Công nghệ điện hóa – Ứng dụng và phát triển

Hình ảnh: Nhà máy điện phân Xút – Clo công ty hóa chất 

Nhiều hóa chất vô cơ là các chất oxihóa mạnh như H2O2, KMnO4, MnO2, PbO2, H2S2O8, KClO3, KClO4,… đều được sản xuất có hiệu quả nhờ công nghệ điện hóa. Bằng quá trình phản ứng điện hóa trực tiếp hoặc gián tiếp qua các sản phẩm trung gian trên điện cực đã làm phong phú và mở rộng khả năng sản xuất nhiều hóa chất hữu cơ, đặc biệt cho ngành dược.

Khả năng phản ứng (oxihóa-khử) của những hợp chất vô cơ và hữu cơ trên các điện cực cũng được sử dụng cho công nghệ xử lí ô nhiễm môi trường rất có hiệu quả, đặc biệt cho môi trường nước và ô nhiễm bỡi các kim loại nặng. Sử dụng công nghệ điện li không gian điên cực hẹp có và không dùng màng ngăn các dung dịch anotlyt và catotlyt với nhiều nhóm gốc tự do giả bền có điện thế oxyhóa-khử mạnh đến ± 900 mV cũng đang được ứng dụng có hiệu quả trong xử lí các môi trường nước và khí.

Các loại nguồn điện dùng để sản xuất hoặc chứa đựng năng lượng điện rất cần cho các lĩnh vực thắp sáng, cơ động hóa, điều khiển tự động hóa và điện tử hóa. Ngày nay nguồn điện hóa học các dạng có mặt quanh ta ở khắp mọi nơi từ dụng cụ gia đình, phương tiện thông tin liên lạc, phương tiện giao thông cơ động và hàng không vũ trụ, các máy móc đo đạt đến trò chơi giải trí.

Từ giữa thập niên 60 của thế kỉ trước đến nay phát triển mới của nguồn điện nhằm vào những ắc quy có công suất lớn với các hệ điện cực có điện thế cách xa nhau như natri, liti với lưu huỳnh, clo hoặc flo. Với những ưu điểm về điện áp, dung lượng riêng cao thuận tiện cho quá trình vi hình hóa các thiết bị điện tử, đặc biệt là điện thoại di động. Những năm gần đây nguồn điện hóa học cũng là lĩnh vực ứng dụng rất có hiệu quả của vật liệu và công nghệ nano.
Nguồn điện hóa học được phân thành 3 loại:
– Loại 1 là pin dùng 1 lần nên công nghệ sản xuất phải đơn giản để sản xuất được số lượng lớn và giá thành rẻ như pin Leclanche’.
– Loại 2 là ắc quy được sử dụng khi phóng điện và lúc nạp để tích điện, thực chất chỉ dùng để chứa điện nên phải sử dụng được nhiều chu kì do vậy công nghệ chế tạo rất đa dạng. Ngày nay công nghệ chế tạo các loại ắc quy có dung lượng cao với kim loại kiềm như Li rất hoạt động, nhạy với không khí và độ ẩm nên điều kiện công nghệ chế tạo rất đặc biệt.
– Loại 3 là pin nhiên liệu với các chất phản ứng điện cực được bổ sung liên tục như nhiên liệu trong các động cơ xăng. Nhiên liệu được sử dụng có thể dạng khí, hơi như: H2, CO, NH3, SO2, formaldehit, metan,… hoặc dạng lỏng như etanol, metanol, hydrazin, khí hóa lỏng hoặc hổn hống các kim loại natri. Sản xuất năng lượng điện từ các hợp chất hóa học trong pin và PNL có nhiều lợi thế như sạch, không tiếng ồn, giảm thiểu hoặc kiểm soát được ô nhiễm
Ở nước ta công nghệ chế tạo nguồn điện điện hóa mới chỉ tập trung sản xuất pin Zn/MnO2 với sản lượng năm 2010 gần 450 triệu viên và ắc quy chì với năng suất năm 2010 gần 2 triệu kWh. Tuy đã chú ý cải tiến công nghệ sản xuất để đa dạng thêm sản phẩm như ắc quy khô, kín khí nhưng chất lượng vẫn chưa so sánh được với sản phẩm nhập ngoại và chủng loại còn rất hạn chế nên chưa thõa mãn được nhu cầu rất phong phú của các ngành kinh tế và an ninh quốc phòng trong thời đại điện tử hóa, tự động hóa và điện khí hóa ngày nay.

