên catode trong quá trình điện phân ............ 26

Hình 4.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu PbO2 tổng hợp ở điều kiện tối ưu. ............. 27

Hình 3.8. Kết quả sắc ký lỏng cao áp của mẫu dung dịch chứa Phenol trước và sau

điện phân. ...................................................................................................... 28

Hình 3.9. Đồ thị thể hiện độ chuyển hóa của phenol sau điện phân theo thời gian ...... 29

Hình 3.10. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu PbO2 sau khi oxi hóa phenol.................... 29



ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU

1. Các chữ viết tắt

COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxi hóa học

HPLC High Performance Liquid Chromatography Sắc kí lỏng cao áp

AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều

DC Direct Current Dòng điện một chiều

SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

NSX Nhà sản xuất

CNMT Công nghệ môi trường

EDTA Ethylendiamin Tetraacetic Acid

2. Các ký hiệu

Ф Đường kính

V Thể tích

Δm Hiệu số của khối lượng trước trừ khối lượng sau

CODt Giá trị COD mẫu trước khi điện phân

CODs Giá trị COD mẫu sau khi điện phân

St Diện tích pic phenol trước khi điện phân

Ss Diện tích pic phenol sau khi điện phân



1

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về điện cực [1]

Trong điện hóa, tính chất của các vật liệu sử dụng làm điện cực thường được thể

hiện bởi quá thế của điện cực, đó là đại lượng đặc trưng biểu thị sự thích hợp của điện

cực với chất tham gia phản ứng trên điện cực. Quá thế hydro của điện cực là một yếu tố

quan trọng đối với quá trình khử trong các dung môi proton, vì nó xác định giá trị thế

âm của điện cực trước khi phản ứng khử của môi trường xảy ra để cạnh tranh với phản

ứng.

Nhìn chung, điện cực có quá thế hydro càng cao sẽ cho sản phẩm của quá trình

điện phân cao nhất. Trong dung dịch và trong các dung môi proton, proton có thể bị khử

và hydro thoát ra. Vì lý do này, khoảng thế của điện cực trong vùng catode được đưa ra

bởi thế của điện cực H+/H2 và quá thế hydro của nó.

Mặt khác tính chất xúc tác của vật liệu điện cực cũng có ảnh hưởng đến chiều

hướng của phản ứng, đặc biệt đối với các phản ứng khử trên các kim loại có quá thế

hydro thấp.

Bề mặt điện cực có thể ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của điện cực và sự hấp phụ

của chất phản ứng. Ví dụ trong quá trình khử của hợp chất nitro ở điện cực thiếc, bề mặt

của nó bị thay đổi trong quá trình phản ứng khi kim loại bị hòa tan và hình thành trở lại

trên bề mặt điện cực.

Tính chất không tinh khiết của vật liệu điện cực cũng có thể làm biến đổi tính chất

của điện cực theo hai chiều hướng thuận lợi và bất lợi. Chiều hướng thuận lợi được áp

dụng khi sử dụng các điện cực hợp kim, nhằm tăng độ cứng cơ học, hoạt tính xúc tác

cũng như tăng khả năng chống ăn mòn của điện cực. Song trong một số trường hợp, sự

có mặt các tạp chất trong điện cực đã làm tăng lượng sản phẩm phụ trong phản ứng điện

hóa.

Một số kim loại thường được sử dụng trong các quá trình điện hóa như Hg, Pb, Zn,

Sn, Cu, Fe, Al, Ni, Pt…



2

1.1.1. Điện cực Hg

Thủy ngân là điện cực có quá thế hydro và độ tinh khiết rất cao. Việc khuấy điện

cực Hg làm cho bề mặt điện cực luôn sạch và có tính lặp lại. Tuy nhiên trạng thái lỏng

của thủy ngân cũng có một số hạn chế trong việc thiết kế bình phản ứng. Vì vậy trong

một số trường hợp người ta sử dụng các điện cực hỗn hống của Hg: Cu/Hg, Pb/Hg,

Zn/Hg… Điện cực Hg không được sử dụng làm anode vì nó bị tấn công ngay ở anode

thấp, bởi vì nó dễ bị hòa tan.

1.1.2. Điện cực Pb

Chì đã được sử dụng làm điện cực catode ngay từ buổi đầu của điện hóa hữu cơ,

Pb có quá thế hydro cao và dễ làm việc về mặt cơ học. Trong nhiều quá trình khử, catode

Pb cho sản phẩm tương tự như Hg, và trong một số trường hợp sự hấp phụ đặc biệt của

chất phản ứng ở điện cực có thể loại trừ một phần phản ứng phóng điện của ion H+, do

đó làm tăng việc chuyển electron đến chất phản ứng.

Chì cũng có thể được sử dụng làm anode dưới dạng nguyên chất hoặc hợp kim

trong dung dịch axit sunfuric, sự có mặt của 1% Ag, 0,3% Sn và một lượng nhỏ Co sẽ

tăng khả năng chống ăn mòn của anode Pb. Trong nhiều trường hợp bề mặt của anode

Pb bị oxi hóa thành PbO2 trở thành vật liệu anode.

Các điện cực kim loại khác như: Zn, Sn, Al, Fe, Cu, Pt, Ni, Au… cũng được sử

dụng làm điện cực trong một số quá trình khử và oxi hóa. Điện cực Sn được sử dụng

rộng rãi trong phản ứng khử hợp chất nitro. Pt và Ni rất thích hợp trong phản ứng hydro

hóa xúc tác.

Việc lựa chọn vật liệu anode thường bị hạn chế, vì hầu hết các kim loại bị ăn mòn

trong phản ứng anode. Trong trường hợp này Pt, Au thường được sử dụng.

1.1.3. Điện cực carbon graphit

Điện cực carbon graphit được sử dụng trong cả phản ứng khử và oxi hóa. Điện cực

carbon graphit rất có hiệu quả khi làm vật liệu anode nhờ có tính dẫn điện cao, chống

ăn mòn hóa học tốt, độ bền cơ học đáng kể và giá rẻ.

1.1.4. Điện cực oxyt

Một số oxyt kim loại như TiO2, MnO2, PbO2, RuO2 được sử dụng làm điện cực

trong quá trình điện hóa, đặc biệt là quá trình oxi hóa nhờ có tính dẫn điện cao, chống

ăn mòn và quá thế oxi hóa lớn.



3

Trong các điện cực oxyt thì PbO2 thường được sử dụng hơn và có khả năng thay

thế các vật liệu anode quý như Pt, Au. Anode PbO2 được sử dụng trong công nghiệp

điện hóa để sản xuất perclorat, periodat, hydroquinone, hydroxylamine, axit

cacbonxylic…

1.1.5. Điện cực bán dẫn

Điện cực bán dẫn được chế tạo từ các chất bán dẫn, đã được sử dụng rộng rãi trong

nghiên cứu phản ứng chuyển electron. Các phản ứng ở điện cực bán dẫn khác rất nhiều

so với điện cực kim loại. Trên điện cực kim loại tốc độ của các quá trình điện hóa bị

khống chế bởi trường điện tử cao ở bề mặt điện cực, còn trên điện cực bán dẫn tốc độ

quá trình được điều khiển chủ yếu bởi nồng độ vật mang điện tích trong bề mặt. Do đó,

loại vật mang (electron hay các lỗ trống) trong chất bán dẫn có thể ảnh hưởng rất lớn

đến tốc độ phản ứng. Một trong những yếu tố quan trọng cho quá trình trao đổi electron

giữa cặp oxi hóa-khử và chất bán dẫn là thế của cặp oxi hóa-khử và mức năng lượng

cũng như dãy hóa trị của chất bán dẫn.

1.2. Tổng quan điện cực PbO2

Dioxyt chì là một chất rắn, tồn tại ở cả dạng vô định hình và tinh thể. Dạng vô định

hình trong suốt, kém bền, dễ tan trong axit nên ít được chú ý. Dạng tinh thể bao gồm 2

dạng thù hình chủ yếu: α-PbO2 và β-PbO2.

Dạng α-PbO2 có cấu trúc ô mạng kiểu orthorhombic (hệ trục thoi), có thể thu được

bằng phương pháp hóa học khi cho tác dụng axetat chì với persunfat amon trong môi

trường nước amoniac; hoặc bằng cách nấu chảy PbO vàng với hỗn hợp NaClO3 và

NaNO3.

