Tấm điện cực dùng trong điện phân nước biển để tạo ra khí clo, hydro và kiềm

Nước biển là một nguồn tài nguyên quý giá của trái đất. Không chỉ cung cấp nước mặc cho các ngành công nghiệp mà còn chứa nhiều khoáng chất và hóa chất có ích cho cuộc sống. Một trong những cách khai thác nước biển hiệu quả là điện phân nước biển để tạo ra khí clo và kiềm. Để thực hiện quá trình này ta cần có tấm điện cực môt loại vật liệu dẫn điện, có vai trò quan trọng trong việc tạo ra dòng điện và phản ứng hóa học.

1. Tấm điện cực là gì?

Tấm điện cực là một bộ phận của máy điện phân nước biển. Bao gồm hai loại: điện cực dương (anode) và điện cực âm (cathode). Các tấm điện cực được đặt song song với nhau trong một buồng chứa nước biển. Được phân cách bởi một màng bán thấm. Khi có dòng điện chạy qua các tấm điện cực, nước biển sẽ bị phân tách thành các ion khác nhau. Tạo ra các sản phẩm hóa học ở hai đầu của buồng.

Tại anode, các ion clorua (Cl-) sẽ bị oxy hóa thành khí clo (Cl2), theo phương trình:

2Cl- → Cl2 + 2e-

Tại cathode, các ion natri (Na+) sẽ bị khử thành kiềm (NaOH), theo phương trình:

2Na+ + 2H2O + 2e- → 2NaOH + H2

Sản phẩm thu được từ quá trình điện phân nước biển là khí clo và kiềm, có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp và sinh hoạt. Khí clo được sử dụng để tẩy trắng, khử trùng, sản xuất thuốc nhuộm, thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu, v.v. Kiềm được sử dụng để sản xuất xà phòng, giấy, nhựa, thuốc men, v.v.

2. Tấm điện cực được làm từ vật liệu gì?

Tấm điện cực được yêu cầu phải có độ dẫn điện cao, độ bền cao và khả năng chống ăn mòn cao trong môi trường nước biển. Hiện nay, các vật liệu thường được sử dụng để làm tấm điện cực là titan, thép không gỉ, đồng, nhôm, v.v. Tuy nhiên, không phải loại vật liệu nào cũng phù hợp cho cả hai loại điện cực.

Đối với anode, vật liệu phổ biến nhất là titan phủ oxit rutheni (Ti/RuO2). Loại vật liệu này có độ dẫn điện cao, độ bền cao và khả năng chống ăn mòn cao trong môi trường axit mạnh do khí clo tạo ra. Ngoài ra, oxit rutheni còn có tính chất xúc tác cao, giúp tăng hiệu suất oxy hóa ion clorua.

Đối với cathode, vật liệu phổ biến nhất là thép không gỉ (SS). Loại vật liệu này có độ dẫn điện cao, độ bền cao và khả năng chống ăn mòn cao trong môi trường kiềm mạnh do NaOH tạo ra. Ngoài ra, thép không gỉ còn có tính chất khử cao, giúp tăng hiệu suất khử ion natri.

3. Tấm điện cực có ảnh hưởng đến hiệu quả điện phân nước biển như thế nào?

Tấm điện cực có ảnh hưởng đến hiệu quả điện phân nước biển bằng cách ảnh hưởng đến các yếu tố sau:

