Nghiên cứu quy trình điện phân cadimi

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp
MỞ ĐẦU

Trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày nay, sự phát triển
luôn gắn với tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng tăng. Trong đó, ô
nhiễm do kim loại nặng như cadimi, chì, asen… thải ra từ các ngành công
nghiệp là mối đe dọa nghiêm trọng đối với sức khỏe con người và sự an toàn
của hệ sinh thái.
Hiện nay, nhiều ngành công nghiệp đều đổ trực tiếp chất thải chưa xử lí
ra môi trường. Kim loại nặng, độc tố là các thành phần đặc trưng của các chất
thải công nghiệp.
Ô nhiễm kim loại nặng gây ra những tác hại nhất định (asen có thể gây
ung thư, cadimi gây ra huyết áp cao, đau thận, phá hủy các mô và tế bào máu,
chì rất độc ảnh hưởng tới thận và thần kinh…), các kim loại này khi thải vào
nước làm cho nước bị nhiễm bẩn, mất đi một số tính chất hóa lí đặc biệt cũng
như những tính chất và thành phần thay đổi làm ảnh hưởng xấu đến môi
trường sinh thái và sức khỏe con người. Việc nhận biết nước bị ô nhiễm có
thể căn cứ vào trạng thái hóa học, vật lí, hóa lí, sinh học của nước. Ví dụ: khi
nước bị ô nhiễm sẽ có mùi khó chịu, vị không bình thường, màu không trong
suốt, số lượng thủy sinh vật giảm , cỏ dại phát triển, nhiều mùn, hoặc có váng
dầu mỡ trên mặt nước…
Số lượng ngày càng tăng của kim loại nặng trong môi trường là nguyên
nhân gây ra nhiễm độc với đất, không khí và nước. Việc loại trừ các thành
phần chứa kim loại nặng độc ra khỏi các nguồn nước, đặc biệt là nước thải
công nghiệp là mục tiêu quan trọng phải giải quyết hiện nay.
Đã có nhiều phương pháp được đưa ra nhằm loại bỏ kim loại nặng trong
nước thải trước khi thải ra môi trường: phương pháp hóa lí, phương pháp sinh
học, phương pháp hóa học… Trong đó, phương pháp dùng các chất hấp phụ

Vũ Thị Mơ

1

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

để loại bỏ ion kim loại nặng được dùng khá phổ biến. Vật liệu composit
polyanilin và phụ phẩm nông nghiệp (vỏ lạc, vỏ trấu, rơm,…) có khả năng
hấp phụ kim loại nặng cao và dễ hoàn nguyên. Dung dịch sau khi hoàn
nguyên có thể dùng phương pháp điện phân để xử lý triệt để ion kim loại nặng
trước khi thải ra môi trường.
Và trong khóa luận này, em xin chọn đề tài “ Nghiên cứu quy trình
điện phân cadimi” ứng dụng xử lí nước ô nhiễm cadimi.

Vũ Thị Mơ

2

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về cadimi
1.1.1. Tồn tại trong tự nhiên [20]
Cadimi được phát hiện năm 1817, bình quân khoảng 0,1 mg/kg trong lớp
vỏ Trái đất. Tuy nhiên có thể tìm thấy trong các loại đá trầm tích với hàm
lượng cao hơn như đá trầm tích phosphate biển thường chứa khoảng
15mg/kg. Hàng năm, sông ngòi vận chuyển 1 lượng lớn cadimi khoảng 15000
tấn đổ vào các đại dương (GESAMP, 1984 trích trong WHO, 1992). Hàm
lượng cadimi đã được báo cáo có thể lên đến 5mg/ kg trong các trầm tích
sông hồ, từ 0,03 đến 1 mg/kg trong các trầm tích biển (Korte, 1983 trích trong
WHO, 1992). Hàm lượng cadimi trung bình trong đất ở những vùng không có
sự hoạt động của núi lửa biến động từ 0,01 đến 1 mg/kg, ở những vùng có sự
hoạt động của núi lửa thì hàm lượng này lên đến 4,5 mg/kg (Korte, 1983 trích
trong WHO, 1992). Tuy nhiên theo Murray (1994) hàm lượng cadimi trong
đất hiện diện trung bình 0,06 đến 1,1 ppm.
Hàm lượng của cadimi trong phân lân biến động khác nhau tùy thuộc vào
nguồn gốc của đá phosphate. Phân lân có nguồn gốc từ đá phosphate Bắc
Carolina chứa cadimi 0,054 g/kg, phân lân có nguồn gốc từ đá Sechura chứa
hàm lượng cadimi 0,012 g/kg, trong khi đó phân lân có nguồn gốc từ đá
phosphate Gafsa chứa 0,07 g/kg.
1.1.2. Tính chất lí - hóa
1.1.2.1. Tính chất của đơn chất [1], [2]
Cadimi thuộc nhóm IIB, nằm ở ô 48, chu kì 5, là kim loại rất độc. Cadimi
là kim loại màu trắng bạc nhưng ở trong không khí ẩm, chúng dần bị bao phủ
bởi màng oxit nên mất ánh kim. Trong tự nhiên, cadimi có 8 đồng vị bền,
trong đó 114 Cd chiếm 28% và 112 Cd chiếm 24,2%. Đặc biệt đồng vị bền 113 Cd