Dạng β-PbO2 có cấu trúc ô mạng kiểu tetragonal (tứ diện), có thể điều chế bằng

phương pháp hóa học khi cho tác dụng Pb(CH3COO)2 với CaOCl2.

Một vài ý kiến khác cho rằng tồn tại một dạng thù hình γ-PbO2 gần giống β-PbO2

(giả tetragonal) khi cho tác dụng Pb3O4 với hỗn hợp axit nitric và axit axetic.

Một số tính chất hóa lý của α-PbO2 và β-PbO2 được đưa ra trong bảng 1.1.



4

Bảng 1.1. Một số tính chất hóa lý của 2 dạng PbO2 [1]

STT Các thông số Dạng α-PbO2 Dạng β-PbO2

1 Dạng tinh thể Orthorombic Tetragonal

2

Hệ số mạng (0A) a

b

c

4,98

35,969

5,486

4,945

4,955

3,377

3 Rơnghen

3,12 (100)

2,73 (70 )

2,63 (70 )

3,50 (100)

2,80 (100)

1,86 (100)

4 Tỷ trọng (g/cm3) 9,75 9,56

5 Thể tích nguyên tử (0A)3 40,3 41,7

6 Điện trở (Ωcm-1) 4,0.10-3 1,0.10-3

7 Mật độ điện tử (e/cm3) 1,4.1021 0,7.1021

8 Độ linh động electron (cm2/S.V) 10 100

9 Nồng độ oxy (%) 0,48 0,63

10 ΔHs (KJ/mol) -265,95 -276,83

11 ΔG (KJ//mol) -217,46 -219,14

12 U0H(axit) (V) 1,698 1,690

13 (𝑑𝑈

𝑑𝑇) 𝑃 (mV/0C) trong H2SO4 4,62M

-0,36

-0,20

14 Uq = O (V)

(Điện thế điểm không tích điện)

1,06 ± 0,01

1,15 ± 0,01

15 Hệ số b (Phương trình Tafel)(V) 0,05 ÷ 0,07 0,12 ÷ 0,14

16 i0 trong H2SO4 và 31,80C(μA/cm2) 2 6

Về bản chất dẫn điện của PbO2 cho đến nay vẫn chưa thống nhất. Có ý kiến cho

rằng PbO2 dẫn điện kiểu điện tử vì hệ số Hall [17] có giá trị âm. Nhưng cũng có ý kiến

cho rằng PbO2 dẫn điện kiểu ô trống (bán dẫn kiểu P). Song, các công trình đều khẳng

định rằng, nguyên nhân của độ dẫn điện tốt nhất là do khuyết tật trong cấu trúc ô mạng

tinh thể PbO2 (sự thiếu hụt hàm lượng oxy so với tỉ lệ hợp thức).

Vì vậy, PbO2 kết tủa điện hóa dẫn điện tốt hơn PbO2 điều chế bằng phương pháp

hóa học.

Phương pháp điện hóa có thể điều chế cả α và β hoặc (α+β)-PbO2.

Dioxyt chì dẫn điện rất tốt, đặc biệt là PbO2 kết tủa điện hóa có độ dẫn xấp xỉ với

kim loại.



5

Bảng 1.2. Điện trở của các dang dioxyt chì và một vài kim loại [1]

Dạng mẫu Điện trở (Ωcm)

Bảng cực dương acqui (độ xốp 46%)

Bột PbO2 ép (độ xốp 32%)

PbO2 kết tủa điện hóa từ dung dịch perclorat

PbO2 kết tủa điện hóa từ dung dịch sunfamat

β-PbO2 (lớp dày 2,5 μm)

α-PbO2 (lớp dày 2,5 μm)

Graphit

Thủy ngân

Bismut

Chì kim loại

74,0.10-4

142,0.10-4

(0,94÷4,05) .10-4

12,0.10-4

7,0.10-4

8,0.10-4

0,96.10-4

1,2.10-4

0,22.10-4

74,0.10-4

Đặc tính điện hóa của PbO2 trong môi trường axit có khả năng oxi hóa mạnh

(H2SO4, ClO4-, S2O8

-…) cũng đã được nghiên cứu. Mặc dù các giá trị định lượng của

các tác giả chưa thống nhất, nhưng đã khẳng định H2SO4 4,4M, hệ số b (phương trình

Tafel) của α-PbO2 là 0,07V, còn của β-PbO2 là 0,14V. Điều đó nói lên cơ chế thoát oxi

trên α-PbO2 và β-PbO2 không giống nhau. Năng lượng hoạt hóa của quá trình tách oxi

trên điện cực PbO2 trong dung dịch H2SO4 đã được xác định.

Tốc độ quá trình thoát oxy được quyết định bởi tốc độ phóng điện của phân tử H2O

hoặc các ion OH- và tạo thành gốc tự do OH∙. Sự có mặt của các phân tử OH hấp phụ

trên bề mặt điện cực làm cho anode PbO2 có tính chất xúc tác đặc biệt, cho phép tiến

hành nhiều phản ứng tổng hợp điện hóa.

Chính do khả năng hấp phụ, nên trong quá trình tổng hợp điện hóa persunfat (môi

trường sunfat amon và axit sunfuric), khi có mặt phụ gia, thế điện cực đã dịch chuyển

về phía dương hơn 120 mV, xấp xỉ với thế của Pt. Kết luận này cho phép sử dụng PbO2

làm anode thay thế Pt.

Sự thích hợp của PbO2 như là vật liệu anode đã được biết đến nhiều năm nay,

nhưng vì những khó khăn về kinh tế cho nên việc ứng dụng trong thương mại bị hoãn

lại cho đến những năm gần đây.

Theo chúng ta biết thì công ty sản xuất và kỹ thuật Pacific của Nevada và công ty

trách nhiệm hữu hạn hóa học Sanwa của Tokyo Nhật, là những nhà sản xuất anode PbO2

duy nhất trên thế giới [1].



6

Giá trị cao của kim loại quý và hợp kim của chúng như là vật liệu anode đã được

thúc đẩy cho việc nghiên cứu ra những vật liệu mới trong nhiều năm nay. Điện thế của

PbO2 cho một mục đích như vậy đã được hiểu một cách cặn kẽ chỉ sau đầu thế kỷ này.

Với một điện trở suất 40-50.10-6 Ωcm-1, PbO2 là một chất dẫn điện tốt hơn so với

cacbon và than chì. Nó tương đối cứng (khoảng 5 theo thang đo độ cứng) và vì thế nó

chống lại sự mài mòn [4]. Nó có tính trơ về mặt hóa học đối với hầu hết những tác nhân

oxi hóa và những axit mạnh. Mặc dù, PbO2 có những ưu điểm trong sử dụng, nhưng

những khó khăn vẫn xảy ra trong quá trình sản xuất anode PbO2. Ferland [1] đã làm kết

tủa PbO2 từ dung dịch Pb(NO3)2 và được kết tủa rất giòn và dễ vỡ. Tính chất giòn và

không đồng nhất của PbO2 là do sự tăng giảm của dòng kết tủa và ảnh hưởng của dung

dịch điện phân (đặc biệt là độ pH và nồng độ Pb2+).

Một vài loại dung dịch đã được sử dụng để tạo kết tủa PbO2 và đã tìm được điều

kiện tối ưu cho quá trình điện kết tinh PbO2. Với việc sử dụng kỹ thuật mạ điện hiện đại

và những phụ gia thích hợp, những chất kết tủa PbO2 có độ bền cao, tỷ trọng cao và sự

trơn bóng của bề mặt đã đạt được. Shibasaki [12] đã cho thấy rằng những chất kết tủa

PbO2 có độ trơn sáng là bền nhất, và do đó đáng được mong đợi nhất.

Angel và Mellquist [11] đã kết tủa PbO2 trên Fe, Cu và Ni, nhưng đã nhận thấy

rằng những điện cực như vậy là bị thụ động hóa. Một anode PbO2 thô được tạo ra từ một

thùng chứa Pb(NO3)2 trên vật liệu nền là các ống hình trụ Fe hoặc Ni. Chất kết tủa PbO2

trên bề mặt ngoài của hình trụ và kết tủa dễ bị bong ra. Điều này được cho là do sự khác

nhau về hệ số dãn nở nhiệt của chất kết tủa và vật liệu nền. Grigger và Miller [13] kết

tủa oxyt từ dung dịch chứ axit HNO3 trên Ti và Ni. Khó khăn trong quá trình kết tủa

oxyt lên những vật liệu mỏng dễ bị ăn mòn bởi sự hòa tan anode xảy ra. Một kỹ thuật

làm kết tủa oxyt trên bề mặt ngoài của một hình trụ phi kim loại đã được khai thác.

