Báo cáo nghiên cứu khoa học: "NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA pH VÀ NỒNG ĐỘ ION CLO CHO ĐẾN QUÁ TRÌNH HOÀ TAN ANÔT FE" ppt

NGHIấN CU NH HNG CA pH V NNG
ION CLO CHO N QU TRèNH HO TAN ANễT FE
STUDY ON THE INFLUENCE OF pH AND CHLORIDE ION
CONCENTRATION ON THE ANODIC DISSOLUTION OF IRON


Lấ T HI
Trng i hc S phm, i hc Nng


TểM TT
nh hng ca nng ion clo v pH n s hũa tan anụt ca Fe trong dung dch nc ó
c nghiờn cu bng phng phỏp o ng cong phõn cc v ph tng tr in húa
(EIS). Cỏc kt qu thu c cho thy rng tc hũa tan anụt tng tuyn tớnh vi s tng
nng ion Cl Tc hũa tan anụt gim khi pH tng v t giỏ tr cao nht pH = 3,0 v
thp nht ti pH = 11,0. Dng th Nyquist ca ph tng tr gm mt bỏn cu. ng kớnh
ca bỏn cu ph thuc vo pH dung dch.
ABSTRACT
The effect of chloride ion concentration and pH on the anodic dissolution of Iron in aqueous
solutions has been studied by using electrochemical polarization curves and electrochemical
impedance spectroscopy (EIS). It has been discovered that the rate of anodic dissolution
increased linearly with increasing Cl
-
concentration. With increasing pH, the rate of anodic
dissolution decreased, being highest at pH 3.0 and lowest at pH 11.0.
The Nyquist impedance plots consisted only of one semicircle. The diameter of semicircle was
dependent upon solution pH.


1. Mở đầu
Phơng pháp keo tụ điện hóa đợc sử dụng rộng rãi để xử lý nớc thải chứa chất thải thực

phẩm, kim loại nặng, các hợp chất hữu cơ và nớc thải dầu [1,2]. Keo tụ điện hóa cũng đợc
sử dụng để tách các hợp chất phôtphat và xử lý nớc thải của nhà máy dệt [3]. Trong phơng
pháp keo tụ điện hóa, chất keo tụ đợc tạo thành bằng phản ứng oxi hóa điện cực anôt hòa tan.
Quá trình hòa tan anôt kim loại ảnh hởng đến hiệu suất quá trình keo tụ điện hóa và chịu ảnh
hởng của một số yếu tố trong môi trờng.
Trong bài báo này, ảnh hởng của ion clo và pH dung dịch đến quá trình hòa tan anôt sắt
đợc nghiên cứu bằng phơng pháp đo đờng cong phân cực anôt thế động và phơng pháp
phổ tổng trở điện hóa (EIS).
2. Phơng pháp thực nghiệm
Phép đo phổ tổng trở và đờng cong phân cực đợc tiến hành trong bình đo 3 điện cực:
Điện cực so sánh là điện cực calomen bão hòa (SCE), điện cực phụ là thanh graphit, điện cực
làm việc là một đĩa sắt (Fe 99,7%) có diện tích 1cm
2
.
Trớc mỗi phép đo, bề mặt điện cực đợc tẩy cơ học bằng giấy nhám SiC (1200), tẩy mỡ
trong axeton và rửa lại bằng nớc cất.
Đờng cong phân cực anôt thu đợc bằng phơng pháp quét thế tuyến tính với tốc độ quét
thế 5mV/s từ -1V đến +1V so với (SCE). Phổ tổng trở đợc đo trong vùng tần số 10mHz -
10KHz với thế A.C là 10mV. Tất cả các phép đo điện hóa đợc tiến hành trên thiết bị PAR-
potentiostat- model 273A và 1025FRD (Frequency Response Detector) [4].
Quá trình hòa tan anôt Fe đợc nghiên cứu trong dung dịch NaCl có nồng độ 0,01M;
0,03M; 0,1M và 0,3M ở các giá trị pH khác nhau. pH dung dịch đợc điều chỉnh bằng dung
dịch HCl và NaOH đậm đặc.

3. Kết quả và thảo luận
3.1.Đờng cong phân cực anôt thế động
Kết quả đo đờng cong phân cực của Fe trong các dung dịch NaCl tại giá trị pH= 3,0; 7,0;
11,0 đợc trình bày ở hình 1.

