Công nghệ và ứng dụng về dung dịch hoạt hóa điện hóa: Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:120

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cuốn sách "Dung dịch hoạt hóa điện hóa công nghệ và ứng dụng" phần 1 cung cấp cho người đọc những kiến thức như: hoạt hoá điện hoá, hiện tượng và công nghệ; công nghệ điều chế các dung dịch hoạt hoá điện hoá. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Công nghệ và ứng dụng về dung dịch hoạt hóa điện hóa: Phần 1

VI I II O A H Ọ C V À C Ô N G N G H Ệ V IỆ T N A M C K .0 0 0 0 0 7 1 760 SÁCH CHUYÊN KHẢO T,-1 PHÁT TRIÊN CÔNG NGHỆ CAO NGUYỄN HOÀI CHÂU, V. M. BAKHIR, NGÔ QUỐC BƯU DUNG DỊCH HỌẠT HÓA BIỆN HÓA CÔNG NGHÊ VÀ ÚNG DŨNG GUYẺN : LIEU N H À X U Ấ T BẢN K H O A HỌC T Ụ N H IÊN VÀ C Ô N G N G H Ẹ
NGUYỄN HOÀI CHÂU, V.M. BAKHIR, NGÔ Quốc BUt DUNG DỊCH HOẠT HÓA DIỆN HÓA ■ ■ ■ CỔNG NGHỆ VÀ ÚNG DỤNG ■ ■ HÀ NỘI
B iên m ục trên xuất bản phẩm của T h ư viện Q uốc gia V iệt N am N guyễn H oài C hâu D ung dịch hoạt h o á điện hoá - C ông nghệ và ứng dụng: Sách chuyên khảo/N guyễn H oài Châu, V. M. B akhir, N gô Q uôc Bưu. - H.: Khoa học tự nhiên và C ông nghệ, 2015. - 317tr.: hình vê. hảng: 24cm Thư m ục: tr. 305-316 ISB N 9 786049133756 1. Điện hoá học 2. Dung dịch 3. Công nghệ 4. ứ n g dụng 5. Sách chuyên khảo 660.297 - dc23 K T H 0009p-C IP
VIỆN H À N L Â M K H O A H Ọ C VÀ C Ô N G N G H Ệ V IỆ T N AM B Ộ SÁ C H C H U Y Ê N K H Ả O ÚNG DỤNG VÀ PHÁT TRIỂN công nghệ cao H Ộ I Đ Ổ N G B IÊ N T Ậ P Chủ tịch Hội đồng: G S .T SK H . N G U Y Ễ N K H O A SƠN Các ủy viên: 1. GS.TSK.H. N guyễn Đ ồng A nh, 2. G S .T S K H . N guyễn X uân Phúc, 3. G S.T S. T rương N am H ải, 4. PG S.T SK H . Phạm T hượng C át, 5. G S.T S. N guyễn V ăn T uyến.
Lời giới thiệu Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt N am là cơ quan nghiên cứu khoa học tự nhiên và công nghệ đa ngành lớnnhất cả nước, có th ế mạnh trong nghiên cứu cơ bản , nghiên cứu và phát triển công nghệ, điều tra tài nguyên thiên nhiên và môi trường Việt Nam. Viện Hàn làm tập trung một đội ngũ cán bộ nghiên cứu có trình độ cao, cơ sở vật chất kỹ thuật hiện đại đáp ứng các yểu cầu vê nghiên cứu và thực nghiệm của nhiều ngành khoa học tự nhiên và công nghệ. Trong 40 năm xây dựng và phát triển, nhiều công trình và kết quả nghiên cứu có giá trị của Viện Hàn lâm đ ã ra đời phục vụ đắc lực cho sự nghiệp xây dựng và bảo vệ T ổ quốc. Đ ể tổng hợp và giới thiệu có hệ thống ở trình độ cao, các công trình và kết quả nghiên cứu tới bạn đọc trong nước và quốc tế, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt N am quyết định xuất bản bộ sách chuyên khảo. Bộ sách tập trung vào bốn lĩnh vực sau: ■ ứ ng dụng và phát triển công nghệ cao; ■ Tài nguyên thiên nhiên và môi trường Việt Nam; ■ Biển và Công nghệ biển; • Giáo trình đại học và sau đại học. Tác giả của các chuyên khảo là những nhà khoa học đầu ngành của Viện Hàn lâm hoặc các cộng tác viên đã từng hợp tác nghiên cứu. Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam xin trân trọng giới thiệu tới các quý độc giả bộ sách này và hy vọng bộ sách chuyên khảo s ẽ là tài liệu tham khảo b ổ ích, có giá trị phục vụ cho công tác nghiên cứu khoa học, ứng dụng công nghệ, đào tạo đại học và sau đại học. HỘI Đ Ồ N G B IÊN TẬP