Sự phát triển của PbO2 được phủ trên anode than chì đã giải quyết được vấn đề

trên. Anode này được khai thác bởi công ty Pacific, chủ yếu là để sản xuất ClO4- bằng

cách sử dụng điện cực PbO2 trên nền than chì để điện phân dung dịch chứa muối

AgClO4, muối này rất dễ gây nổ nếu sử dụng các loại điện cực khác.

Sự thay thế Pt bởi anode PbO2 trong việc sản xuất muối ClO4- đã được khảo sát

trước năm 1950, nhưng với việc sử dụng muối NH4ClO4 như chất oxi hóa thuốc nổ,

nguyên liệu cho động cơ tên lửa. Nghiên cứu đã nhận được một sự kích thích mới.



7

Angel và Mellquist [13] đã đạt được hiệu suất dòng (CE) 72-79% mà không có

chất phụ gia; tuy nhiên sự có mặt của Cr, thông thường được sử dụng với anode Pt để

ngăn cản sự giảm của clorat ở catode, đây là một lý do làm giảm (CE) đã được nghiên

cứu. Điều này có thể là do sự tương tác của Cr với điện cực để hình thành PbCrO2. Các

nhà khoa học Nhật đã dùng dung dịch NaF 2 g/l để làm tăng (CE) và thu được PbO2 có

tính chất tốt tương tự anode Pt.

Năm 1950 Sugino [14] dùng phương pháp điện hóa thu được lớp kết tủa PbO2 dày

chắc, có độ dẫn điện và độ bền hóa học cao. Kết quả này đã thu hút sự quan tâm của các

nhà công nghệ điện hóa trên thế giới. Hàng loạt các phương pháp cũng như các vật liệu

nền khác nhau và các dung dịch điện li để kết tủa PbO2 đã được công bố.

Điện cực PbO2 còn có khả năng hấp phụ tốt các chất nên thường được sử dụng

trong các quá trình điện phân tổng hợp các hợp chất vô cơ và hữu cơ. Một số nhà điện

hóa môi trường đã nghiên cứu quá trình xử lý phenol trên anode PbO2, Ti/PbO2 và đạt

kết quả tốt khi sản phẩm của quá trình oxi hóa chủ yếu là CO2.

1.2.1. Một số phương pháp điều chế PbO2 [1]

1.2.1.1. Phương pháp hóa học

a. Phương pháp nhiệt

Quét các dung dịch muối chì lên nền kim loại hoặc phi kim loại, sau đó gia nhiệt

trong môi trường giàu oxi để oxi hóa thành PbO2.

Phương pháp này cho phép chế tạo điện cực có độ xốp cao, tạo thành nhiều lớp

bám chắc vào nền, nhất là loại nền bằng gốm, song có nhược điểm là hàm lượng PbO2

thấp, độ bền hóa học và độ dẫn điện kém.

b. Phương pháp ép

Trộn bột PbO2 với chất kết dính vô cơ hoặc nhựa hữu cơ, polymer rồi ép ở áp suất

> 2500 kg/cm2.

Phương pháp này chế tạo được điện cực có tấm hình lớn, độ bền cơ học cao (tùy

thuộc vào vật liệu kết dính và áp suất ép), nhưng nhược điểm là độ bền hóa học và độ

dẫn điện kém, thế cực không ổn định và sản phẩm dễ bị bẩn.

1.2.1.2. Phương pháp điện hóa

Đây là quá trình oxi hóa Pb2+ từ dung dịch thành PbO2 bám lên điện cực.

Pb2+ - 2e + 2H2O → PbO2 + 4H+ (1.1)



8

Như vậy, pH của môi trường có ảnh hưởng đến quá trình điện kết tinh PbO2.

Ngoài ra, các yếu tố của quá trình điện phân sẽ ảnh hưởng đến dạng thù hình của PbO2

tạo thành.

Do yếu tố pH môi trường ảnh hưởng đến các dạng thù hình của PbO2, nên thường

chia ra làm hai loại dung dịch điện ly: dung dịch kiềm và dung dịch axit.

a. Kết tủa PbO2 từ dung dịch kiềm

Bao gồm các loại dung dịch: plumbit, tatrat và EDTA. Từ dung dịch kiềm sẽ kết

tủa α-PbO2 có ứng suất nội nhỏ bám chắc vào nền. Nhìn chung các dung dịch kiềm cho

tốc độ mạ nhỏ (mật độ dòng cho phép trong khoảng từ 0,1 đến 1 A/dm2).

Nhược điểm của dung dịch kiềm là độ ổn định thấp khi làm việc. Chỉ sau 5÷10

Ah/l dung dịch sẽ xuất hiện các cặn oxyt chì và nếu để lâu thì các cặn này sẽ phát triển

gây cản trở quá trình vận hành và làm giảm độ ổn định của dung dịch điện li.

b. Kết tủa PbO2 từ dung dịch axit

Bao gồm các dạng chất điện li: perclorat, sunfamat, axetat, nitrat. Từ dung dịch

axit kết tủa sẽ có dạng β-PbO2. Tuy nhiên cũng có thể thu được dạng α-PbO2. Nhìn

chung các dung dịch axit cho tốc độ phản ứng cao (mật độ dòng cho phép trong khoảng

từ 1 đến 8 A/dm2). Dung dịch ổn định theo thời gian bảo quản. Trong đó dung dịch nitrat

phổ biến hơn cả, vì nó rẻ, dễ kiếm và cho phép điều chế PbO2 với tốc độ cao hơn hẳn

dung dịch khác.

Phương pháp điện hóa có những ưu điểm nổi bật: lớp kết tủa đặc khít, có độ dày

tùy ý, hàm lượng PbO2 cao và ổn định, có cấu trúc tinh thể xác định, do đó lớp kết tủa

này dẫn điện tốt, bền hóa học và rất ít hao mòn trong quá trình vận hành.

Nhược điểm chủ yếu của phương pháp điện hóa là lớp PbO2 có ứng suất nội lớn,

làm lớp mạ bị rộp lên hoặc nứt dẫn đến bong tróc. Nhưng khi hiểu rõ bản chất quá trình

tạo thành PbO2 trên anode, ta có thể hạn chế thiếu sót này.

1.3. Tổng quan về phenol [16]

Phenol là chất rắn, tinh thể không màu, có mùi đặc trưng, nóng chảy ở 43°C. Để

lâu ngoài không khí, phenol bị oxi hóa một phần nên có màu hồng và bị chảy rữa do hấp

thụ hơi nước. Phenol ít tan trong nước lạnh, tan trong một số hợp chất hữu cơ. Phenol

rất độc, gây bỏng nặng khi rơi vào da. Phenol tan vô hạn ở 660C.



9

Phenol có một nhóm -OH liên với với vòng Benzen. Đặc biệt hơn, trong phân tử

phenol có hiệu ứng liên hợp mạnh do có oxi của nhóm -OH cũng ảnh hưởng đến tính

chất vật lí cũng như tính chất hóa học của phenol.

Cấu tạo của phenol:

1.3.1. Tính chất hóa học

1.3.1.1. Tính axit

Phenol có tính axit vì có hiệu ứng cộng hưởng xảy ra trong phân tử. Vì vậy, khác

với rượu, phenol còn có thể tác dụng với bazơ mạnh:

C6H5OH + NaOH C6H5ONa + H2O (1.2)

(Natri phenolat)

Tuy nhiên, tính axit của phenol rất yếu Ka = 10-9,75 không làm đổi màu quỳ tím. Vì

vậy, muối phenolat bị axit cacbonic tác dụng tạo lại phenol:

C6H5ONa + CO2 + H2O C6H5OH + NaHCO3 (1.3)

Phản ứng này được dùng để tái tạo phenol trong công nghiệp.

1.3.1.2. Tính chất như rượu

Phenol có thể tác dụng được với Na như rượu nhưng khác với rượu, muối phenolat

không bị nước phân hủy:

C2H5ONa + H2O C2H5OH + NaOH (1.4)

C6H5ONa + H2O -không phản ứng- (1.5)

Phenol cũng tạo được este như rượu nhưng khác với rượu có thể tác dụng trực tiếp

với axit, phenol chỉ có thể tác dụng với clorua axit hoặc anhidric axit mới tạo được este:

C6H5OH + CH3COCl CH3COOC6H5 + HCl (1.6)

C6H5OH + (CH3CO)2O CH3COOC6H5 + CH3COOH (1.7)

Điều này được giải thích do 2 nguyên nhân:



10

- Mật độ điện tích âm của O nhóm -OH vì có hệ liên hợp trong phân tử nên giảm hơn

so với O nhóm -OH của rượu thông thường, dẫn đến phenol khó tấn công vào phân

tử axit tạo este hơn.