• Điện áp: Điện áp là sức đẩy của dòng điện qua các tấm điện cực. Điện áp càng cao, dòng điện càng mạnh, quá trình điện phân càng nhanh. Tuy nhiên, điện áp quá cao cũng có thể gây ra các phản ứng phụ không mong muốn. Làm tăng chi phí và giảm chất lượng sản phẩm. Do đó, cần chọn tấm điện cực có khả năng hoạt động ở mức điện áp thấp nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất cao.
• Diện tích tiếp xúc: Diện tích tiếp xúc là diện tích của tấm điện cực tiếp xúc với nước biển. Diện tích tiếp xúc càng lớn, lượng ion được phân tách càng nhiều. Quá trình điện phân càng hiệu quả. Do đó, cần chọn tấm điện cực có kích thước và hình dạng phù hợp với buồng chứa nước biển, để tăng diện tích tiếp xúc.
• Độ bền: Độ bền là khả năng của tấm điện cực chịu được sự ăn mòn và hao mòn trong quá trình hoạt động. Độ bền càng cao, tuổi thọ của tấm điện cực càng dài, chi phí bảo trì và thay thế càng thấp. Do đó, cần chọn tấm điện cực có vật liệu và công nghệ chế tạo cao cấp, để đảm bảo độ bền.

4. Quy trình, hệ thống và chi phí điện phân nước biển 

4.1. Hệ thống điện phân nước biển 

Một hệ thống điện phân nước biển bao gồm những bộ phận và thiết bị sau:

• Một nguồn điện một chiều, có thể là năng lượng tái tạo như gió, mặt trời, v.v. hoặc năng lượng hóa thạch như than, dầu, khí, v.v.
• Một bình chứa nước biển, có thể là một bể nổi hoặc một ống dẫn dưới đáy biển.
• Một hệ thống lọc và xử lý nước biển, để loại bỏ các tạp chất và vi sinh vật có hại cho quá trình điện phân.
• Một tế bào điện phân, gồm hai điện cực (thường là kim loại trơ như bạch kim, thép không gỉ hoặc iridium) và một màng bán thấm (thường là polymer hoặc gốm) để ngăn cách hai dung dịch chứa hydro và oxy.
• Một hệ thống thu gom và lưu trữ hydro và oxy, gồm các bình chứa, ống dẫn và van an toàn để đảm bảo không có rò rỉ hay cháy nổ xảy ra.
• Một hệ thống kiểm soát và quản lý thông minh, để theo dõi và điều chỉnh các thông số như áp suất, nhiệt độ, dòng điện, v.v. của quá trình điện phân.

4.2. Quy trình điện phân nước biển 

Quy trình điện phân nước biển để tạo ra khí clo và kiềm diễn ra như sau:

Bước 1: Chuẩn bị nguồn nước biển

• Nguồn nước biển cần được lọc sạch các tạp chất như cát, đất, rong rêu, v.v. để không làm hư hại các tấm điện cực.
• Nguồn nước biển cần được bổ sung một số chất điện ly như muối ăn, axit sunfuric, v.v. để tăng độ dẫn điện của nước.

Bước 2: Điện phân nước biển

• Nguồn nước biển sau khi đã được chuẩn bị sẽ được đưa vào một buồng chứa các tấm điện cực, được phân cách bởi một màng bán thấm.
• Một nguồn điện một chiều sẽ được kết nối với hai loại điện cực: điện cực dương (anode) và điện cực âm (cathode).
• Khi có dòng điện chạy qua các tấm điện cực, nước biển sẽ bị phân tách thành các ion khác nhau, tạo ra các sản phẩm hóa học ở hai đầu của buồng.
• Tại anode, các ion clorua (Cl-) sẽ bị oxy hóa thành khí clo (Cl2), theo phương trình:

2Cl−→Cl2​+2e−

• Tại cathode, các ion natri (Na+) sẽ bị khử thành kiềm (NaOH), theo phương trình:

2Na++2H2​O+2e−→2NaOH+H2

Bước 3: Thu gom và xử lý sản phẩm

• Khí clo và khí hydro sẽ được thu gom qua các ống dẫn và được lưu trữ dưới dạng khí lỏng hoặc khí nén trong các bình chứa.
• Kiềm sẽ được thu gom qua màng bán thấm và được xử lý để loại bỏ các tạp chất và điều chỉnh độ pH.
• Các sản phẩm thu được từ quá trình điện phân nước biển có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp và sinh hoạt. Khí clo được sử dụng để tẩy trắng, khử trùng, sản xuất thuốc nhuộm, thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu, v.v. Kiềm được sử dụng để sản xuất xà phòng, giấy, nhựa, thuốc men, v.v.

