Công nghệ điện hóa và bảo vệ kim loại

Công nghệ điện hóa được dựa trên cơ sở các quy luật lí thuyết về sự chuyển hóa năng lượng hóa học và điện với thông số đặc trưng là mật độ dòng và điện thế cũng như được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp năng lượng và pin nhiên liệu, luyện kim màu và vật liệu chức năng, sản xuất hóa chất và thuốc, chống ăn mòn và bảo vệ kim loại. Công nghệ điện hóa hiện đại cũng đang định hướng vào nano điện hóa và điện li plasma, hứa hẹn những ứng dụng mới cho tương lai không xa.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Công nghệ điện hóa và bảo vệ kim loạiTạp chí Khoa học và Công nghệ 50 (6) (2012) 767-793 CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA VÀ BẢO VỆ KIM LOẠI Nguyễn Đức Hùng* Viện Hóa học - Vật liệu * Email: nguyenduchung1946@gmail.com Đến Tòa soạn: 12/12/2012; Chấp nhận đăng: 24/12/2012 TÓM TẮT Công nghệ điện hóa được dựa trên cơ sở các quy luật lí thuyết về sự chuyển hóa nănglượng hóa học và điện với thông số đặc trưng là mật độ dòng và điện thế cũng như được ứngdụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp năng lượng và pin nhiên liệu, luyện kim màu và vậtliệu chức năng, sản xuất hóa chất và thuốc, chống ăn mòn và bảo vệ kim loại. Công nghệ điệnhóa hiện đại cũng đang định hướng vào nano điện hóa và điện li plasma, hứa hẹn những ứngdụng mới cho tương lai không xa.Từ khóa: công nghệ điện hóa, bảo vệ kim loại, nano điện hóa, điện li plasma. 1. MỞ ĐẦU Điện hóa là một ngành khoa học kết hợp giữa hai lĩnh vực điện và hóa học nhằm nghiêncứu các quy luật về sự chuyển hóa qua lại giữa điện năng và hóa năng. Tuy ngành khảo cổ đãtìm thấy hiện vật pin điện hóa hệ Cu-Fe từ khoảng 250 trước công nguyên trên lãnh thổ Irak [1]nhưng chỉ đến cuối thế kỉ 18 và đầu thế kỉ 19 những cơ sở định lượng của lí thuyết điện hóa mớiđược hình thành với những phát minh về tác dụng hóa học của điện. Các nhà bác học tiêu biểunhư Adriaan Paets van Troostwijk và Johann Rudolf Deiman (1789) phát hiện được O2 và H2 khiphân hủy nước bằng điện và đề xuất thuyết điện li nước; Luigi Galvani (1791) hình thành họcthuyết tĩnh điện khi thí nghiệm kim loại tiếp xúc với cơ đùi ếch và các sinh vật khác; AlessandroVolta (1793) công bố về dãy thế của các kim loại từ thí nghiệm điện được tạo ra bởi sự tiếp xúccác kim loại và “cột pin Volta” để tạo được điện thế cao hơn; Humphry Davy điện phân muốinóng chảy tìm ra nguyên tố Na, K đã được dự đoán trước và 1826 đưa ra lí thuyết điện hóa về ănmòn kim loại cũng như Michael Faraday (1831) phát minh 2 định luật được mang tên ông về sựtương quan giữa lượng chất với lượng điện cũng như đương lượng điện hóa. Cùng với quá trình hoàn thiện dần các lí thuyết điện hóa về sự điện li và dung dịch điện li[2], thế điện cực và động học điện hóa các quá trình điện cực [3] các hướng nghiên cứu côngnghệ điện hóa và phát triển ứng dụng cũng đã được đẩy mạnh nghiên cứu tạo nên các ngànhcông nghiệp có tác động thúc đẩy sự phát triển của kinh tế xã hội. Những phát minh các loạinguồn điện pin và ắc quy [4] đã cung cấp năng lượng độc lập với mạng điện làm cơ sở cho sựphát triển vũ bảo của công nghiệp điện tử cũng như ngành giao thông vận tải. Các linh kiện điệnhóa (Chemotronik) được hình thành và phát triển khi ứng dụng các quy luật điện hóa của quátrình điện cực và ion còn làm phong phú hơn cho công nghiệp điện tử và y sinh điện tử [5].Tương tự dựa vào quá trình điện phân muối nóng chảy hoặc dung dịch điện li nước [6] các công Nguyễn Đức Hùngnghiệp luyện kim sản xuất các kim loại màu, công nghiệp điện phân, tổng hợp điện hóa sản xuấtnhiều hóa chất cơ bản cho các ngành công nghiệp. Công nghệ điện hóa bề mặt như mạ, biến tínhcũng như chống ăn mòn kim loại cũng đã đóng góp to lớn làm đẹp, làm bền và làm tăng chấtlượng các dạng sản phẩm của nhiều ngành công nghiệp khác nhau [7]. Phân tích định tính cũngnhư định lượng thành phần và tính chất của các chất và các vật liệu cũng được dựa trên cơ sởcủa lí thuyết điện hóa. Ngày nay - kỉ nguyên của vật liệu và công nghệ nano, sự đóng góp củacông nghệ điện hóa cũng tỏ rõ những lợi thế [8] để chế tạo các dạng vật liệu nano phục vụ chocác ngành khoa học và công nghệ. 2. CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA Công nghệ là một phạm trù được xem xét bao hàm từ các cơ sở lí thuyết, các kĩ thuật thựchành, các trang thiết bị, máy móc và lĩnh vực ứng dụng rộng rãi để sản xuất tạo ra của cải vậtchất cho xã hội [9]. Công nghệ điện hóa cũng được hình thành và phát triển từ cơ sở lí thuyết vềcác quy luật điện hóa, các kĩ thuật và những trang thiết bị cũng như các lĩnh vực ứng dụng rộngrãi để tạo ra của cải vật chất đóng góp vào sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và kinh tế xã hộicho nhân loại đặc biệt từ thế kỉ 18 đến nay [10].2.1. Cơ sở lí thuyết2.1.1. Lí thuyết điện li Lí thuyết điện li của Svante August Arrhenius (1883) giải thưởng Nobel năm 1903 đã xácđịnh quá trình hòa tan các tinh thể dạng ion vào dung môi như nước sẽ cần năng lượng tương táccủa dung môi lớn hơn năng lượng mạng tinh thể để solvát hóa các ion thực hiện quá trình hòatan và phân ly tạo thành dung dịch điện li. Quá trình phân ly là không hoàn toàn và sẽ thiết lậpcân bằng [11] với hằng số K giữa nồng độ các phân tử không phân ly là [MA] với nồng độ cácion tích điện đã phân ly cho cation [M+] và cho anion [A-] bằng phương trình: MA ↔ M+ + A- (1) 2 [ M ][ A ] + − α c K = = (2) [ MA] (1 − α ) Hệ số phân ly α = 1 với dung dịch điện li mạnh còn dung dịch điện ly yếu nếu α < 1. Lí thuyết cân bằng axít-basơ được phát triển từ lí thuyết điện li với định nghĩa axít đượcphân ly thành proton (H+) và basơ được phân ly thành ion hydroxyl (OH-): HA ↔ H+ + A- và MOH ↔ M+ + OH- (3) ...