- Phenol có vòng thơm nên gây hiệu ứng không gian cản trở.

1.3.2. Ứng dụng

Phenol được dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau:

- Công nghiệp chất dẻo: phenol là nguyên liệu để điều chế nhựa phenol

formaldehyde.

- Công nghiệp tơ hóa học: từ phenol tổng hợp ra tơ polyamide.

- Nông dược: từ phenol điều chế được chất diệt cỏ dại và kích thích tố thực vật

2,4-D ( là muối natri của axit 2,4 điclophenoxiaxetic).

- Phenol cũng là nguyên liệu để điều chế một số phẩm nhuộm, thuốc nổ (axit

picric).

- Do có tính diệt khuẩn nên phenol được dùng để trực tiếp làm chất sát trùng, tẩy

uế, hoặc để điều chế các chất diệt nấm mốc (ortho- và para- nitrophenol…).

1.3.3. Tác hại của phenol

Phenol và các dẫn xuất phenol có trong nước thải của một số nghành công nghiệp

(lọc hoá dầu, sản xuất bột giấy, nhuộm…). Các hợp chất này làm cho nước có mùi, gây

tác hại cho hệ sinh thái nước, sức khoẻ con người, một số dẫn xuất phenol có khả năng

gây ung thư (carcinogens). Theo TCVN 5942-1995 quy định nồng độ tối đa của các hợp

chất phenol trong nước bề mặt dùng cho sinh hoạt là 0,001 mg/l.

1.3.4. Một số phương pháp xử lý phenol

Phenol có thể được xử lý bằng phương pháp điện hóa học sử dụng các loại điện

cực anode như Ti/TiO2, Ti/SnO2, Ti/PbO2…Ngoài ra còn có thể oxi hóa phenol bằng

phương pháp sử dụng vật liệu xúc tác quang hóa như TiO2.

1.4. Giới thiệu về phương pháp điện phân [5, 7]

1.4.1. Định nghĩa

Sự điện phân là quá trình oxi hóa, quá trình khử xảy ra tại bề mặt các điện cực khi

có dòng điện một chiều đi qua dung dịch chất điện li hay chất điện li ở trạng thái nóng

chảy.

http://vi.wikipedia.org/wiki/Ch%E1%BA%A5t_d%E1%BA%BBo

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Phenol_formaldehyde&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Phenol_formaldehyde&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=T%C6%A1_h%C3%B3a_h%E1%BB%8Dc&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=T%C6%A1_polyamide&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/wiki/Thu%E1%BB%91c_n%E1%BB%95

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=S%C3%A1t_tr%C3%B9ng&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=N%E1%BA%A5m_m%E1%BB%91c&action=edit&redlink=1



11

Hình 2.1. Sơ đồ mô tả quá trình điện phân cơ bản

1.4.2. Một số khái niệm

1.4.2.1. Khái niệm anode

Điện cực dương (cực dương, dương cực) là điện cực nối với cực dương của nguồn

điện một chiều, là nơi hút các điện tử về.

1.4.2.2. Khái niệm catode

Điện cực âm (âm cực, cực âm) là điện cực nối với cực âm của nguồn điện một

chiều, là nơi phát ra các điện tử.

1.4.2.3. Khái niệm quá trình khử

Tại bề mặt của catod luôn luôn có quá trình khử xảy ra, là quá trình trong đó chất

oxi hóa nhận điện tử để tạo thành chất khử tương ứng.

Ví dụ:

Pb2+ + 2e- Pb

Cu2+ + 2e- Cu

1.4.2.4. Khái niệm quá trình oxi hóa

Tại bề mặt anode luôn luôn có quá trình oxi hóa xảy ra, là quá trình trong đó chất

khử cho điện tử để tạo thành chất oxi hoá tương ứng.

Ví dụ:

2Cl- - 2e Cl2

2Br- -2e Br2

http://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=%C4%90i%E1%BB%87n_c%E1%BB%B1c&action=edit&redlink=1

http://vi.wikipedia.org/wiki/Ngu%E1%BB%93n_%C4%91i%E1%BB%87n_m%E1%BB%99t_chi%E1%BB%81u

http://vi.wikipedia.org/wiki/Ngu%E1%BB%93n_%C4%91i%E1%BB%87n_m%E1%BB%99t_chi%E1%BB%81u

http://vi.wikipedia.org/wiki/%C4%90i%E1%BB%87n_t%E1%BB%AD



12

1.4.3. Sự điện phân chất điện li nóng chảy

Khi nung nóng ở nhiệt độ cao thì chất điện li nóng chảy (hóa lỏng), các ion dương

và ion âm bây giờ linh động hơn so với khi ở trạng thái rắn. Các ion dương (cation)

mang điện tích dương nên sẽ di chuyển về cực âm (catode), tại đây có quá trình khử xảy

ra; Còn các ion âm (anion) mang điện tích âm nên sẽ di chuyển về cực dương (anode),

tại đây có quá trình oxi hóa xảy ra.

Ví dụ:

NaCl nóng chảy

(Na+, Cl-)

Catode (-) Anode (+)

Na+ + e- Na 2Cl- - 2e- Cl2 Chất oxi hóa Chất khử Chất khử Chất oxi hóa

2NaCl 2Na+ + 2Cl-

+ 2Na+ + 2e- 2Na

2Cl- - 2e- Cl2

2NaCl đpnc 2Na + Cl2

(Catode) (Anode)

1.4.4. Sự điện phân dung dịch điện li

Khi điện phân dung dịch chất điện li thì tùy trường hợp, dung môi nước của dung

dịch có thể tham gia điện phân ở catode hay ở anode. Nếu nước tham gia điện phân thì:

- Ở catode: Do ở catode có quá trình khử xảy ra nên H2O sẽ đóng vai trò chất oxi

hóa, nó bị khử tạo khí hidro (H2) thoát ra, đồng thời phóng thích OH- ra dung

dịch.

+ 2H2O 2H+ + 2OH-

2H+ + 2e H2

2H2O + 2e H2 + 2OH-

- Ở anode: Do ở anode có quá trình oxi hóa xảy ra nên nước sẽ đóng vai trò chất

khử, nó bị oxi hóa tạo khí (O2) thoát ra, đồng thời phóng thích ion H+ ra dung

dịch.

+ 2H2O 2H+ + 2OH-

2OH- - 2e ½ O2 + H2O

2H2O - 2e ½ O2 + 2OH-



13

1.4.4.1. Ở Catode

Thực nghiệm cho thấy khi điện phân dung dịch các ion kim loại đứng sau nhôm

(Al) trong dãy thế điện hóa thì các ion kim loại này bị khử tạo thành kim loại bám vào

điện cực catode. Ion nào càng đứng sau thì có tính oxi hóa càng mạnh nên càng bị khử

trước ở catode.

K Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Ag Hg Pt Au

M+ + 2e- M (Kim loại đứng sau Al)

Còn khi điện phân dung dịch chứa ion kim loại từ nhôm trở về trước (ion kim loại

Al3+, Mg2+, ion kim loại kiềm thổ, ion kim loại kiềm) thì các ion kim loại này không bị

khử ở catode mà là H2O của dung dịch bị khử tạo H2 bay ra và phóng thích ion OH- vào

trong dung dịch (ion OH- kết hợp với ion kim loại tạo hydroxyt kim loại tương ứng). Có

thể hiểu là các kim loại từ Al trở về trước có tính khử rất mạnh, nên các ion kim loại này

có tính oxi hóa rất yếu, yếu hơn H2O. Do đó H2O bị khử trước ở catode, và khi hết nước

cũng không còn dung dịch nữa nên sự điện phân sẽ ngừng. Các ion kim loại từ Al trở về

trước chỉ bị khử tạo kim loại tương ứng khi điện phân nóng chảy chất điện li có chứa

các ion này.

1.4.4.2. Ở Anode

Quá trình oxi hóa ở anode phụ thuộc vào bản chất của chất làm điện cực anode và

bản chất của anion đi về phía anode.