Vũ Thị Mơ

3

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

có tiết diện bắt notron rất lớn nên cadimi kim loại được dùng làm thanh điều
chỉnh dòng notron trong lò phản ứng nguyên tử.
Cadimi mềm và dễ nóng chảy, có thể dát mỏng kéo thành sợi.
Bảng 1: Một số đặc tính của cadimi
Đặc tính

Dữ liệu

Cấu hình electron

[Kr] 4d10 5s2

Năng lượng ion hóa

I1= 8,99V, I2= 16,9V, I3 =37,7V

Bán kính nguyên tử(A0)

1,56

Thế điện cực tiêu chuẩn (V)

-0,402 V

T0nc(0C)

321

T0s(0C)

767

Nhiệt thăng hoa ( kJ/mol)

112

Tỉ khối

8,63

Độ âm điện

13

Cadimi tương đối hoạt động. Trong không khí ẩm, cadimi bền ở nhiệt độ
thường nhờ có màng oxit bảo vệ nhưng ở nhiệt độ cao thì cháy mãnh liệt cho
ngọn lửa màu xanh sẫm. Thực tế, người ta dùng những lớp mạ cadimi để bảo
vệ kim loại không rỉ (những chi tiết máy móc của ôtô, xe tăng, máy bay và tàu
thủy, thường xuyên tiếp xúc với môi trường ăn mòn, được mạ bằng cadimi),
lớp mạ cadimi bền và đẹp.
Cadimi tác dụng với halogen, lưu huỳnh và các nguyên tố phi kim khác
như photpho, selen…

Ở nhiệt độ thường, cadimi bền với nước vì có màng oxit bảo vệ, ở nhiệt
độ cao khử hơi nước biến thành oxit:
Cd

Vũ Thị Mơ

t
+ H2O 
 CdO + H2
0

4

(1)

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Cadimi có thế điện cực khá âm, nó tác dụng dễ dàng với axit không phải
là chất oxi hóa giải phóng khí hidro:
+ 2H3O+ + 2H2O

Cd

 [Cd(H2O)4] 2+ + H2

(2)

1.1.2.2. Các hợp chất của Cadimi
Ion Cd2+ là một ion rất độc, thường tồn tại ở dạng muối halogenua CdX 2
(X: halogen) và Cd(NO3)2.
Ion Cd2+ có khả năng tạo phức với nhiều phối tử khác nhau, thường có
số phối trí đặc trưng là 6.
 Cadimioxit
CdO có màu vàng hoặc nâu đen phụ thuộc quá trình chế hóa nhiệt. CdO
rất khó nóng chảy, nhiệt độ nóng chảy là 1813 0 C , thăng hoa khi đun nóng,
hơi của nó rất độc.
Trong tự nhiên, nó tồn tại dạng khoáng vật Monteponit.
CdO không tan trong nước, tan trong axit và chỉ tan trong kiềm nóng
chảy:

CdO+2KOHnc  K2CdO2 +H2O

(3)

CdO được điều chế bằng cách đốt cháy kim loại trong không khí hoặc
nhiệt phân các muối hiđroxit hay các muối nitrat, cacbonat.
170-300 C
Cd(OH)2 
 CdO + H2O
0

(4)

t
CdCO3 

 CdO + CO2
0

(5)

 Hidroxit Cd(OH)2
Cd(OH)2 là kết tủa nhầy, màu trắng, rất ít tan trong nước.
Cd(OH)2 không thể hiện rõ tính lưỡng tính, tan trong dung dịch axit,
không tan trong dung dịch kiềm, chỉ tan trong kiềm nóng chảy, tan trong dung
dịch NH3 tạo thành amoniacat.

Vũ Thị Mơ

5

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Cd(OH)2 +2HCl  CdCl2 +2H 2O
Cd(OH)2 +4NH3  [Cd(NH3 )4 ](OH)2

(6)
(7)

Cd(OH)2 được tạo ra khi cho dung dịch muối Cd2+ tác dụng với dung dịch kiềm.
 Muối của Cd(II)