3 M ỤC LỤC T rang LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC 3 LỜI NÓI ĐÀU 9 LỜI MỞ ĐÀU 11 Chương 1. H O Ạ T HÓA ĐIỆN HÓA, HIỆN TƯỢNG 13 VÀ CONG NGHẸ 1.1. Khái quát lịch sử phát triến của công nghệ hoạt hóa 13 điện hóa 1.1.1. Định nghĩa hiện tượng hoạt hóa điện hóa 13 1.1.2. Điều gì đã ngăn cán việc phát minh hiện tượng hoạt hóa 14 điện hóa? 1.2. Bản chất hiện tượng hoạt hóa điện hóa. Các tính chất 17 hóa-lý và đặc tính công nghệ của quá trình 1.2.1. Quá trình hoạt hóa điện hóa 17 1.2.2. Bản chát và đạc lính cùa hiộn lượng hoại hóa diện hóa 19 1.2.3. Tính kết hợp cùa công nghệ hoạt hóa điện hóa 25 1.2.4. Một số đặc tính của hiện tượng hoạt hóa 25 1.2.5. Bản chất vật lý cùa các hiện tượng hoạt hóa 32 1.2.6. Cơ chế tác động hoạt hóa lên tốc độ phản ứng hóa học 37 1.2.7. Quá trình hoạt hóa nước và các dung dịch nước bàng 45 phương pháp điện hóa 1.2.8. Mối quan hệ giữa các tham số lý-hóa của nước và điều kiện 49 tác động điện hóa ơong quá trình điện phân
4 Nguyễn Hoài Châu, V.M. Bakhir, Ngô Quốc Bu-u 1.3. Buồng điện hóa dòng chảy có màng ngăn PEM 61 1.3.1. Sự khác biệt cơ bán cùa buồng điện phân PEM so với các 61 loại buồng điện phân khác 1.3.2. Sự khác biệt của công nghệ hoạt hóa điện hóa 64 1.3.3. Một số tính chất đặc biệt của công nghệ hoạt hóa điện hóa 65 và các công nghệ có sử dụng kỹ thuật hoạt hóa điện hóa 1.4. Các phản ứng điện hóa xảy ra trong buồng điện hóa 6 6 PEM-3 1.5. Một số tính chất lý-hóa-sinh cua nước hoạt hóa điện hóa 67 1.6. Những biến đổi ORP dự đoán có thể xảy ra bên trong 70 cơ thể sống sau khi tiếp nhận catolit được hoạt hóa điện hóa từ nước ngọt Chương 2. CÔNG NGHỆ ĐIÊU CHẾ CÁC DUNG DỊCH 73 HOẠT HÓA ĐIỆN HÓA 2.1. Khảo sát thực nghiệm các tham sổ kỹ thuật và quá 73 trình điều chế dung dịch hoạt hóa điện hóa 2.2. Công nghệ diều chế các dung dịch hoạt hóa điện hóa và 76 nguyên lý xử lý nước 2.2.1. Xử lý điện hóa anốt bằng điện trường đơn cực 78 2.2.2. Xử lý điện hóa catốt bằng điện trường đơn cực 79 2.3. Đ iều ch ế các d u n g d jrh h o ạt hóa đ iệ n hóa tr ê n th iế t hj 79 kiểu STEL 2.3.1. Quá trình vận chuyển điện tích trong buồng điện phân có 80 màng ngăn 2.3.2. Khảo sát các tham số vận hành cùa buồng phản ứng 82 PEM -3 2.3.3. Đặc tính của các dung dịch anolit điều chế trên thiết bị 88 STEL 2.3.4. Các hệ thống công nghệ sản xuất dung dịch hoạt hóa điện 90 hóa trên thiết bị STEL
M ụ c lục 5 2.4. Dung dịch hoạt hóa điện hóa: Định hưóng chiến luọc 92 cùa khoa học k h ử trù n g hiện đại 2.4.1. Tác động cùa anolit lên tê bào vi sinh vật 93 2.4.2. Hoạt tính khứ trùng của anolit ANK 95 2.4.3. Dung dịch anolit kiểu mới: Anolit PEROX 101 2.4.4. Thiết bị AQUACLO sản xuất hỗn hợp các chất ôxy hóa 107 hoạt hóa điện hóa dạng khí Chương 3. CÔ N G N GHỆ H O Ạ T HÓA ĐIỆN HÓA TRONG 117 ỦNG DỤNG 3.1. ủ n g dụng công nghệ hoạt hóa điện hóa trong y học và 117 sinh học 3.1.1. Những số liệu thực nghiệm chứng minh khã năng điều 117 khiên các phán ứng ôxy hóa-khứ trong môi trường chất lóng sinh học bang nước hoạt hóa điện hóa 3.1.2. Anh hướng của các yếu tố hoạt hóa điện hóa lên trạng thái 118 của các tế bào đã được cách ly 3.1.3. Tác dụng giái độc, gây độc tế bào và kháng khuấn của các 121 dung dịch điện hóa có hoạt tính nhận điện tử (electronacceptor activity) 3.1.4. Kha năng chống phóng xạ và hoạt tính sinh học cùa các 1 2 2 dung dịch hoạt hóa điện hóa đối với động vật thí nghiệm và động vật nuôi 3.1.5. Các dung dịch hoạt hóa điện hóa - định hướng chiến lược 125 trong khoa học hiện đại về khử trùng 3.1.6 . Một số kết quả ứng dụng anolit ANK trong các cơ sở 130 y tế 3.2. ủ n g dụng công nghệ hoạt hóa điện hóa trong lĩnh vực 140 khử trùng nước uống 3.3. ủ ng dụng công nghệ hoạt hóa điện hóa trong nông nghiệp 151 3.3.1. Ung dụng các dung dịch hoạt hóa điện hóa tại các trại 153 chăn nuôi gia súc