---

2.3 Công nghệ chế tạo kim loại, luyện kim
Sản xuất các kim loại bằng công nghệ điện hóa (thủy luyện) có thể thực hiện được cho hầu hết các kim loại của bảng hệ thống tuần hoàn là ưu điểm nổi bật so với công nghệ hỏa luyện chủ yếu cho sắt thép. Ngoài ra phương pháp thủy luyện khá đơn giản lại cho hiệu suất cao và độ tinh khiếtcủa sản phẩm cao cũng như rất thuận tiện cho cả 2 quá trình điều chế và tinh luyện.

Luyện kim điện hóa được thực hiện chủ 2 môi trường dung dịch nước và chất điện li muối nóng chảy. Điện phân các kim loại từ dung dịch nước phổ biến trên thế giới là: Zn, Cu, Sn, Sb, Pb, Cd, Au, Ag, Cu, … Ngay cả các kim loại nhóm phóng xạ như Pu, U cũng được làm giàu bằng công nghệ điện hóa. Ở nước ta trong những thập niên gần đây cũng đã triển khai công nghệ điện phân các kim loại ở các quy mô phân xưởng đến nhà máy như: Điện phân Zn, Sn, Pb ở Thái Nguyên, Cu ở Sinh Quyền. Điện phân trong môi trường muối nóng chảy thường để điều chế các kim loại rất hoạt hóa của các nhóm 1 như Li, Na, K; nhóm 2 như Be, Mg, Ca, Sr; nhóm 3 như Al, Sc; nhóm các kim loại chuyển tiếp và nguyên tố đất hiếm như: Ti, Zr, Nb, Ta.

Sản xuất nhôm bằng công nghệ điện hóa điện phân Al2O3 trong cryolit đã làm cho giá nhôm trước đây hơn 100 năm còn đắt hơn vàng nay đã thành một nguyên liệu rất thông dụng cho nhiều ngành công nghiệp từ dân dụng đến hàng không, vũ trụ. Với tiêu hao điện đã giảm khoảng 10 kWh/kg Al (lí thuyết 6,34 kWh/kg) và chiếm 30 % giá thành sản phẩm các trung tâm luyện nhôm đã chuyển từ Đức trước thế chiến thứ 2 sang Mỹ sau 1945 và sẽ đến những nơi có nguồn bôxít dồi dào và giá điện rẻ như từ nguồn thủy điện. Ngày nay hàng ngày thế giới có thể sản xuất trung bình từ 64.400 tấn đến hơn 70.000 tấn, trong đó sản lượng nhôm của Trung Quốc đã chiếm hơn 40 % tổng sản lượng của toàn thế giới.

Nước ta có nguồn thủy điện và tài nguyên khá phong phú để phát triển công nghệ điện phân muối nóng chảy như quặng bôxit, titan điôxit, các nguyên tố đất hiếm và muối biển… để sản xuất các kim loại Al, Ti, Zr, Mg, Na,.. Tuy nhiên công nghệ điện phân muối nóng chảy cũng cần chú ý đảm bảo môi trường và môi sinh để cho sự phát triển được bền vững.

---

2.4 Công nghệ bề mặt

Công nghệ điện hóa cũng tác động vào bề mặt vật liệu hoặc sản phẩm để biến đổi, cải thiện hoặc bổ sung những tính chất, chức năng tốt hơn như: bền hóa học, bền cơ học, tăng độ cứng, độ bóng, khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt, chống thấm ướt,…
hực hiện phản ứng catốt tạo các lớp phủ kim loại lên bề mặt kim loại hoặc phi kim loại tạo nên ngành công nghiệp mạ điện đã được phát triển rất sớm.