- Nếu anode tan (không trơ, không bền): anode được làm bằng các kim loại thông

thường (trừ Pt) (như Ag, Cu, Fe, Ni, Zn, Al...) thì kim loại dùng làm anode oxi hóa

(bị hòa tan) còn các anion đi về anode không bị oxi hóa. Có thể hiểu một cách gần

đúng là kim loại được dùng làm kim loại có tính khử mạnh hơn các chất khử khác đi

về anode trong dung dịch, nên kim loại được dùng làm điện cực anode bị oxi hóa

trước. Và một khi điện cực anode bị oxi hóa (bị ăn mòn) thì đây cũng là giai đoạn

cuối ở anode. Bởi vì khi hết điện cực anode, thì sẽ có sự cách điện và sự điện phân

sẽ dừng.

- Nếu anode không tan (trơ, bền): anode được làm bằng bạch kim (Platin, Pt) hay than

chì (carbon graphit).

Nếu anion đi về anode là các anion không chứa O như Cl-, Br-, I-, S2-... thì các

anion này bị oxi hóa ở anode.



14

Nếu anion đi về anode là anion có chứa O như NO3-, SO42-, PO4

3-, CO32-... thì các

anion này không bị oxi hóa ở anode mà là H2O của dung dịch bị oxi hóa tạo O2

thoát ra, đồng thời phóng thích ion H+ ra dung dịch (ion H+ kết hợp với anion tạo

thành axit tương ứng). Và một khi nước đã bị oxi hóa ở anode thì đây cũng là

giai đoạn chót ở anode. Vì khi hết nước mới đến các chất khử khác bị oxi hóa,

lúc này không còn là dung dịch nữa, nên sự điện phân dừng.

1.4.5. Định luật Faraday

Khối lượng của chất tạo ra ở điện cực bình điện phân tỉ lệ với đương lượng của

chất đó, với cường độ dòng điện và thời gian điện phân (hay khối lượng của chất tạo ra

ở điện cực tỉ lệ với đương lượng của chất đó và điện lượng qua bình điện phân).

m𝐴 =1

96500×

MA

nA

× I × t

Trong đó:

- mA: khối lượng của chất A tạo ở điện cực (catode hoặc anode), (gam);

- MA: khối lượng phân tử (nguyên tử, ion) của A. Nếu chất A tạo ở điện cực là

phân tử thì MA là khối lượng phân tử của A; nếu A tạo ở điện cực là nguyên tử

thì MA là khối lượng nguyên tử của A; còn nếu chất A tạo ở điện cực là ion thì

MA là khối lượng ion của ion đó (ion lượng, ion khối);

- nA: hóa trị của A (chất tạo ở điện cực). Cụ thể nA bằng số điện tử trao đổi ở điện

cực để tạo ra một phân tử A (hoặc 1 nguyên tử A hoặc 1 ion A);

- 𝑀𝐴

𝑛𝐴: là đương lượng của chất A (chất tạo ở điện cực);

- I: cường độ dòng điện tính bằng Ampe (Ampère);

- t: thời gian điện phân, tính bằng giây;

- I×t = q: điện lượng qua bình điện phân, tính bằng Coulomb.



15

CHƯƠNG II

PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Thiết bị và hóa chất

2.1.1. Thiết bị

- Máy khuấy từ gia nhiệt;

- Cân phân tích PA214C, Ohaus, Mỹ;

- Máy hút chân không ;

- Tủ sấy ;

- Máy đo quang Model Genesyl 10 UV;

- Đồng hồ vạn năng;

- Máy sắc ký lỏng cao áp (HPLC);

- Máy chụp X-Ray;

- Adapter chuyển dòng ACDC;

- Cốc thủy tinh, bình định mức, ống nghiệm có nắp đậy….

2.1.2. Hóa chất

- Pb(NO3)2 tinh thể (NSX Trung Quốc);

- Cu(NO3)2.3H2O tinh thể (NSX Trung Quốc);

- Dung dịch HNO3 đậm đặc (NSX Trung Quốc);

- Chất hoạt động bề mặt gelatin (NSX Ấn Độ);

- NaCl tinh thể (NSX Trung Quốc);

- Na2SO4 tinh thể (NSX Trung Quốc);

- Phenol tinh thể (NSX Trung Quốc);

- NaOH tinh thể (NSX Trung Quốc);

- Dung dịch H2SO4 đậm đặc (NSX Trung Quốc);

- Dung dịch aceton (NSX Trung Quốc).



16

Hình 3.1. Sơ đồ lắp đặt hệ thống thiết bị thực nghiệm

2.2. Chuẩn bị vật liệu nền

Vật liệu nền để kết tủa PbO2 là carbon graphit được lấy từ Pin thải cỡ lớn, có dạng

thỏi trụ Ф = 0,75 cm, dài l = 58mm.

2.2.1. Đánh bóng

Trước khi kết tủa PbO2, bề mặt điện cực được đánh bóng bằng giấy ráp số 0 và mài

tròn một đầu, sau đó rửa sạch bằng nước máy và nước cất.

2.2.2. Tẩy dầu mỡ

2.2.2.1. Tẩy trong dung môi hữu cơ

Nhúng điện cực sau khi đã đánh bóng vào dung môi axeton và chải bằng cước, sau

đó đem rửa sạch bằng nước máy và nước cất.

2.2.2.2. Tẩy trong dung dịch kiềm nóng

Sau khi xử lý bằng axeton ta tiếp tục nhúng điện cực vào dung dịch kiềm nóng và

chảy bằng cước, sau đó đem rửa sạch bằng nước máy và nước cất.



17

2.2.2.3. Xử lý anode trong dung dịch kiềm bằng điện phân

Sử dụng chế độ điện phân:

NaOH : 10%;

Catode : Thép không rỉ 304;

Mật độ dòng anode : 0,5 A/dm2;

Mật độ dòng catode : 0,5 A/dm2;

Nhiệt độ : 250C – 300C;

Thời gian : 10 phút.

Điện cực sau khi được sử lý sẽ được ngâm vào dung dịch axit nitric 5% trong vòng

20 phút để trung hòa hết xút rồi rửa bằng nước cất đến phản ứng trung hòa (thử bằng

giấy đo pH) và sấy khô trong tủ sấy ở 800C trong 30 phút.

2.3. Chuẩn bị catode làm việc

Catode được chế tạo bằng thép không gỉ 304 dạng lồng trụ tròn để bao quanh anode.

Kích thước Ф = 3 cm, chiều dài bao quanh anode = 5 cm và chiều dài 2 thanh tiếp xúc

với cực âm của dòng điện = 3cm.

Trong quá trình hàn để chế tạo sẽ bị dính rất nhiều dầu mỡ trên bề mặt nên cần phải

xử lý.

Hình 3.2. Catode làm việc

2.3.1. Xử lý catode trong dung dịch kiềm bằng điện phân

Sử dụng chế độ điện phân:

NaOH : 10%;

Anode : Carbon graphit;

Mật độ dòng anode : 0,5 A/dm2;



18

Mật độ dòng catode : 0,5 A/dm2;

Nhiệt độ : 250C – 300C;

Thời gian : 10 phút.

Catode sau khi được sử lý sẽ được ngâm vào dung dịch axit nitric 5% trong vòng

20 phút để trung hòa hết xút rồi rửa bằng nước cất đến phản ứng trung hòa (thử bằng

giấy đo pH) và để khô.

2.4. Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quá trình điện kết tinh PbO2

Quá trình điện kết tinh PbO2 trên nền carbon graphit được thực hiện bằng cách tiến

hành điện phân anode nền trong dung dịch [6] gồm: Pb(NO3)2 0,5M; Cu(NO3)2 0,3M;

gelatin 3 g/l với mật độ dòng không đổi i = 40 mA/cm2 trong thời gian t = 1,1.tlt (tlt tính

theo Faraday), điều kiện nhiệt độ phòng thí nghiệm khoảng 250C – 300C. Hiệu quả của

quá trình điện phân được đánh giá bằng sự thay đổi khối lượng của điện cực trước và

sau khi tiến hành thí nghiệm. Cấu trúc tế vi và dạng thù hình của tinh thể PbO2 sau khi

tổng hợp ở điều kiện tối ưu sẽ được đánh giá thông qua phương pháp nhiễu xạ tia X.

Để tìm ra điều kiện tối ưu cho việc tổng hợp điện cực PbO2 tôi đã tiến hành khảo

sát các thông số ảnh hưởng đến quá trình điện kết tinh PbO2 gồm: mật độ dòng, nồng độ

ion Pb2+, nồng độ ion H+, nồng độ ion Cu2+ và gelatin.