Các muối halgenua (trừ florua), nitrat, sunfat, peclorat, axetat của
cadimi(II) đều dễ tan trong nước. Còn các muối sunfua, cacbonat,
orthophotphat và muối bazo ít tan. Những muối tan khi kết tinh từ dung dịch
nước thường ở dạng hidrat Cd(NO3)2.4H2O, CdCl2.H2O….
Đa số muối đơn giản không màu, CdS có màu vàng, Cd2SCl2 màu da
cam, muối đihalogenua ở dạng tinh thể trắng, nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy
khá cao. Các muối bị thủy phân trong dung dịch nước Cd2+ có khả năng tạo
phức, thường gặp [CdX4]2-, (X: Cl- ,Br - ,I- ,CN- ), [Cd(NH3)4]2+ , (Cd(NH3)6]2+.
1.1.3. Ứng dụng và tác hại của cadimi [20], [21]
* Ứng dụng
Trong công nghiệp, cadimi được ứng dụng chủ yếu làm lớp mạ bảo vệ
thép, chất ổn định trong PVC, chất tạo màu trong nhựa và thủy tinh, và trong
hợp phần của nhiều hợp kim là một trong những nguyên nhân giải phóng
cadimi vào môi trường.
Ngoài ra, nó còn ứng dụng trong một số lĩnh vực như chất quang dẫn,
chất bán dẫn, pin, đèn chân không, màn X-quang và màn nhấp nháy. Các chất
này còn được dùng trong kỹ thuật đúc, điện, sản xuất gương, trong lĩnh vực
bôi trơn, phân tích hoá học và còn được dùng trong lĩnh vực thú y do tính chất
diệt nấm, diệt giun và trong xúc tác. Chúng còn được dùng trong que hàn và
nhất là trong các que hàn nhôm

Vũ Thị Mơ

6

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

* Tác hại
Các kim loại nặng có nồng độ vi lượng là các nguyên tố dinh dưỡng cần
thiết cho sự phát triển bình thường của con người. Tuy nhiên, khi vượt quá
hàm lượng cho phép sẽ gây ra tác động nguy hại đến sức khỏe con người.
Cadimi là một kim loại độc có trong tự nhiên với nồng độ thấp, được tìm
ra từ năm 1917, nhưng từ 1930 mới được sử dụng với số lượng đáng kể. Sản
lượng cadimi trên thế giới là 18000 đến 25000 tấn/ năm.
Do có nhiều ứng dụng mà người ta chỉ thu hồi được 10% cadimi đã sử
dụng còn phần lớn bị thoát vào môi trường, kể cả quặng bẩn và xỉ có khi chứa
đến 30% kim loại này. Khi người ta cộng thêm vào lượng chất thải này số
lượng thoát ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hoá thạch tới 5000 tấn/năm thì
số lượng thoát tự nhiên trở nên không quan trọng, thậm chí không đáng kể.
Ở đây, ta nên ghi nhớ là quặng thải (cộng thêm với các chất thải ở các
mỏ hình thành từ ngay chính quá trình khai thác) là nguồn chất thải chính của
nghành công nghiệp hoá chất. Chất thải có thể tích lớn nhất là các phosphate
nhiễm cadimi với hàm lượng khác nhau tuỳ theo nguồn gốc địa lý. Ở Mỹ
chẳng hạn, năm 1988, công nghiệp phosphate đã sản sinh ra 204 triệu tấn chất
thải lỏng. Ta có thể nhận thấy sự quá tải về cadimi của hệ sinh thái và các đại
dương. Hơn nữa, do các vùng quặng giàu ít dần đi, người ta phải khai thác các
mỏ ngày càng nghèo và tạo ra nhiều chất thải hơn cho cùng 1 lượng quặng,
bởi vậy những kim loại nặng sẽ gia tăng trong môi trường của chúng ta một
cách mạnh mẽ và liên tục.
Cadimi đổ vào hệ sinh thái từ nhiều nguồn khác nhau:
 Khói bụi, nước thải khi chế biến chì, thiếc, sắt, thép...
 Nước rửa trong ngành đúc điện.
 Khi bào mòn các lốp xe, trong trường hợp này thì cadimi có trong chất xúc
tiến lưu hoá và các nhiên liệu diesel.

Vũ Thị Mơ

7

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

 Trong phân lân, trong đó có cadimi là tạp chất.
 Trong bùn thải của các trạm làm sạch nước.
Người ta ước tính tổng lượng cadimi đổ vào đại dương lên tới 8000
tấn/năm mà một nửa có nguồn gốc từ các hoạt động của con người. Người ta
chưa biết được sự tiến triển của cadimi trong các đại dương sẽ như thế nào.
Cuối cùng cadimi và các hợp chất của nó có trong danh sách đen của công
ước London về cấm thải các chất độc ra biển.
Nhưng cadimi cũng có trong không khí của một số xí nghiệp (ví dụ như
nhà máy sản xuất pin). Sự tiếp xúc nghề nghiệp với chất này đặc biệt nguy
hiểm khi nó ở dạng khói. Ở đây cũng cần chú ý rằng những người nghiện
thuốc lá hít nhiều cadimi. Một điếu thuốc lá chứa 1,5-2g kim loại này và
người nghiện hít vào 10% lượng này. Hút một gói thuốc lá một ngày sẽ làm
tăng gấp đôi lượng cadimi đi vào cơ thể.
Cadimi tích tụ vào cơ thể con người và tồn tại rất lâu. Nó thường nằm ở
gan và thận. Một sự tiếp xúc lâu dài với nồng độ nhỏ của kim loại này có khả
năng dẫn đến chứng khí thủng, các bệnh phổi và các rối loạn về thận.
Cadimi được biết gây tổn hại đối với thận và xương ở liều lượng cao.
Nghiên cứu 1021 người đàn ông và phụ nữ bị nhiễm độc cadimi ở Thụy Điển
cho thấy nhiễm độc kim loại này có liên quan đến gia tăng nguy cơ gãy