6 Nguyễn Hoài Châu, V.M. Bakhir, Ngô Quốc Bưu 3.3.2. Khử trùng các chuồng trại 155 3.3.3. ử n g dụng công nghệ hoạt hóa điện hóa trong các trại chăn 156 nuôi gia cầm 3.3.4. Sừ dụng các dung dịch hoạt hóa điện hóa tại các trạm thu 158 mua rau, củ và kho bào quản 3.3.5. Tại các trại nuôi thú 159 3.3.6. ứ n g dụng công nghệ hoạt hóa điện hóa trong trồng trọt 160 3.3.7. Sử dụng dung dịch hoạt hóa điện hóa tại các trại sản xuất 162 rau quả và nhà kính 3.3.8. Trong nuôi trồng và sản xuất khoai tây 164 3.3.9. Công nghệ mới điều chình độ axit cùa sữa và các sản 164 phẩm thực phẩm dạng lỏng 3.4. Một số ứng dụng công nghệ hoạt hóa điện hóa trong 165 công nghiệp 3.4.1. Nâng cao hiệu quả và chất lượng các quá trình sơ chế dầu 165 hỏa trước khi đưa vào chế biến 3.4.2. Điều chế các dung dịch khoan bang công nghệ hoạt hóa điện 168 hóa Chương 4. ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HOẠT HÓA ĐIỆN 171 HÓA TẠI VIỆT NAM 4.1. Nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ hoạt hóa 171 điện hóa tại Việt Nam 4.2. ứ n g dụng các dung dịch hoạt hóa điện hóa trong y tế 180 4.2.1. ứ n g dụng anolit ANK trong bệnh viện 180 4.2.2. So sánh hiệu quả khử khuẩn cùa anolit và một số hoá chất 183 khử khuẩn thường dùng trong y tế 4.2.3. Nghiên cứu ứng dụng dung dịch anolit ưong điều trị bệnh 185 4.2.4. ứ n g dụng dung dịch hoạt hóa điện hóa anolit để vệ sinh 190 khử trùng các đối tượng khác nhau trong bệnh viện
M ụ c lục 4.3. ủ n g dụng các dung dịch hoạt hóa điện hóa trong một 221 số đối tượng chăn nuôi 4.3.1. Sử dụng các dung dịch anolit và catolit trong chăn nuôi gia 226 cầm 4.3.2. Nghiên cứu sử dụng dung dịch hoạt hóa điện hóa trong các 231 trang trại chăn nuôi lợn 4.3.3. ứ n g dụng anolit trong chăn nuôi bò sữa 241 4.3.4. Nghiên cứu sử dụng các dung dịch hoạt hóa điện hóa anolit 243 và catolit tại các trại nuôi tôm giống 4.3.5. ử ng dụng dung dịch hoạt hóa điện hóa làm vệ sinh và khứ 249 trùng phòng bệnh hại tằm 4.4. Nghiên cứu ứng dụng các dung dịch hoạt hóa điện hóa 263 trong trồng trọt 4.4.1. ứ n g dụng dung dịch anolit bảo quản quả nho 263 4.4.2. ủ n g dụng dung dịch anolit trong bảo quản cam 266 4.4.3. Úng dụng dung dịch anolit hoạt hóa điện hóa trong báo 269 quản quả thanh long 4.5. Nghiên cứu úng dụng các dung dịch hoạt hóa điện hóa 271 trong chế biến thủy sản 4.5.1. ứ n g dụng công nghệ hoạt hóa điện hóa tại xí nghiệp đông 272 lạnh AGIFISH An Giang 4.5.2. ứ n g dụng cõng nghẹ hoạt hóa điẹn hóa khứ trùng các sần 275 phẩm chế biến hải sản đưa vào bào quản 4.5.3. ứ n g dụng dung dịch siêu ôxy hóa trên dây chuyền thiết bị 278 chế biến bạch tuộc tại xí nghiệp BASEFOOD, Bà Rịa - Vũng Tàu 4.6. Nghiên cứu ứng dụng các dung dịch hoạt hóa điện hóa 284 trong chế biến thực phẩm 4.6.1. Các đối tượng thử nghiệm hoạt tính khứ khuẩn cùa dung 284 dịch anolit hoạt hóa điện hóa trong chế biến thực phẩm 4.6.2. Phuơng pháp thử nghiệm hoạt tính khử khuẩn của anolit 285
8 Nguyễn Hoài Châu, V.M. Bakhir, Ngô Quốc Bưu 4.6.3. ứ n g dụng dung dịch hoạt hóa điện hóa trong giết mổ gia 286 cầm 4.6.4. Nghiên cứu ứng dụng dung dịch hoạt hóa điện hóa trong 296 giết mổ lợn TÀ I LIỆU THAM KHẢO 305
9 LỜ I N Ó I Đ Ầ U Cuốn chuyên khảo “Dung dịch hoạt hóa điện hóa - Công nghệ và ứng dụng” được GS.VS. V. M. Bakhir, PGS. TS. Nguyễn Hoài Châu và PGS. TSKH. Ngô Quốc Bưu biên soạn từ quá trình phát hiện ra hiệu ứng hoạt hóa điện hóa vào những năm 70 của thế kỷ XX đến phát triển ứng dụng khá rộng rãi tại nhiều nước cũng như ở Việt Nam. Quyển sách chứa đựng nhiều số liệu thực nghiệm thực tiễn và lý thuyết cho phép giải thích cơ chế của hiện tượng tạo ra dung dịch hoạt hóa điện hóa, nguyên lý điều chế và ứng dụng các dung dịch cũng như công nghệ và các hệ thống thiết bị đế áp dụng trong các lĩnh vực khác nhau của đỏi sống và sản xuất. Bàn chất hoạt hóa của dung dịch được điều chế bàng công nghệ điện hóa là tạo được các chất giả bền dưới tác động của phản ứng điện hóa trên các điện cực có khoảng cách hẹp, lớp khuếch tán mỏng. Các chất giả bền có nhiều đặc tính điện hóa và hóa học đặc thù trong quá trình chúng chuyến dần từ trạng thái kích thích giả bền về trạng thái cân bằng nhiệt động học đã được sử dụng vào các lĩnh vực ứng dụng