2.4.1. Ảnh hưởng của mật độ dòng

Thực hiện quá trình điện kết tinh PbO2 với 150 ml dung dịch gồm: Pb(NO3)2 0,5M;

Cu(NO3)2 0,3M; gelatin 3 g/l ở nhiệt độ phòng với mật độ dòng thay đổi từ 10 mA/cm2

đến 60 mA/cm2 trong thời gian 1 giờ.

2.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ ion H+

Ảnh hưởng của nồng độ H+ được khảo sát ở điều kiện điện phân gồm: Pb(NO3)2

0,5M; Cu(NO3)2 0,3M; gelatin 3 g/l; với mật độ dòng tối ưu đã tìm ra và thể tích HNO3

đặc (d = 1,4 g/l) được thay đổi từ 0 đến 60 ml.

2.4.3. Ảnh hưởng của nồng độ ion Pb2+

Điều kiện để khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Pb2+ như sau: mật độ dòng, nồng độ

HNO3 tối ưu đã tìm ra ở trên; gelatin 3 g/l; Cu(NO3)2 0,3M; nhiệt độ 250C – 300C và

nồng độ Pb2+ thay đổi từ 0,3M đến 0,8M.



19

2.4.4. Ảnh hưởng của nồng độ ion Cu2+

Để khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ion Cu2+ ta tiến hành trong điều kiện điện phân

như sau: các thông số mật độ dòng, nồng độ Pb2+, nồng độ H+ tối ưu đã tìm ra, nồng độ

gelatin 3g/l. Nồng độ Cu2+ thay đổi từ 0,1M đến 0,5M.

2.4.5. Ảnh hưởng của nồng độ gelatin

Gelatin là chất hoạt động bề mặt, tạo điều kiện cho quá trình bám dính của màng

PbO2 trên vật liệu nền. Ảnh hưởng của gelatin đến quá trình điện kết tinh PbO2 được

khảo sát trong điều kiện điện phân như sau: các thông số mật độ dòng, nồng độ ion Pb2+,

Cu2+, H+ tối ưu đã tìm ra ở trên. Nồng độ gelatin thay đổi từ 1 g/l đến 4 g/l.

2.5. Khảo sát khả năng oxi hóa phenol trên điện cực PbO2

Khảo sát khả năng oxi hóa phenol trên điện cực PbO2 đã tổng hợp tại điều kiện tối

ưu bao gồm: khảo sát khả năng khoáng hóa (chuyển thành CO2 và H2O) của phản ứng

oxi hóa phenol, và độ chuyển hóa phenol bằng điện cực PbO2 đã được tổng hợp thông

qua việc đánh giá chỉ số COD ( nhu cầu oxi hóa học) và tiến hành chạy sắc kí lỏng cao

áp (HPLC), với điều kiện điện phân [1] như sau: nồng độ Na2SO4 0,15M; nồng độ NaCl

7,5 g/l; pH = 8; mật độ dòng i = 75 mA/cm2; nồng độ phenol 1000 mg/l.

Độ bền cấu trúc tinh thể của điện cực sẽ được đánh giá thông qua kết quả chụp

nhiễu xạ tia X (X-ray) của điện cực sau khi dùng để oxi hóa phenol đạt hiệu suất cao

nhất.

2.5.1. Khả năng khoáng hóa dung dịch chứa phenol của điện cực PbO2

Mức độ khoáng hóa (chuyển hóa thành CO2, H2O) của phản ứng oxi hóa phenol

được đánh giá qua chỉ số COD (nhu cầu oxi hóa học). Trị số COD của mẫu được xác

định theo phương pháp tiêu chuẩn Cr2O72-/Cr3+ trên máy đo quang tại bước sóng 420

nm và độ chuyển hóa COD được tính theo công thức:

Độ chuyển hóa COD (%) = 𝐶𝑂𝐷𝑡−𝐶𝑂𝐷𝑠

𝐶𝑂𝐷𝑡 .100

Trong đó: CODt: giá trị COD mẫu trước khi điện phân, mg O2/l;

CODs: giá trị COD mẫu sau khi điện phân, mg O2/l.

Với điều kiện điện phân [1] như trên, ta tiến hành oxi hóa 150 ml dung dịch chứa

phenol bằng mẫu anode PbO2 được tổng hợp tại điều kiện tối ưu nhất trong các khoảng

thời gian 90 phút, 150 phút và 210 phút.



20

Xây dựng đường chuẩn COD tại bước sóng 420 nm, sau đó tiến hành đo các chỉ số

COD của các mẫu dung dịch ban đầu trước và sau khi oxi hóa phenol.

2.5.2. Khả năng chuyển hóa phenol của điện cực PbO2

Hàm lượng phenol trong dung dịch trước và sau khi điện phân được xác định bằng

phương pháp sắc ký lỏng cao áp (HPLC). Độ chuyển hóa của phenol được tính như sau:

Độ chuyển hóa phenol (%) = 𝑆𝑡−𝑆𝑠

𝑆𝑡 .100

Trong đó: St: diện tích pic phenol trước khi điện phân;

Ss: diện tích pic phenol sau khi điện phân.

Với cùng điều kiện điện phân [1], ta tiến hành oxi hóa 150 ml dung dịch chứa

phenol bằng mẫu anode PbO2 được tổng hợp tại điều kiện tối ưu nhất trong các khoảng

thời gian 90 phút, 150 phút và 210 phút. Sau đó xác định độ chuyển hóa phenol như

trên.



21

CHƯƠNG III

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Kết quả khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quá trình điện kết tinh PbO2

3.1.1. Ảnh hưởng của mật độ dòng

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của mật độ dòng đến khối lượng PbO2 kết tinh trên

nền carbon graphit với điều kiện được đưa ra tại mục 2.4.1 được thể hiện trong bảng 3.1

và hình 3.1 sau:

Bảng 3.1. Ảnh hưởng của mật độ dòng đến lượng PbO2 kết tinh

i (mA/cm2) Khối lượng điện cực

trước điện phân (g)

Khối lượng điện cực

sau điện phân (g) Δm(g)

10 4,733 5,107 0,374

20 5,002 5,715 0,713

30 4,887 6,042 1,155

40 5,178 6,973 1,795

50 5,098 7,364 2,266

60 5,058 7,908 2,850

Hình 3.1. Ảnh hưởng của mật độ dòng đến lượng PbO2 kết tinh

Kết quả ở bảng 3.1 và hình 3.1 cho thấy, khối lượng PbO2 tạo thành không những

tỉ lệ với mật độ dòng mà còn có mối quan hệ tuyến tính theo định luật Faraday.

Mật độ dòng từ 10 – 40 mA/cm2 bọt xuất hiện ít, bề mặt điện cực anode thu được

màng PbO2 đặc sít theo phản ứng sau:

Pb2+ - 2e + 2H2O → PbO2 + 4H+ (3.1)

y = 0.0505x - 0.2424

R² = 0.9925

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 10 20 30 40 50 60 70

Δm

(g

)

Mật độ dòng (mA/cm2)

Δm(g)



22

Đồng thời cũng xảy ra phản ứng tạo kết tủa PbO, kết tủa này sinh ra gây ảnh hưởng

đến chất lượng của anode thu được vì PbO là tạp chất không mong muốn:

Pb2+ + 2OH- → Pb(OH)2 (3.2)

Pb(OH)2 → PbO + H2O (3.3)

Trái lại, mật độ dòng lớn hơn 40 mA/cm2 thì tốc độ thoát khí nhanh dẫn đến PbO2

kết tủa trên nền anode không thể bám vào bề mặt anode và bề mặt anode bị rỗ lớn, bị

bong tróc.

(a) (b)

(c)

Hình 3.2. Điện cực PbO2 thu được khi khảo sát mật độ dòng

a. Tại 30 mA/cm2 b. Tại 40 mA/cm2 c. > 40 mA/cm2

Kết luận: Như vậy, mật độ dòng anode tối ưu để tạo màng PbO2 đặc sít là 40 mA/cm2.