xương ở độ tuổi trên 50. Năm 1946, một hội chứng có đặc điểm là biến dạng
xương, đau cơ, dễ gãy xương và rối loạn thận được chuẩn đoán ở những phụ
nữ lớn tuổi, sinh đẻ nhiều, đã thu hút sự chú ý của giới y học vùng Funchu
thuộc quận Toyoma Nhật Bản. Họ gọi tên bệnh này là Itai-Itai (hay bệnh đau
đớn). Hội chứng này đã làm hàng trăm người chết. Những nghiên cứu đã phát
hiện ra rằng các bệnh nhân hấp thụ một lượng cadimi khoảng 600g mỗi ngày
do ăn gạo bị nhiễm độc bởi nước sông Jintsu, con sông bị ô nhiễm bởi quặng
và xỉ từ một nhà máy chế biến cadimi. Những người bị bệnh anbumin niệu và
protein niệu là do tiếp xúc với cadimi không dưới 20 năm. Sự theo dõi những
người làm việc trong các ngành nghề phải tiếp xúc với cadimi khẳng định là

Vũ Thị Mơ

8

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

họ bị các loại bệnh mạn tính này. Đối với nam giới thì cadimi là chất gây độc
cho thận và tác động của nó có tính tích luỹ và âm thầm. Hơn nữa độc tính
của cadimi gây rối loạn chuyển hoá canxi, tác động đến xương và các khớp,
gây đau khớp, đau xương thậm chí gây bệnh loãng xương. Hàm lượng cadimi
cao trong nước uống còn gây ra chứng tăng huyết áp ở chuột thí nghiệm.
Cadimi cũng chính là tác nhân gây ung thư và gây quái thai ở loài gặm nhấm
này. Năm 1965 cadimi cũng bị nghi ngờ là đã gây ra bệnh ung thư tuyến tiền
liệt ở những công nhân làm việc trong một nhà máy pin ở Anh.

Cadimi xâm nhập vào cơ thể con người chủ yếu qua thức ăn từ thực vật,
được trồng trên đất giàu cadimi hoặc tưới bằng nước có chứa nhiều cadimi,
hít thở bụi cadimi thường xuyên có thể làm hại phổi, vào trong phổi cadimi
sẽ thấm vào máu và được phân phối đi khắp nơi. Phần lớn cadimi xâm nhập
vào cơ thể con người được giữ lại ở gan và được đào thải, còn một phần ít
(khoảng 1%) vẫn giữ lại ở thận, do cadimi liên kết với protein tạo thành
metallotionein có ở thận. Phần còn lại được giữ lại ở trong cơ thể, dần dần
được tích lũy cùng với tuổi tác. Khi lượng cadimi lớn, có thể chiếm chỗ Zn2+
trong các enzim quan trọng, gây ra rối loạn hoạt động của một số enzim nhất
định gây nên các chứng bệnh hội chứng rối loạn chức năng thận, thiếu máu,
tăng huyết áp, phá hủy tủy sống, gây ung thư.
Bảng 2: Mức kim loại nặng cho phép (theo QCVN)[24]
STT

Nguyên tố

Nước

Nước biển

Nước

Nước thải

mặt

ven bờ

ngầm

(mg/l)

(mg/l)

(mg/l)

(mg/l)

1

Cadimi

0,005

0,005

0,005

0,01

2

Chì

0,02

0,05

0,01

0,05

3

Crom (VI)

0,02

0,02

0,05

0,1

4

Đồng

0,2

0,03

1,0

2,0

5

Niken

0,1

-

-

0,5

6

As

0,02

0,01

0,05

0,1

Vũ Thị Mơ

9

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

1.2. Giới thiệu về điện phân [22],[4]
1.2.1. Khái niệm
Sự điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi
có dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất
điện li.
Sự điện phân là quá trình sử dụng điện năng để tạo ra sự biến đổi hóa học.
Trong quá trình điện phân, dưới tác dụng của điện trường các cation
chạy về cực âm (catot) còn các anion chạy về điện cực dương (anot), tại đó
xảy ra phản ứng trên các điện cực (sự phóng điện).
Tại catot xảy ra quá trình khử cation (Mn+ + ne → M) còn tại anot xảy ra
quá trình oxi hóa anion (Xn- → X + ne).
Người ta phân biệt: điện phân chất điện li nóng chảy, điện phân dung
dịch chất điện li trong nước, điện phân dùng điện cực dương tan.
1.2.2. Điện phân dung dịch chất điện li trong nước
Trong sự điện phân dung dịch, ngoài các ion do chất điện li phân li ra
còn có các ion H+ và OH- của nước. Do đó, việc xác định sản phẩm của sự
điện phân phức tạp hơn. Tùy thuộc vào tính khử và tính oxi hóa của các ion
có trong bình điện phân mà ta thu được những sản phẩm khác nhau.
Ví dụ: khi điện phân dung dịch NaCl, các ion Na+, H+ (H2O) chạy về
catot còn các ion Cl-, OH- (H2O) chạy về anot. Ion nào trong số chúng sẽ
phóng điện ở các điện cực.
Cơ sở để giải quyết vẫn đề này là dựa vào các giá trị thế oxi hóa – khử
của các cặp. Trong quá trình điện phân, trên catot diễn ra sự khử. Vì vậy, khi
có nhiều dạng oxi hóa thì trước hết dạng oxi hóa của cặp có thế lớn hơn sẽ bị
khử trước. Ngược lại, trên anot sẽ diễn ra sự oxi hóa dạng khử của cặp có thế
oxi hóa – khử nhỏ nhất trước.