khác nhau đặc biệt trong công nghệ môi trường đe diệt khuấn hoặc xư lý ô nhiễm. Sự khác nhau cơ bán giữa các phàn ứng điện hóa bình thường và tạo dung dịch hoạt hóa điện hóa là thiết lập các tham số điện phân càng dịch xa khỏi trạng thái cân bàng một cách tối ưu. Nhờ vậy, khác với dung dịch điện phân dung dịch NaCl bình thường, trong dung dịch hoạt hóa điện hóa, ngoài các thành phần có tính chất ôxy hóa, khử như clo, a xit h yp ocloror, inn h y p o c lo r it, h y d r o p e r o x it, ô z o n , c ò n x u ât h iệ n n h icu chất CÓ hoạt tính tương tác cao khác là các gốc tự do nhu HO’ và HO 2 *, gốc các nguyên tử đơn như Cl* và o", phân tử liên kết đơn như '0 2, các gốc mang điện tích âm như 0 2 và H 0 2‘... với thời gian tồn tại kéo dài nhiều giờ. Ngày nay dung dịch hoạt hóa điện hóa đang được đưa vào áp dụng rộng rãi trong y tế, nông nghiệp, công nghệ thực phấm, chế biến thủy sản... tại nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Anh, Ý, Tây Ban Nha, Phần Lan, Cộng hòa Nam Phi, Brazil, Chile, Argentina, Hàn Quốc,... Những năm gần đây công nghệ tiên tiến này cũng đã bắt đầu được đưa vào áp dụng và mang lại hiệu quà cao tại nước ta. Các thiết bị do Viện Công nghệ môi trường chế tạo trên cơ sở họp tác với CHLB Nga đang hoạt động có hiệu quả trên khắp đất nước tại các cơ sở y tế đến cấp huyện.
10 Nguyễn Hoài Châu, V.M. Bakhir, Ngô Quốc Bưu Độc giả có thể tìm thấy trong quyển sách nhiều sơ đồ nguyên lý, hình ảnh các hệ thống thiết bị và các quy trình công nghệ để tiếp cận ứng dụng công nghệ xử lý môi trường đạt hiệu quả kinh tế cao mà không phải sử dụng hóa chất cũng như làm chù quá trình sử dụng. Quyển sách này có thể giúp ích cho nhũng người làm công tác khoa học và công nghệ, các sinh viên quan tâm đến ứng dụng công nghệ hoạt hóa điện hóa trong các ngành y tế, nông nghiệp, công nghiệp, xứ lý nước, cũng như nghiên cứu hóa lý và điện hóa ứng dụng. Sách gồm 4 chương, với chương 1: “Hoạt hóa điện hóa, hiện tượng và công nghệ” do viện sỹ Viện Hàn lâm Khoa học Y học-Kỹ thuật LB Nga V. M. Bakhir biên soạn; chương 2: “Công nghệ điều chế các dung dịch hoạt hóa điện hóa” do PGS.TS Nguyễn Hoài Châu biên soạn; chương 3-4: “Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ hoạt hóa điện hóa tại Việt Nam” do PGS.TS. Nguyễn Hoài Châu và PGS.TSKH. Ngô Quốc Bưu biên soạn. Nhóm tác giả bày tò lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TSKH Nguyễn Đức Hùng, Viện Hóa học - Vật liệu, Viện Khoa học - Công nghệ Quân sự, Bộ Quốc phòng và PGS.TS. Phan Thị Bình, Viện Hóa học-Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã đọc, sửa bản thảo và đóng góp nhiều ý kiến quý giá. Tập thể tác giả rất cảm ơn các độc giả gửi đến chúng tôi các ý kiến đóng góp để quyển sách được hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày 08 tháng 4 năm 2015 Các tác giả
11 LỜI M Ở ĐẦ U Các phương pháp điện hóa được xem là một trong những giải pháp ưu việt nhât trong việc thiêt lập các công nghệ sạch sinh thái cho nên văn minh kỹ thuật của tương lai. Vì vậy ngày càng nhiều các nhà khoa học và các chuyên gia công nghệ trên thế giới quan tâm nghiên cứu lĩnh vực này. Công nghệ hoạt hóa điện hóa - một lĩnh vực mới trong điện hóa ứng dụng - cho phép giải quyết các vấn đê sinh thái nôi cộm trong các quá trình công nghệ có liên quan đên việc sử dụng nước, các dung dịch axit và kiềm, các chất ôxy hóa, các chất khử, các dung dịch xúc tác quá trình ôxy hóa khứ, cũng như trong các kỹ thuật có sử dụng clo, điôxit clo, ôzon và nhiều các chất độc hại khác. Xét về quá trình lý-hóa, hoạt hóa điện hóa (HHĐH) là tống các tác động băng năng lượng điện vào hệ điện cực với không gian hẹp sát bê mặt điện cực trong quá trình vận chuyến điện tử qua ranh giới "điện cực- dung dịch" để thực hiện