3.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ ion H+

Ảnh hưởng của nồng độ ion H+ đến khối lượng PbO2 kết tinh trên nền carbon

graphit với điều kiện điện phân tại mục 2.4.2 với mật độ dòng 40 mA/cm2 được thể hiện

ở hình 3.2 và bảng 3.2 sau:



23

Bảng 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ ion H+ đến lượng PbO2 kết tinh

V (ml) HNO3 đặc

trong 1 lít dung dịch




sau điện phân (g) Δm(g)

0 5,178 6,973 1,795

10 4,946 6,790 1,844

20 4,649 6,747 2,098

30 4,739 6,803 2,064

40 4,628 6,702 2,074

50 4,680 6,661 1,981

60 4,602 6,632 2,030

Hình 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ ion H+ đến khối lượng PbO2 kết tinh

Kết quả ở bảng 3.2 và hình 3.2 cho thấy khi thể tích HNO3 đặc trong dung dịch

điện phân tăng từ 0 đến 20 ml/l thì lượng kết tủa PbO2 đạt cực đại và độ bền cũng tăng

lên là do khi cho ion H+ vào dung dịch thì ion H+ có vai trò ngăn cản quá trình (3.4) xảy

ra và cũng hạn chế phản ứng (3.5):

Pb2+ + 2OH- Pb(OH)2 (3.4)

2OH- - 2e → H2O + ½ O2 (3.5)

Khi thay đổi nồng độ lớn hơn 20 ml/l HNO3 bề mặt của anode thu được cũng có

sự thay đổi rất rõ ràng, càng tăng nồng độ HNO3 thì bọt khí xuất hiện càng nhiều dẫn

đến bề mặt anode thu được bị rỗ xốp, điều này có thể là do khi tăng nồng độ ion H+ thì

sẽ làm tăng quá trình thoát oxi của H2O.

1.75

1.8

1.85

1.9

1.95

2

2.05

2.1

2.15

0 10 20 30 40 50 60 70

Δm

(

g)

Thể tích HNO3 (ml/l)

Δm(g)



24

(a) (b)

(c) (d)

Hình 3.4. Điện cực PbO2 thu được khi khảo sát nồng độ ion H+

a. Tại 10 ml/l HNO3 b. Tại 20 ml/l HNO3

c. Tại 30 ml/l HNO3 d. Tại 60 ml/l HNO3

Kết luận: Nồng độ HNO3 đặc 20 ml/l được chọn để kết tinh điện hóa PbO2.

3.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ ion Pb2+

Với điều kiện điện phân tại mục 2.4.3, mật độ dòng 40 mA/cm2 và nồng độ HNO3

20 ml/l. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ion Pb2+ đến khối lượng kết tinh PbO2

được thể hiện trong bảng 3.3 và hình 3.3 sau:

Bảng 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ ion Pb+ đến lượng PbO2 kết tinh

Nồng độ Pb(NO3)2

(mol/l)




sau điện phân (g)

Δm(g)

0.3 4,608 5,653 1,045

0,4 4,551 6,503 1,952

0,5 5,137 7,211 2,074

0,6 4,546 6,642 2,096

0,7 5,199 7,285 2,086

0,8 5,152 7,230 2,078



25

Hình 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ ion Pb2+ đến khối lượng PbO2 kết tinh

Từ bảng 3.3 và hình 3.3 ta nhận thấy, tại mật độ dòng 40 mA/cm2 khi nồng độ

Pb(NO3)2 thay đổi từ 0,3M đến 0,8M thì khối lượng kết tủa PbO2 tăng dần và đạt cực

đại tại nồng độ 0,6M, lớn hơn 0,6M khối lượng kết tủa hầu như không tăng mà còn có

xu hướng giảm. Nguyên nhân, khi tăng nồng độ Pb2+ thì các phản ứng (3.2) và (3.3) sẽ

xảy ra gây ảnh hưởng đến phản ứng điện kết tinh PbO2 trên điện cực.

Kết luận: Vậy, nồng độ Pb(NO3)2 0,6M được chọn cho quá trình tổng hợp màng PbO2.

3.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ ion Cu2+

Trong quá trình điện phân tạo màng PbO2, ngoài phản ứng oxi hóa ion Pb2+ tại

anode, thì tại catode ion Pb2+ cũng bị khử thành Pb, điều này được thể hiện rõ trên lưới

catode trong quá trình khảo sát, ngoài lớp Cu bám trên catode thì vẫn xuất hiện các kết

tủa màu đen xám của Pb. Để hạn chế phản ứng trên thì ion Cu2+ được thêm vào dung

dịch điện phân. Ảnh hưởng của nồng độ Cu(NO3)2 đến quá trình điện kết tinh PbO2 được

nghiên cứu trong điều kiện điện phân tại mục 2.4.4 với mật độ dòng 40mA/cm2, nồng

độ ion H+ 20 ml/l, nồng độ ion Pb2+ 0,6M. Các kết quả được trình bày trong bảng 3.4.

Bảng 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ Cu2+ đến lượng PbO2 kết tinh

Nồng độ Cu(NO3)2

(mol/l)




sau điện phân (g)

Δm(g)

0,1 5,114 7,18 2,066

0,2 4,625 6,682 2,057

0,3 4,617 6,673 2,056

0,4 4,511 6,618 2,107

0,5 4,635 6,623 1,988

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Δm

(g

)

Nồng độ ion Pb2+ (mol/l)

Δm(g)



26

Kết quả ở bảng 3.4 cho thấy, khi nồng độ Cu(NO3)2 thay đổi thì hầu như cấu trúc

tế vi và khối lượng kết tinh của PbO2 thu được không bị ảnh hưởng nhiều vì thực chất

chỉ có một lượng ion Pb2+ tương đối tham gia phản ứng khử tạo Pb.

Khi tăng nồng độ ion Cu2+ từ 0,1M đến 0,3M thì hầu như khối lượng PbO2 kết tinh

thu được dao động rất nhỏ nhưng lớp PbO2 kết tinh thu được rất bị dễ bong tróc. Nồng

độ ion Cu2+ lớn hơn 0,4M thì khối lượng PbO2 kết tinh giảm mạnh.

Trái lại, khi nồng độ Cu(NO3)2 ở mức 0,4M thì khối lượng PbO2 kết tinh thu được

tương đối lớn và lớp màng PbO2 thu được bền hơn rất nhiều.

(a) (b)

Hình 3.6. Ion Cu2+ bị khử thành Cu bám lên catode trong quá trình điện phân

a. Catode trước khi điện phân b. Catode trong khi điện phân

Kết luận: Nồng độ Cu(NO3)2 0.4M được chọn cho quá trình tổng hợp màng PbO2.

3.1.5. Ảnh hưởng của nồng độ gelatin

Gelatin là chất hoạt động bề mặt, có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của dung

dịch điện phân đối với bề mặt vật liệu nền anode carbon graphit tạo điều kiện cho quá

trình bám dính của màng PbO2 trên vật liệu nền. Ảnh hưởng của gelatin đến quá trình

điện kết tinh PbO2 được khảo sát trong điều kiện điện phân tại mục 2.4.5 với mật độ

dòng 40 mA/cm2; nồng độ ion H+ 20 ml/l; nồng độ ion Pb2+ 0,6M; nồng độ ion Cu2+

0,4M. Kết quả thu được trình bày trong bảng 3.5.



27

Bảng 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ gelatin đến lượng PbO2 kết tinh

Nồng độ gelatin

(g/l)




trước điện phân (g) Δm(g)

1 4,648 6,658 2,010

2 4,539 6,697 2,158

3 4,561 6,665 2,104

4 4,682 6,709 2,027

5 4,716 6,659 1,943

Từ kết quả ở bảng 3.5 ta thấy, tại nồng độ 2 g/l gelatin thu được khối lượng PbO2

lớn nhất, nhưng trong quá trình khảo sát thì điện cực thu được tại nồng độ gelatin 1 g/l

láng mịn hơn và có thể nhận thấy rõ bằng mắt thường. Khi tăng nồng độ gelatin vượt

trên mức 2 g/l thì có hiện tượng xuất hiện nhiều bọt khí làm bề mặt điện cực bị rỗ, khối

lượng PbO2 thu được cũng giảm đi.

Kết luận: Vậy nồng độ gelatin 1 g/l được chọn cho quá trình tổng hợp PbO2.

Hình 3.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu PbO2 tổng hợp ở điều kiện tối ưu.

Kết quả phân tích mẫu PbO2 bằng phương pháp nhiễu xạ tia X cho thấy xuất hiện

các pic d = 3,50547 (2θ =25,5o), d = 1,8513 (2θ =69o) và có hệ số mạng (angstron) a =

4,955, b = 4,955, c = 3,383 đặc trưng cho β-PbO2 (Tetragonal), ngoài ra còn có sự xuất



28

hiện của PbO2 dạng α tại d = 2,78093 (2θ =32o), các giá trị d và hệ số mạng (angstron)

tương ứng của α-PbO2 và β-PbO2 được tra trong bảng 1.1.