Vũ Thị Mơ

10

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

a) Khả năng phóng điện của các cation ở catot:
Ở catot có thể xảy ra các quá trình khử sau đây:
Mn+ + ne → M

(8)

2H+(axit) + 2e → H2

(9)

Hoặc ion hiđro của nước bị khử: 2H2O + 2e → H2 + 2OHDạng oxi hóa của những cặp có thế càng lớn càng dễ bị khử. Theo dãy
thế oxi hóa – khử thì khả năng bị khử của các ion kim loại như sau:
Các cation từ Zn2+ đến cuối dãy Hg2+, Cu2+, Fe3+, Ag+… dễ bị khử nhất
và thứ tự tăng dần.
Từ Al3+ đến các ion đầu dãy Na+, Ca2+, K+… không bị khử trong dung dịch
Các ion H+ của axit dễ bị khử hơn các ion H+ của nước.
b) Khả năng phóng điện của các anion ở anot:
Ở anot xảy ra quá trình oxi hóa các anion gốc axit như Cl -, S2-…hoặc
ion OH- của bazơ kiềm hoặc nước:
2Cl- → Cl2 + 2e

(10)

4OH- → O2 + 2H2O + 4e

(11)

Hoặc ion OH- của nước bị oxi hóa: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e
Dạng khử của những cặp có thế oxi hóa – khử càng nhỏ càng dễ bị oxi
hóa. Theo dãy thế oxi hóa – khử thì khả năng bị oxi hóa của các anion như sau:
Các anion gốc axit không chứa oxi dễ bị oxi hóa nhất theo thứ tự:
RCOO- Các anion gốc axit như NO3-, SO42-, PO43-, CO32-, ClO4-… không bị oxi hóa.
Riêng các ion OH- của kiềm hoặc của nước khó bị oxi hóa hơn các ion
S2-, I-, Br-, Cl-…
Nếu khi điện phân không dùng các anot trơ như graphit, platin (Pt) mà
dùng các kim loại như Ni, Cu, Ag… thì các kim loại này dễ bị oxi hóa hơn

Vũ Thị Mơ

11

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

các anion vì thế oxi hóa – khử của chúng thấp hơn, và do đó chúng tan vào
dung dịch (anot tan).

1.2.3. Một số ví dụ các quá trình điện phân [22]
Điện phân dung dịch CuCl2 với anot trơ có thể biểu diễn bằng sơ đồ:
Catot(–)
Cu2+ + 2e

CuCl2

Anot (+)

Cu

2Cl-

Phương trình điện phân là: CuCl2

Cu + Cl2

Cl2 + 2e
(12)

Điện phân dung dịch K2SO4 với anot trơ có thể biểu diễn bằng sơ đồ:
Catot(–)

K2SO4

H2O,K+

Anot(+)
H2O,SO42-

(H2O)

H2 + 2OH-

2| 2H2O + 2e

2H2O

Phương trình điện phân là: 2H2O

O2 + 4H+ + 4e

2H2 +O2

(13)

Điện phân dung dịch NaCl bão hòa với điện cực trơ có màng ngăn có
thể biểu diễn bằng sơ đồ:

2H2O + 2e

Catot(–)

NaCl

Anot(+)

H2O, Na+

(H2O)

Cl-, H2O

H2 + 2OH-

2Cl-

Cl2 + 2e

Phương trình điện phân là: 2NaCl + 2H2O

2NaOH + H2 + Cl2

Nếu không có màng ngăn thì: Cl2 + 2NaOH

NaCl + NaClO + H2O (14)

nên phương trình điện phân là: NaCl + H2O

NaClO + H2

(13)

(15)

Điện phân dung dịch NiSO4 với anot trơ có thể biểu diễn bằng sơ đồ:
Catot(–)

NiSO4

Anot(+)

Ni2+, H2O

(H2O)

H2O, SO42-

2| Ni2+ + 2e

Ni

2H2O

Phương trình điện phân là: 2NiSO4 + 2H2O

O2 + 4H+ + 4e
2Ni + 2H2SO4 + O2

(16)

Điện phân dung dịch NiSO4 với anot bằng Cu có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

Vũ Thị Mơ

12

K35A – SP Hóa

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Catot (–)
Ni2+, H2O
Ni2+ + 2e

NiSO4

Cu (+)

(H2O)

H2O, SO42-

Ni

Cu2+ + 2e

Cu

Phương trình điện phân là: NiSO4 +Cu

CuSO4 +Ni

(17)