các quá trình điện hóa của các chât trong dung dịch điện ly (chủ yếu là nước) có chứa ion và phân tử của các chất tan, trong điều kiện tóa nhiệt tối thiêu. Trong vùng không gian tích điện một cách không cân bằng dung dịch nước và các chất tan sẽ được đưa lên trạng thái kích thích giả bền (hoạt hóa) thế hiện khả năng phản ứng cao khác thường, kéo dài hàng chục giờ, thậm chí hàng trăm giờ trong các quá trình hóa-lý khác nhau. Nước được hoạt hóa tại vùng catốt (catolit) cho hoạt tính dư điện từ, thế hiện tính chất khứ. Tương đương như vậy, nước được hoạt hóa tại vùng anốt (anolit) được đặc trưng bới hoạt tính thiếu điện tư, thể liiội» tính cliât ÔA.y hóa. Để thực hiện quá trình chuyển đồi điện hóa nước và các chất tan trong các buồng điện hóa hẹp có màng ngăn và dòng chảy dưới dạng mô đun được gọi là PEM (từ tiếng Nga npoTOHHbiH 3JieKTpoxHMHHecKnỉí MOíiynb). PEM đã được các nhà khoa học Nga chê tạo và đưa vào sử dụng đầu tiên. Đặc điểm cơ bàn nhất của PEM là sự kết hợp trong một đơn nguyên các tính chất của một buồng phản ứng điện hóa có lực đây lý tường và một buồng có khá năng khuấy trộn lý tướng, cũng như khả năng điều chỉnh quá trình xừ lý điện hóa bàng cách điều chính độ dẫn chọn lọc ion của màng ngăn. Hoạt hóa điện hóa không chỉ là một công nghệ cao cho phép làm sạch, khứ trùng và chuyển đổi các dung dịch nước thành các dung dịch dùng
12 Nguyễn Hoài Châu, V.M. Bakhir, Ngô Quốc Bưu cho các mục đích công nghệ khác nhau, mà còn là biểu hiện của một khái niệm triết học mới về bảo vệ thiên nhiên và sức khỏe con người, được thẻ hiện qua triết lý: “Con người càng cho ít hóa chất vào nước, Trái Đất càng sạch hơn”. Cách tiếp cận dựa vào các tính năng ưu việt về mặt kinh tế và sinh thái của các chất hoạt hóa, bao gồm cả nước hoạt hóa, so với các tác nhân hóa học truyền thống đã được sử dụng trong các lình vực hoạt động khoa học và sản xuất của con người hoàn toàn phù họp với các quan điểm cùa “hóa học xanh" - một xu hướng mới trong việc thay đổi các công nghệ hóa học hiện có hoặc tạo ra các công nghệ mới an toàn về sinh thái. Công nghệ HHĐH đã được tiếp cận và triển khai ứng dụng tại Việt Nam từ năm 2000. GS.VS. V. M. Bakhir đã 3 lần sạng Việt Nam để thuyết trình về những thành tựu mới trong chế tạo thiết bị và ứng dụng công nghệ HHĐH. Viện Công nghệ môi trường đã hợp tác chặt chẽ với GS.VS. V. M. Bakhir đã tiếp nhận những kết quả nghiên cứu mới từ nước Nga nhằm hoàn thiện, bổ sung và phát triển ứng dụng công nghệ tiên tiến này tại Việt Nam. Tính đến năm 2014, thiết bị sản xuất dung dịch HHĐH đã được ứng dụng trên 300 bệnh viện từ tuyến huyện trở lên; trên 150 cơ sở chăn nuôi bò, lợn, gà và tam; trên 50 trạm nuôi tôm giống và trên 100 cơ sở thu mua và chế biến rau quả tươi. Đặc tính ưu việt cơ bản của công nghệ HHĐH so với các công nghệ hóa học truyền thống là sạch về sinh thái, kinh tế và vạn năng. Sạch về sinh thái được đảm bảo bằng khả năng loại trừ hoàn toàn hoặc giảm thiểu đáng kể các chùng loại và khối lượng hóa chất được sử dụng trong các quá trình công nghệ có sử dụng nuớc và các dung dịch nước với mục đích khác nhau. K inh tế được thể hiện bàng sự gia tăng hiệu quả cùa các quá trình công nghệ nhờ giảm chi phí lao động, thời gian và nguyên liệu cũng như chất lượng và các đặc tính chức năng cùa sản phẩm cuối được nâng cao. Tính vạn năng của công nghệ HHĐH được gắn kết với khả năng sử dụng rộng rãi các quá trình công nghệ tương tụ đe tống hợp các dung dịch hoạt hóa cũng như xây dựng các hệ thống kỹ thuật với các buồng điện hóa cùng loại để áp dụng cho nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau. Nhờ vậy công nghệ HHĐH có thể áp dụng rộng rãi cho nhiều đối tượng khác nhau từ nhu cầu cá nhân cho đến giải quyết các nhiệm vụ có quy mô công nghiệp.