(a) (b)

(c)
Hình 1.
Đờng cong phân cực anôt Fe trong dung dịch các NaCl

ở các môi trờng: a
- pH=3,0; b- pH = 7,0; c- pH = 11,0

Các kết quả đo cho thấy Fe dễ bị hòa tan ở vùng thế anôt trong dung dịch trung tính và
axit; đồng thời không có màng thụ động hình thành trên bề mặt điện cực. Trong dung dịch
kiềm (pH = 11,0), trên bề mặt điện cực có tạo màng thụ động trong vùng thế thụ động.
Tốc độ hòa tan anôt Fe trong các môi trờng pH khác nhau tăng khi nồng độ NaCl
tăng. Nguyên nhân này là do ion Cl
-
tơng tác với màng và phá hủy nó theo các phản ứng sau:
FeOOH + Cl
-
FeOCl + OH
-
(1)
FeOCl + H
2
O Fe
3+
+ Cl
-
+ 2OH
-
(2)

ảnh hởng của pH đến đờng cong phân cực anôt Fe trong các dung dịch NaCl đợc
trình bày ở hình 2.

(a) (b)

( c ) (d)

Hình 2.
Đờng cong phân cực anôt Fe trong dung dịch NaCl có nồng độ:

a- 0,01M; b- 0,03M; c- 0,1M; d- 0,3M

Tốc độ hòa tan anôt Fe tăng khi pH giảm. Phản ứng hòa tan Fe trong các môi trờng
nh sau:
Fe Fe
2+
+ 2e (3)
Tuy nhiên, do ảnh hởng của phản ứng khử catôt trong các môi trờng khác nhau, nên
tốc độ hòa tan anôt Fe cũng thay đổi.
Theo [5] trong dung dịch trung tính (pH = 7,0) có một màng oxit Fe hai xốp hình
thành trên bề mặt và oxi bị khử theo phơng trình sau:
O
2
+ H
2
O + 4e 4OH
-
(4)
Trong dung dịch axit ( pH = 3,0) màng oxit Fe hai bị hòa tan và tốc độ hòa tan anôt
tăng lên. Ion H

+
trong môi trờng bị khử theo phơng trình:
2H
+
+ 2e H
2
(5)
ở môi trờng pH = 11,0 tốc độ hòa tan anôt chậm do bởi sự hình thành lớp màng oxit
Fe
3+
với sự có mặt của oxi hòa tan.


3.2. Phổ tổng trở điện hóa (EIS)
Hình 3 trình bày phổ tổng trở dạng Nyquist của Fe trong dung dịch NaCl 0,1M ở giá
trị pH = 3,0; 7,0 và 11,0.


a. b.

c.
Hình 3. Đồ thị tổng trở dạng Nyquist của Fe trong dung dịch NaCl 0,1M
trong các môi trờng:
a- pH 3.0; b- pH 7.0; c- pH 11.0

Các phổ Nyquist thu đợc chỉ gồm một bán cầu. Đồng thời đờng kính của bán cầu lớn
nhất trong môi trờng pH = 11,0 và nhỏ nhất trong môi trờng pH = 3,0. Điều này cho thấy
tốc độ hòa tan anôt Fe lớn nhất trong môi trờng pH =3,0 và nhỏ nhất trong môi trờng pH =
11,0. Kết quả này phù hợp với kết quả đo đừơng cong phân cực.
Từ các số liệu phổ tổng trở và sử dụng chơng trình ZSimp Win, mạch điện hóa tơng

đơng của phản ứng ăn mòn Fe trong dung dịch nghiên cứu nh hình sau:
C
dl
R
S
R
P


R
p
: Điện trở phân cực R
s
: Điện trở dung dịch C
dl
: Điện dung lớp kép
4. Kết luận
- Tốc độ hòa tan anôt Fe trong dung dịch NaCl giảm khi tăng giá trị pH, lớn nhất ở pH
= 3,0 và thấp nhất ở pH = 11,0. Trong các môi trờng khác nhau, tốc độ hòa tan anôt tăng khi
tăng nồng độ NaCl.
- Trong môi trờng axit và trung tính Fe không thể hiện tính thụ động. Trong môi
trờng kiềm màng thụ động xuất hiện trong vùng thế thụ động.
- Các kết quả đo phổ tổng trở cho thấy đồ thị Nyquist chỉ gồm một bán cầu và mạch
điện hóa tơng đơng của phản ứng hòa tan anôt Fe là mạch Randle.


TI LIU THAM KHO

[1] E. C. Beck, A. P. Giannini, Food Technol, 18 19, 22, 1974.
[2] D. R. Jenke and F. E. Diebold, Water Research, 18, 855, 1984.

[3] J. S. Do and M. L. Chen, J. Appl. Electrochem, 24 785 790, 1994.
[4] J. R. Macdonal, Impedance Spectroscopy, Chapel Hill, New York, 1987.
[5] Denny A. Jones, Principles and prevention of corrosion, Prentice Hall, London
Sydney, 1996.