Điện phân dung dịch CuSO4 với anot bằng Cu (như sơ đồ sau đây):
Ở catot (–): Cu2+(dd) + 2e

Cu làm giảm nồng độ ion Cu2+ ở bên nhánh trái

của ống chữ U
Ở anot (+): Cu(r)

Cu2+(dd) + 2e làm tăng nồng độ ion Cu2+ ở bên nhánh

trái của ống chữ U và anot dần dần bị hòa tan.
Phương trình điện phân là: Cu(r) + Cu2+(dd)

Cu2+(dd) + Cu(r)

(18)

Điện phân dung dịch hỗn hợp chứa FeCl3, CuCl2 và HCl với anot trơ có
thể biểu diễn bằng sơ đồ:
Catot(–)

FeCl3, CuCl2, HCl

Fe3+, Cu2+, H+

Cl-

2| Fe3+ + 1e →Fe2+
Cu2+ + 2e
2H+ +2e

Anot(+)

.

2Cl-

Cl2 + 2e

Cu
H2

Fe2+ + 2e

Fe

Quá trình điện phân lần lượt xảy ra ở các điện cực là:
2FeCl3

2FeCl2 +Cl2

(19)

CuCl2

Cu+Cl2

(20)

2HCl

H2 +Cl2

(21)

FeCl2

Fe + Cl2

(22)

Vũ Thị Mơ

13

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

1.2.4. Định luật Faraday [22],[4]
Khối lượng chất giải phóng ở mỗi điện cực tỉ lệ với điện lượng đi qua dung
dịch và đương lượng của chất.

m

AIt
nF

(23)

Trong đó:
- m: khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam)
- A: khối lượng mol nguyên tử của chất thu được ở điện cực
- n: số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận
- I: cường độ dòng điện (A)
- t: thời gian điện phân (s)
- F: hằng số Faraday là điện tích của 1 mol electron hay điện lượng cần thiết
để 1 mol electron chuyển dời trong mạch ở catot hoặc ở anot (F = 1,602.1019

.6,022.1023 ≈ 96500 C.mol-1)

- A/n: đương lượng gam hóa học
Biểu thức liên hệ: Q = I.t = 96500.ne

ne 

It
(ne là số mol electron
nF

trao đổi ở điện cực)
1.2.5. Tính hiệu suất dòng điện [4]
Lượng sản phẩm thu được tính theo lý thuyết, trong nhiều trường hợp kỹ thuật
không thể nào đạt được. Nguyên nhân chính là đã xảy ra các phản ứng phụ
không mong muốn, ví dụ như thoát khí hiđro ở catot. Hiệu suất dòng điện
được tính theo công thức:

H

Vũ Thị Mơ

mCd (tt )
mCd (lt )

.100%

(24)

14

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Hiệu suất dòng điện là đại lượng phản ánh tỉ lệ sản phẩm thực tế thu được so
với sản phẩm thu được tính theo lý thuyết.
1.2.6. Tính hiệu suất thu hồi

H

Vũ Thị Mơ

mCd (tt )

 mCd (dd)

.100%

(25)

15

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Phương pháp quét thế tuần hoàn (phân cực vòng) [11], [5]
Nguyên lý
Nguyên lý của phương pháp là áp vào điện cực nghiên cứu một tín hiệu
điện thế biến thiên tuyến tính theo thời gian từ E1 đến E2 và ngược lại.
Đo dòng đáp ứng theo điện thế tương đương sẽ cho ta đồ thị CV biểu
diễn mối quan hệ dòng điện- điện thế.

Hình 1: Quan hệ giữa dòng - điện thế trong quét thế tuần hoàn
Mỗi pic xuất hiện khi ta quét thế về phía dương ứng với quá trình oxy
hóa, mỗi pic xuất hiện khi ta quét thế về phía âm ứng với quá trình khử.
Từ đường cong vôn-ampe thu được ta có thể đánh giá được tính chất
điện hóa đặc trưng của hệ.
Dòng pic Ip = kn3/2AD1/2Cv1/2
Trong đó:

(26)

k: hằng số Raidles – Cevick,
A: diện tích điện cực (cm2)
n: số electron tham gia phản ứng điện cực
D: hệ số khuếch tán (cm2/s)

Vũ Thị Mơ

16

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

C: nồng độ chất trong dung dịch (mol/l),
V: tốc độ quét thế (mV/s)

Hình 2: Phổ quét thế tuần hoàn của hệ thuận nghịch
Qúa trình oxi hóa: M → MZ+ + z e

(27)

Qúa trình khử:

(28)

MZ+ + z e → M

Phân tích phổ CV nhằm nghiên cứu quá trình thuận nghịch và bất thuận
nghịch của hệ điện hóa
Điều kiện đối với quá trình thuận nghịch
 Tại 298K hiệu điện thế giữa 2 pic oxy hóa và khử không phụ thuộc vào tốc
độ quét thế:  p,a -  p,c =

59mV
n

 Tỉ lệ chiều cao pic oxy hóa và khử

I p ,a
I P,c

1

(29)

2.2. Phương pháp dòng không đổi
Nguyên lý
Áp vào điện cực nghiên cứu một tín hiệu dòng điện không đổi trong một
khoảng thời gian t, ta đo đáp ứng của điện thế tương ứng với thời gian.