13 Chương 1 HOẠT HÓA ĐIỆN HÓA, HIỆN TƯỢNG VÀ CÔNG NGHỆ • • • 1.1. Khái quát lịch sử phát triến của công nghệ hoạt hóa điện hóa 1.1.1. Đ ịnh nghĩa hiện tư ợ ng hoạt hóa điện hóa Hiện tượng hoạt hóa điện hóa (HHĐH) cùa nước được phát hiện năm 1975 sau 3 năm nghiên cứu khả năng điều chình các tính chất của dung dịch khoan bàng phương pháp điện hóa [1], Trong giai đoạn từ năm 1972 đến năm 1978 hiện tượng hoạt hóa điện hóa đăng ký bản quyền về các thiết bị quy mô phòng thí nghiệm cũng như quy mô công nghiệp dùng đế hoạt hóa điện hóa nước và các dung dịch khoan [2,3]- Xét theo quan điểm hóa-lý, hiện tượng HHĐH có thế được phát biếu như sau: Hoạt hóa điện hóa là tống các tác động hóa lý và điện hóa lên nước có chứa ion và phân từ của các chất tan khác nhau tại vùng không gian lớp kép sát bề mặt điện cực cùa hệ điện hóa trong điều kiện tòa nhiệt tối thiêu và vận chuyến không cân bằng các điện tích qua ranh giới “điện cực - chất điện ly”. Kết qua cua quá trình là nước được đưa lên trạng thái kích thích già bền (hoạt hóa) thể hiện khá năng phán ứng cao do các tính chất lý-hóa khác thường, kéo dài hàng chục giờ. Nước được hoạt hóa tại vùng catot cho hoạt tín h d ư đ iện tử, thc hiện tính chất khử đ ư ợ c g ọ i là cu tolil. T ư ư n g đ ư ư n g nliư vậy, nước được hoạt hóa tại vùng anốt được đặc trưng bời hoạt tính thiếu điện tử, thể hiện tính chât ôxy hóa, được gọi là anolit. Trong lĩnh vực điện hoá, nước là thành phần quan trọng của chất điện ly và được phân loại phụ thuộc vào hàm lượng của chất điện ly, trong đó: nước ngọt có độ khoáng hóa dưới 1 g/L; nuớc lợ - từ 1 đến 3 g/L và từ 3 đến 10 g/L và nước mặn - 10 g/L đến 50 g/L. Nước ngọt còn được phân loại tiếp thành ngọt và siêu ngọt. Neu không có chú thích đặc biệt, nói chung nước được hiểu là một dung dịch có độ khoáng hóa nhất định. Xét theo quan điếm công nghệ, HHĐH là kết quả cùa sự thay đổi có định hướng khá năng phản ứng và các tính chất lý-hóa và điện hóa của nước có độ khoáng hóa thấp ớ trạng thái giả bền do tác động điện hóa trên
14 Nguyễn Hoài Châu, V.M. Bakhir, Ngô Quốc Bưu điện cực tạo trạng thái không cân bằng bằng các thiết bị phản ứng điện hóa tương ứng nhằm sản xuất các sản phẩm giả bền cho các lĩnh vực ứng dụng của các quá trình công nghệ khác nhau, đặc biệt trong công nghệ hóa học và công nghệ môi trường. 1.1.2. Điều gì đã ngăn cản việc ph á t m inh hiện tư ợ n g hoạt hóa điện hóa Như được biết, thực tế tất cả các dung dịch điện ly sử dụng trong công nghệ điện hóa từ trước đến nay đều có nồng độ các chất điện ly cao đe tăng độ dẫn điện của hệ điện hóa. Điều đó liên quan tới nhu cầu chi phi năng lượng phải là tối thiểu trên một đơn vị sản phẩm. Vì lẽ đó mà hàng thế kỷ nay nước sạch hoặc các dung dịch nước có độ khoáng hóa thấp đã không được xem là hệ dung dịch điện ly trong lĩnh vực điện hóa ứng dụng. Từ đó đã hình thành khái niệm phổ biến ràng nước sạch không thê điện phân do chứa quá ít ion. Thực ra có thể điện phân nước sạch, thậm chí cà nước siêu sạch. Tuy nhiên để làm điều đó đòi hỏi phải sử dụng điện áp cao giữa các điện cực. Nhưng khi đó bản thân quá trình phân ly nước sẽ xảy ra ở mật độ dòng thấp, nghĩa là phải chi phí nhiều điện năng. Quá trình điện phân đã đuợc khảo sát cực kỳ chi tiết trong khoảng gần 2 thế kỷ kể từ khi nó được phát minh. Thế nhung cho đến ngày nay, khi tính toán cân bằng nãng lượng tiêu hao cho quá trình điện phân, người ta vẫn không có được kết quả tương ứng vói lý thuyết. Một phần nào đó của năng lượng đưa vào đã bị mất đi mà không rõ nguyên nhân. Thậm chí đã xuất hiện khái niệm “sự không phù hợp về cân bằng năng lượng trong bé điện phârì'. Đẻ có thể hiểu được “sự không phù hợp” này trước hết hãy xét quá trình điện phân cổ điển với dòng một chiều được cho chạy qua hệ điện hóa gồm hai điện cực trong một dung dịch điện ly không có màng ngăn. Ket quả của quá trình là thành phân hóa học trong dung dịch thay đổi, bới vì tại vùng catốt các điện tử liên kết với các ion hoặc phân tử tạo ra sản phẩm khử, còn tại vùng anốt các ion và phân tử hoặc nguyên tử bị mất điện tử tạo nên các chất bị ôxy hóa. Trong khi đó nước tuy là một chất lỏng trung tính về mặt hóa học, nhưng vẫn là một chất điện ly yếu. Vì vậy trong quá trình điện phân tại khu vực Ẹần catốt nó thể hiện tính chất kiềm rõ ràng, còn tại vùng anốt - tính chất axit. Hiện tượng này không có gì mới và khác thường nên bị các nhà điện hóa bỏ qua bời lẽ họ chủ yếu chỉ quan tâm tới sản phẩm cụ thể nhận được trong khi điện phân. Vậy sau điện phân các sản phẩm này thay đổi như thế nào? Người ta nhận thấy ràng, ngaỵ sau khi ngắt nguồn điện, sự khác biệt giữa các thành phần nước gần catốt và gần anốt biến mất dần nhờ các quá trình khuếch tán trong dung
C hư ơ n g 1. HOẠT HÓA ĐIỆN HÓA, HIỆN TƯỢNG VÀ CÔNG NGHẸ 15 dịch điện ly và nước lại trở về trạng thái trung hòa ban đầu. Quá trình sẽ mang tính chất khác hoàn toàn, nếu ta loại bò khá năng khuây trộn của dung dịch điện ly. Cho đến nay người ta thừa nhận một điêm chung là năng lượng cấp cho quá trình điện phân chù yếu được sứ dụng cho việc thực hiện các phản ứng hóa học và tăng cường động năng của các nguyên tử. phân tư và ion được thê hiện dưới dạng tỏa nhiệt. Tuy nhiên, hiện tượng HHĐH đã được đề xuất với giả thuyết cho ràng một phần năng lượng được tiêu hao đê làm tăng thế năng của các thành phần có mặt trong dung dịch điện ly. Sự gia tăng thê năng đó không liên quan đến quá trình chuyên mức năng lượng từ mức nọ sang mức kia của các điện tử, mà chỉ là sự tăng hoặc giảm bán kính cùa các quỹ đạo điện tử trong mức năng lượng cùa chúng. Cụ thể, tại vùng catốt bán kính quỹ đạo điện tứ của các nguyên từ tăng lên, trong khi tại vùng anốt sẽ bị giám. Dễ dàng nhận thấy trong cả hai trường hợp thế năng cùa các chất đều tăng do bán kính của chúng đều dịch khỏi hố thế năng bền vững. Như vậy, chính lượng dư thế năng ưong các nguyên tứ đã làm cho chúng tồn tại trong trạng thái kích thích giả bền, thê hiện khả năng phản ứnẸ cao trong quá trình phục hôi từ trạng thái kích thích vê trạng thái cân băng. Hiên nhiên là lượng dư thế năng dần dần sẽ chuyển về động năng và phát tán dưới dạng tòa nhiệt, hoạt tính cùa nước sẽ giảm dần về giá trị không. Trong các bình điện phân thông thường hiện tượng hoạt hóa sẽ mất đi rất nhanh là do quá trình khuấy trộn khuếch tán các chất giữa 2 điện cực. Nhưng nếu quá trình điện hóa cùa nước được xứ lý bang một điện trường đơn cực tách biệt với điện cực kia để loại bó được ảnh hướng của sự khuấy trộn phần dung dịch điện lỵ tại hai khu vực anốt và catốt, thì hiện tượng hoạt hóa sẽ được duy trì rất lâu và thời gian thể hiện hoạt tính cao của nước sau điện phân sẽ được kéo dài. Nhiều kết quả thực nghiệm thu được sau này cũng cho phép khẳng định rằng dung dịch nước dưới tác dụng của dòng điện một chiều sẽ làm thay đ o i h oạt tính tưomg tác m à k h ô n g phụ th u ộc v à o cá c tham sô đ iện phân như nhiệt độ, áp suất, mức độ nồng độ cùa các chất tham gia. Điều đó một lần nữa khăng định sự dịch chuyển tạm thời thế năng của các chất trong dung dịch khỏi các giá trị cân bằng nhiệt động. Hiện tượng mới trước kia chưa đề cập đến này được gọi là hoạt