Thực hiện quá trình anốt đối với các kim loại chủ yếu nhằm biến tính tạo thành các lớp ôxit bền vững hơn còn thực hiện cả 2 quá trình tùy thuộc vào bản chất điện của hợp chất hữu cơ để tạo nên lớp phủ hữu cơ cao phân tử được gọi là sơn điện di. Trên thế giới công nghệ điện hóa bề mặt, đặc biệt công nghệ mạ điện đã phát triển mạnh và đóng góp quan trọng để làm đẹp, làm bền các công trình văn hóa, các sản phẩm gia dụng và công nghiệp.

Ở nước ta công nghệ điện hóa bề mặt cũng được phát triển sớm để phục vụ cho công nghiệp cơ khí nhằm góp phần tạo ra các sản phẩm đẹp, bền hơn đặc biệt bền ăn mòn trong môi trường nhiệt đới ẩm như các lớp mạ Cu, Ni, Cr, Au, Ag.

---

3. Công nghệ điện hóa Nano – Plasma

3.2. Công nghệ điện hóa Nano

Công nghệ điện hóa Nano với cơ sở lí thuyết đã trình bày có thể biến đổi trạng thái vật liệu từ vĩ mô đến vi mô dạng ion, phân tử và ngược lại nên hoàn toàn có thể tham gia vào các quá trình: thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước về vùng nano mét của công nghệ nano.

Thực hiện quá trình catốt kết tủa các kim loại từ ion theo kiểu “Bottom up”, có thể điều khiển đến vùng kích thước nano mét 1 chiều dạng màng mỏng đơn lớp hoặc đa lớp xen kẽ nhờ kĩ thuật xung cũng như kết tủa kim loại vào các lỗ nano để tạo dạng nano 2 chiều như dây, ống hoặc đưa các hạt trơ nano vào lớp mạ thành vật liệu nano compozit. Với công nghệ mạ nano có thể chế tạo được các lớp mạ chức năng rất phong phú như: tạo bề mặt xúc tác quá trình oxihóa nhiên liệu nhiệt độ thấp, bề mặt tự rủa sạch theo hiệu ứng siêu kỵ nước “lá sen”. bề mặt bền hóa, bền mài mòn và ăn mòn.

Thực hiện quá trình hòa tan anốt như “Top down” để phân nhỏ vật liệu kim loại và điều khiển đến vùng nano. Kết hợp đồng thời các quá trình anốt với catốt hoặc quá trình điện hóa với quá trình hóa học hoặc các hiệu ứng vật lí như siêu âm, tia gama, laser sẽ tạo thêm nhiều khả năng để điều khiển quá trình tổng hợp các dạng vật liệu nano không chiều như dung dịch keo các kim loại Ag, Au, Cu, Pt.

---

3.2. Công nghệ điện hóa Plasma

Dạng vật chất plasma có trên bề mặt mặt trời và ngoài vũ trụ cũng có thể tạo được bằng công nghệ điện hóa khi thực hiện quá trình “plasma electrolysis” ở các giá trị điện thế cao. Các phản ứng điện cực tại các điện áp cao ngoài phần tuân theo định luât Faraday còn có phản ứng “không Faraday” do tác động của sự xuất hiện trạng thái plasma từ dòng điện tử trong vùng điện trường và từ trường mạnh trên bề mặt các điện cực.
Quá trình “plasma electrolysis” làm phân hủy nước cực mạnh thành H2, O2 và H2O lớn hơn gấp 80 lần so với quá trình điện phân nước thông thường tạo khí H2. Điều đó hứa hẹn khả năng biến nước thành nguồn mang năng lượng tìm năng nhất cho quá trình sản xuất điện của pin nhiên liệu hiđrô cũng như cho nền kinh tế hiđro trong tương lai. Với quá trình điện hóa điện thế cao dung dịch nano kim loại đặc biệt dung dịch nano bạc tinh khiết, có khả năng diệt khuẩn đặc biệt tốt đã và đang được nghiên cứu chế tạo và ứng dụng.Bên cạnh đó hiệu ứng huỳnh quang điện hóa cũng như vật liệu phát huỳnh quang của dung dịch nano kim loại cũng được chú ý khảo sát.