Vũ Thị Mơ

17

K35A – SP Hóa

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

E (V)

I (A)

t (phút)

t (phút)

Hình 3: Quan hệ I-t và đáp ứng E-t trong phương pháp dòng tĩnh

Vũ Thị Mơ

18

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM

3.1. Dụng cụ thí nghiệm
Chuẩn bị các bình định mức.

Cốc thủy tinh các loại, đũa thủy tinh.
Các dụng cụ như cân phân tích, cân điện tử.
Điện cực xoắn Ti (điện cực đối).
Các loại giấy ráp từ P400 đến P2000 ( chủ yếu sử dụng giấy P2000)
Giá đỡ
3.2. Hóa chất
- Tinh thể 3CdSO4.8H2O xuất xứ Trung Quốc
- Dung dịch axit H2SO4 nồng độ 98%, d = 1,84g/ml, xuất xứ Trung Quốc.
3.3. Thiết bị
Hệ 2 điện cực: WE và điện cực thép không gỉ (S = 2 cm2)
Thiết bị sử dụng là thiết bị khảo sát CV và thiết bị đo tổng trở đó là
máy Impedance Mesurement IM6 (Zahuer –Elektrik) của Đức.

Hình 4: Thiết bị đo tổng trở & điện hoá IM6

Vũ Thị Mơ

19

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

3.4. Tiến hành thực nghiệm
3.4.1. Pha dung dịch
Pha dung dịch CdSO4 có nồng độ : 0,015M; 0,03M; 0,09M trong môi
trường axit H2SO4 có pH =3.

Pha dung dịch CdSO4 có nồng độ 0,03M trong môi trường axit H2SO4
có pH thay đổi (pH = 3, 4, 5).
Pha dung dịch CdSO4 có nồng độ 0,03M trong môi trường axit H2SO4
có pH = 4.
3.4.2. Chuẩn bị điện cực nghiên cứu
Các lớp oxit có thể ảnh hưởng đến tính chất điện hóa và ăn mòn kim
loại, thậm chí có thể thay đổi cả cơ chế phản ứng điện hóa vì vậy phải tiến
hành tẩy dầu mỡ, đánh bóng để lấy đi lớp oxit trên bề mặt điện cực.
* Đánh bóng cơ học
Mài bóng cơ học bằng giấy ráp từ kích thước to đến nhỏ đến khi bóng và
phẳng bề mặt điện cực ( trong quá trình mài có cho thêm 1 ít nước và đều tay,
nhanh để đạt được độ bóng cao).
* Đánh bóng hóa học
Điện cực sau khi đánh bóng cơ học nhúng vào dung dịch K2Cr2O7 +
H2SO4 để làm sạch bề mặt điện cực, sau đó cuốn bằng Teflon xung quanh
điện cực để lộ bề mặt điện cực khảo sát . Khi cuốn cần tránh dầu mỡ trên tay
dính vào các lớp cuốn Teflon.
3.4.3. Thí nghiệm
* Đo đường cong phân cực
Áp vào điện cực nghiên cứu 1 tín hiệu điện thế biến thiên tuyến tính theo
thời gian từ E1 đến E2 .

Vũ Thị Mơ

20

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Bảng 3: Các điều kiện quét CV với dung dịch có pH = 3
Nồng độ CdSO4

Tốc độ quét

(M)

(mV/s)

0,015

E1 = U0(V)

E2(V)

5

- 0,57

-4

0,03

5

- 1,273

-4

0,09

5

- 0,796

-4

* Điện phân CdSO4
+) Nghiên cứu ảnh hưởng của pH tới quá trình điện phân.
Khảo sát với các mẫu dung dịch CdSO4 0,03M trong môi trường axit
H2SO4 có pH thay đổi (pH =3, 4, 5), mật độ dòng i = -2,5 mA/cm2, thời gian
điện phân t = 60 phút, Vdung dịch = 50 ml.
+) Nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ dòng tới quá trình điện phân
Khảo sát với mẫu CdSO4 0,03M trong môi trường axit H2SO4 có pH =
4 với mật độ dòng thay đổi i = - 0,5; - 1,5; - 2,5; - 3,5 mA/cm2 với thời gian
điện phân là t = 60 phút, U = ± 10 V, hệ 2 điện cực có đệm V = 50ml.
+) Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian đến quá trình điện phân
Khảo sát mẫu theo các thời gian là 1h, 1h30m, 2h, 3h, 4h, 6h với i = 3,5 mA/cm2 , U = ± 10 V, CdSO4 0,03M + H2SO4 (pH = 4). Hệ 2 điện cực có
đệm V = 50ml.