hóa điện hóa. Hiện tượng HHĐH đã được phát minh như thế nào? Vào năm 1972 [4] lần đầu tiên phát hiện thấy catolit và anolit thu nhận được từ quá trình điện phân dung dịch nước có độ khoáng hóa thấp trong buồng điện hóa với màng ngăn giữa anốt và catốt có hoạt tính phản ứng và các tham số hóa lý khác thường, khác xa với các dung dịch mẫu catolit và anolit được điều chế bằng cách pha các hóa chất tươnẸ ứng vào nuớc. Các khảo sát tiếp theo đã chỉ ra rằng sự khác biệt về tính chất giữa anolit và catolit được điều chế điện hóa từ dung dịch muối loãng và các dung dịch mẫu tương tự được điều chế hóa học
16 Nguyễn Hoài Châu, V.M. Bakhir, Ngô Quốc Bưu không phải là một đại lượng bất biến. Sau một thời gian nào đó các tham số hoá lý của anolit và catolit tự thay đối và trở thành ngang bằng các tham số tương ứng cùa các dung dịch mẫu, nghĩa là khi đó các định luật điện phân cổ điển được bào toàn. Khoáng thời gian này được gọi là thời gian phục hồi (relaxation). Thời gian phục hôi này có thê kéo dài từ hàng chục phút đên hàng chục, thậm chí hàng trăm giờ. Các tham số hóa lý khác biệt đáng kế này là đặc trưng chính để catolit và anolit thực hiện giai đoạn phục hồi về trạng thái cân bằng nhiệt động học. Việc nghiên cứu khai thác các hiệu ứng HHĐH, đặc biệt là trạng thái giá bền đã tạo cơ sờ khoa học cho sự phát trien công nghệ HHĐH với các thiếl bị công nghệ và ứng dụng nước cũng như các dung dịch ớ trạng thái già bền vào các quá trình công nghệ khác nhau, nghĩa là sử dụng chúng trong thời gian chúng thế hiện hoạt tính lý-hóa cao nhất. Các chất lỏng ờ trạng thái giã bền thu đirợc bằng cách xử lý điện hóa dung dịch trong một điện trường đơn cực được gọi là dung dịch HHĐH, còn công nghệ điều chế và ứng dụng chúng được gọi là công nghệ HHĐH. Công nghệ HHĐH cho phép chi sử dụng năng lượng điện, không cần sử dụng đến các hóa chất mà vẫn có thể thay đổi một cách có định hướng trong khoảng giá trị rộng các tính chất axit-bazơ cũng như các tính chất ôxy hóa - khử và xúc tác của các dung dịch muối loãng (kê cà nước thường) đế sử dụng chúng cho các quá trình công nghệ khác nhau đặc biệt nhằm mục đích xử lý ô nhiễm, bảo vệ môi trường nhưng lại tiết kiệm năng lượng, nguyên liệu và chi phí lao động. Sau khi cơ sờ khoa học của hiện tượng HHĐH trong dung dịch nước được xác định và các thiết bị công nghệ HHĐH được thử nghiệm thành công, nhiều nhà khoa học Nga khác như c . A. Aliôkhin (1975-1980) [5], N. A. Mariampolsky (1979 - 1984) [6 ], A. Kh. Kasymov và V. V. Vakhidov (1978-1985) [7], A. G. Liakumovich và p. A. Kirpichnikov (1980-1990) [8 ], K. A. Kalunhianz, N. G. Zikoridze và A. A. Kochetkova (1 9 8 0 1 9 9 0 ) [9], V . I. R lo n e n k o và V . V. F isin in (1QQ0 - IQQQ) [1 0 ], I L. Gherlovin (1980-1987) [11] đã có những đóng góp to lớn để tổ chức sản xuất các dây chuyền các thiết bị hoạt hóa điện hóa đế ứng dụng trong công nghiệp khoan dầu, trong y học, trong nông nghiệp, trong chăn nuôi gia súc, gia cầm, trong công nghệ thực phẩm và cả trong công nghiệp quốc phòng. Năm 1985 HHĐH đã được Uỷ ban tối cao về cấp văn bằng (VAK) của Liên Xô chính thức đưa vào nhóm các hiện tượng hóa-lý mới [12], Nhờ vào những kết quả nghiên cứu thu được trong giai đoạn 1987- 1990 tổ hợp KH-SX “EKRAN” thuộc Viện Nghiên cứu Thử nghiệm Kỹ thuật Y học toàn Nga đã bắt đầu từ năm 1991 sàn xuất các thiết bị HHĐH kiểu STEL có khả năng điều chế các dung dịch khử trùng, tiệt trùng và tẩy rửa với hiệu quà cao. Nhờ vậy công nghệ hoạt hóa điện hóa đã được Viện HLKH LB Nga chính thức công nhận là một hướng khoa học-kỹ thuật