3.2. Kết quả khảo sát khả năng oxi hóa phenol trên điện cực PbO2

3.2.1. Khả năng khoáng hóa dung dịch chứa phenol của điện cực PbO2

Khả năng khoáng hóa dung dịch chứa phenol của điện cực PbO2 với điều kiện điện

phân tại mục 2.5.1 được thể hiện trong bảng 3.6.

Bảng 3.6. Độ chuyển hóa COD của dung dịch điên phân theo thời gian

SST Điện cực Thời gian oxi hóa( Phút) Độ chuyển hóa COD(%)

1 90 47,113

2 150 79,027

3 210 92,705

Từ bảng 3.6 ta nhận thấy khả năng khoáng hóa các chất trong dung dịch thành CO2

và H2O của điện cực PbO2 đã được nghiên cứu tổng hợp tăng dần theo thời gian và đạt

hiệu suất chuyển hóa trên 92%, điều này chứng tỏ khả năng ứng dụng của điện cực PbO2

đã tổng hợp nên là rất cao.

3.2.2. Khả năng chuyển hóa phenol của điện cực PbO2

Với điều kiện điện phân tại mục 2.5.2, khả năng oxi hóa điện hóa phenol của điện

cực PbO2 được thể hiện ở hình 3.5 và hình 3.6.

Hình 3.8. Kết quả sắc ký lỏng cao áp của mẫu dung dịch chứa Phenol trước và sau điện

phân.



29

Hình 3.9. Đồ thị thể hiện độ chuyển hóa của phenol sau điện phân theo thời gian

Kết quả thu được từ hình 3.9 cho ta thấy, khả năng oxi hóa dung dịch chứa phenol

của điện cực PbO2 đạt trên 99%, điều này chứng tỏ điện cực thu được sau quá trình

nghiên cứu có khả năng ứng dụng xử lý nước thải có chứa phenol.

Hình 3.10. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu PbO2 sau khi oxi hóa phenol.

Hình 3.10 cho ta thấy kết quả phân tích nhiễu tia X mẫu PbO2 sau khi oxi hóa

phenol, các vạch biểu thị cho cấu trúc β-PbO2 (Tetragonal) ko bị biến đổi. Điều này có

thể khẳng định thấy độ bền hóa học của điện cực PbO2 đã tổng hợp rất cao có thể sử

dụng làm anode trong các quá trình điện hóa.

99.39% 99.75% 99.97%

0

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200 250

Độ c

hu

yển

hóa (%

)

Thời gian điện phân (phút)

% Chuyển hóa phenol



30

CHƯƠNG IV

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

4.1. Kết luận

Đã nghiên cứu và tổng hợp thành công điện PbO2 trên nền carbon graphit bằng

phương pháp oxi hóa ion Pb2+ với catode làm bằng thép không gỉ 304 trong điều kiện

tối ưu. Điện cực thu được có bề mặt nhẵn mịn, đặc sít và có cấu trúc tinh thể chủ yếu là

dạng β-PbO2.

Khả năng oxi hóa phenol trên điện cực tổng hợp được cho kết quả tốt:

- Khi điện phân dung dịch phenol có nồng độ khoảng 1000 mg/l với các điều kiện tối

ưu thì độ chuyển hóa của phenol đạt gần như hoàn toàn (> 99%) và khả năng khoáng

hóa thành CO2 và H2O đạt trên 79%;

- Cấu trúc tế vi của điện cực PbO2 hầu như không thay đổi sau khi điện phân oxy hóa

phenol. Do đó, điện cực anode PbO2 sau khi nghiên cứu tổng hợp rất có khả năng

được ứng dụng làm điện cực anode để xử lý phenol trong nước bằng phương pháp

điện hóa.

Vì không cần sử dụng lưới Pt để làm catode nên kết quả nghiên cứu này góp phần

phần giảm chi phí trong quá trình tổng hợp điện cực PbO2.

4.2. Kiến nghị

Để có thể hoàn thiện việc nghiên cứu tổng hợp điện cực anode PbO2 bằng phương

pháp điện phân, trên cơ sở kết quả của nghiên cứu này, tôi đề xuất các hướng nghiên

cứu tiếp theo:

- Tiếp tục khảo sát khả năng oxi hóa điện hóa dung dịch chứa hỗn hợp các chất thải

hữu cơ khác nhau của điện cực PbO2.

- Tiếp tục nghiên cứu khả năng oxi hóa điện kết tinh PbO2 trên các loại vật liệu anode

nền khác (thép không gỉ 304, Ti…).

- Xác định được độ cứng và độ bám dính của màng PbO2 kết tinh trên vật liệu anode

nền.



31

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Nguyễn Văn Đức (2008). Nghiên cứu quá trình điện kết tinh PbO2 bằng phương

pháp oxi hóa dung dịch Pb2+. Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ, Huế.

[2]. Lê Tự Hải (2008). Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng – Số 5 (28).

[3]. Đinh Thị Mai Thanh, Nguyễn Thị Lê Hiền 2005. Nghiên cứu cấu trúc lớp PbO2 kết

tủa điện hóa trên nền Titan. Tạp chí Khoa học Công nghệ Việt Nam, Tập. 43, số

ĐB, Tr. 14.

[4]. Đinh Thị Mai Thanh, Phạm Thị Năm, Nguyễn Thị Thu Trang, Đỗ Thị Hải (2010).

Nghiên cứu lựa chọn điều kiện tối ưu tổng hợp PbO2 trên thép không rỉ bằng phương

pháp dòng áp đặt. Tạp chí khoa học, T. 48 (4C), Tr. 313-318.

[5]. Nguyễn Đình Triệu (1999). Các phương pháp vật lý ứng dụng trong hóa học. NXB

Đại học Quốc gia Hà Nội.

[6]. Nguyễn Văn Tới (2011). Tổng hợp điện cực PbO2 trên nền carbon graphit. Kỉ yếu

Hội nghị khoa học sinh viên, Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm, Tr. 28.

[7]. D. Pletcher, F. C. Walsh (1993). Industrial Electrochemistry. Blackid Academic &

Profession, London – Glasgow – New York – Melbournl.

[8]. D. Devilliers, M. T. Dinh Thi, E. Mahộ, Q. Le Xuan (2003). Electrochimie Acta.

48, 4301 – 4309.

[9]. J. Mohan, R. Prakash, J. R. Behari (2004). Applied Ecology and Environmental

Research. 2(2), 25 – 33.

[10]. N. Belhadj Tahar (2006). Journal of the Brazilian Chemical Society. 17(2), 369 –

373.

[11]. G. Angel and H. Mellquist (1934). Electrochem. 40, 702 (Ger. 140,317; 195,117;

206,329).

[12]. K. Sugino and Y. Shibazaki (1948). ibid. 16(9).

[13]. Grigger JC, Miller HC, Loomis FD (1958). Lead dioxite anode for commercial

use. J electrochem Soc 105, 100 – 102.



32

[14]. Sugino, K., and Aoyagi (1956). Studies on the Mechanism of the Electrolytic

Formation of Perchlorate. Journal of Electrochemical Society, Vol. 103, No. 3,

pp.166-170.

[15]. Sở tài nguyên môi trường TPHCM (2012). Danh mục chi tiết của các chất thải

nguy hiểm và chất thải có khả năng là chất thải nguy hiểm. [Internet] 2012. Lấy từ:

URL: www.donre.hochiminhcity.gov.vn/2012/ChatThaiNguyHai234.docx.

[16]. Võ Hồng Thái (2008). Giáo trình hóa hữu cơ. Lấy từ URL: http://www.zun.vn/tai-

lieu/giao-khoa-hoa-huu-co-vo-hong-thai-phenol-4972/.

[17]. Tàiliệu.vn. Hiệu ứng Hall. Lấy từ URL: http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/hieu-ung-

hall.873251.html.

http://www.zun.vn/tai-lieu/giao-khoa-hoa-huu-co-vo-hong-thai-phenol-4972/

http://www.zun.vn/tai-lieu/giao-khoa-hoa-huu-co-vo-hong-thai-phenol-4972/

http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/hieu-ung-hall.873251.html

http://tailieu.vn/xem-tai-lieu/hieu-ung-hall.873251.html

Documents

LỜI MỞ ĐẦU - thuvienso.bvu.edu.vn