Vũ Thị Mơ

21

K35A – SP Hóa

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
4.1. Đo đường cong phân cực
Kết quả khảo sát mẫu được cho bởi đồ thị sau
8

0.015M
0.03M
0.09M

-i (mA/cm2)

6
4

2

0
-2
0

1

2

3

4

5

-E (V)

Hình 5: Đường cong phân cực dung dịch CdSO4 tại
các nồng độ khác nhau
Từ hình 5 biểu diễn đường cong phân cực của các dung dịch CdSO4 có
các nồng độ 0,015 M; 0,03M; 0,09M ta thấy điện thế bắt đầu phóng điện của
các dung dịch lần lượt là -1,7V; -1,8V; -1,85V. Đây là điện thế bắt đầu phóng
điện của Cd2+ trong các dung dịch và hình thành các mầm tinh thể. Tại các
điện thế này ta có thể tiến hành điện phân. Ta chọn dung dịch CdSO4 có nồng
độ 0,03M để khảo sát các yếu tố khác ảnh hưởng tới quá trình điện phân.
Dung dịch sau khi hoàn nguyên có nồng độ tương đối thấp và môi trường
axit. Do vậy, chúng ta chọn dung dịch có nồng độ và môi trường càng gần với
dung dịch sau khi hoàn nguyên mà vẫn tiến hành điện phân được thì càng tốt.

Vũ Thị Mơ

22

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

4.2. Điện phân

4.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH tới quá trình điện phân
Khảo sát với các mẫu dung dịch CdSO4 0,03M trong môi trường H2SO4
có pH thay đổi (pH =3, 4, 5), mật độ dòng i = -2,5 mA/cm2, thời gian điện
phân t = 60 phút, Vdung dịch = 50 ml. Kết quả được cho ở bảng sau:
Bảng 4: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất dòng điện

Từ bảng trên ta có đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến quá trình
điện phân như sau:
100

H (%)

75

50

25

0
2

3

4

5

6

pH

Hình 6: Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất dòng
Từ bảng 4 và hình 6 ta nhận thấy rằng khi pH thay đổi thì hiệu suất
dòng và hiệu suất thu hồi cũng thay đổi. Nguyên nhân là do khi pH tăng thì

Vũ Thị Mơ

23

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

nồng độ H+ sẽ giảm, lượng Cd2+ tham gia phóng điện càng lớn. Từ pH = 3 lên
pH = 4 thì hiệu suất dòng tăng từ 84,92 % lên 86,83 % tăng 1,91 % nhưng từ
pH = 4 lên pH = 5 thì hiệu suất dòng lại giảm từ 86,83 % xuống còn 83,02 %
, giảm 3,81 % , với pH = 4 thì cả hiệu suất thu hồi (86,83%) và hiệu suất dòng
(5,4%) đều lớn và gần với pH hoàn nguyên nên ta chọn khảo sát dung dịch
CdSO4 trong môi trường axit H2SO4 có pH = 4 để nghiên cứu ảnh hưởng của
mật độ dòng đến quá trình điện phân.
4.2.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ dòng đến quá trình điện phân
Bảng 5: Ảnh hưởng của mật độ dòng đến hiệu suất dòng điện
và hiệu suất thu hồi

Từ bảng trên ta có đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của mật độ dòng đến quá

HH(%)

(%)

trình điện phân như sau:

-i (mA/cm2)

Hình 7: Ảnh hưởng của mật độ dòng tới hiệu suất dòng.

Vũ Thị Mơ

24

K35A – SP Hóa


Trường ĐHSP Hà Nội 2

Khóa luận tốt nghiệp

Từ bảng 5 và hình 7 ta thấy rằng khi thay đổi mật độ dòng thì hiệu suất
dòng cũng thay đổi, khi mật độ dòng tăng từ - 0,5 đến -1,5 thì hiệu suất dòng
giảm. Tiếp tục tăng mật độ dòng điện thì hiệu suất dòng tăng và đạt cực đại
tại i = - 2,5 (mA/cm2) tương ứng với giá trị là 86,83%. Khi tăng mật độ dòng
điện lên i = - 3,5 (mA/cm2) thì hiệu suất dòng điện có giảm đôi chút nhưng
hiệu suất thu hồi là lớn nhất (7,29 %) và cadimi thu được ở dạng tinh thể dễ
thu hồi, còn các mật độ dòng nhỏ hơn thì cadimi ở dạng sợi bông, khó thu hồi
và mất mát trong quá trình cân mẫu, vì vậy ta sẽ chọn điều kiện khảo sát i = 3,5 (mA/cm2) để nghiên cứu sự ảnh hưởng của thời gian đến quá trình
điện phân.
4.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian đến quá trình điện phân
Khảo sát mẫu theo các thời gian là 1h, 1h30m, 2h, 3h, 4h, 6h với i = - 3,5

(mA/cm2) , U = ± 10 V, CdSO4 0,03M + H2SO4 (pH = 4). Hệ 2 điện cực có
đệm V = 50ml.
Kết quả được cho ở bảng dưới đây:
Bảng 6: Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất dòng điện
và hiệu suất thu hồi

Từ bảng đó ta có thể biểu diễn sự phụ thuộc giữa hiệu suất dòng điện
và hiệu suất thu hồi vào thời gian như sau:

Vũ Thị Mơ

25

K35A – SP Hóa