4.3. Ngân sách thực hiện 

Chi phí của quá trình điện phân nước biển phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như:

• Giá cả của điện năng sử dụng cho quá trình điện phân. Nếu sử dụng năng lượng tái tạo như gió, mặt trời, thủy điện, v.v. thì chi phí sẽ thấp hơn so với sử dụng năng lượng hóa thạch như than, dầu, khí, v.v.
• Giá cả của các thiết bị và vật liệu cho quá trình điện phân, như các tấm điện cực, màng bán thấm, bình chứa, ống dẫn, v.v. Các thiết bị và vật liệu này cần có độ bền cao, khả năng chịu ăn mòn và độc tính của nước biển, và hiệu suất cao trong việc tách nước thành hydro và oxy.
• Giá cả của các hoạt động bảo trì, vận hành và xử lý chất thải cho quá trình điện phân. Các hoạt động này cần được thực hiện thường xuyên để đảm bảo an toàn và hiệu quả của quá trình điện phân.

Theo một số nguồn tham khảo, chi phí của quá trình điện phân nước biển dao động từ 2 đến 6 USD/kg hydro tùy theo các yếu tố trên. So với chi phí của quá trình điện phân nước ngọt siêu tinh khiết, khoảng 1 đến 3 USD/kg hydro, chi phí của quá trình điện phân nước biển cao hơn do độ phức tạp và khó khăn của quá trình này.

5. Khó khăn và thách thức 

Một số khó khăn và thách thức của quá trình điện phân nước biển là:

• Thành phần phức tạp của nước biển, chứa hơn 90 nguyên tố hóa học và một số lượng lớn vi sinh vật và các hạt lơ lửng, gây ra các vấn đề về ăn mòn và độc tính, làm mất hoạt tính của chất xúc tác, hiệu suất điện phân thấp cũng như các trở ngại và thách thức kỹ thuật khác .
• Việc tách nước biển gián tiếp phụ thuộc vào thiết bị khử muối quy mô lớn, khiến quá trình trở nên phức tạp, đồng thời làm tăng chi phí sản xuất hydro.
• Việc lưu trữ và vận chuyển hydro cũng gặp nhiều khó khăn do tính chất dễ cháy nổ, dễ bị rò rỉ và có áp suất cao của hydro. Cần có các công nghệ và tiêu chuẩn an toàn để đảm bảo quá trình này.
• Việc sử dụng hydro làm nhiên liệu cũng cần có các thiết bị và hệ thống phù hợp, như các động cơ hoặc pin nhiên liệu chuyển đổi hydro thành điện năng. Các thiết bị và hệ thống này còn đắt đỏ và chưa phổ biến.

Một số ưu điểm và nhược điểm của quá trình điện phân nước biển là:

Ưu điểm:

• Tạo ra hydro và oxy từ nước biển, một nguồn tài nguyên rộng lớn và tái tạo được.
• Giảm phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch. Góp phần bảo vệ môi trường và ứng phó với biến đổi khí hậu.
• Tận dụng tối đa năng lượng tái tạo, như gió, mặt trời, v.v. Để cung cấp điện cho quá trình điện phân.
• Tạo ra một nguồn nhiên liệu xanh, hiệu quả và an toàn cho nhiều lĩnh vực. Như giao thông, công nghiệp, sinh hoạt, v.v.

Nhược điểm:

• Thành phần phức tạp của nước biển, gây ra các vấn đề về ăn mòn và độc tính. Làm mất hoạt tính của chất xúc tác, hiệu suất điện phân thấp cũng như các trở ngại và thách thức kỹ thuật khác.
• Chi phí sản xuất hydro từ nước biển cao hơn so với nước ngọt siêu tinh khiết.
• Việc lưu trữ và vận chuyển hydro cũng gặp nhiều khó khăn. Do tính chất dễ cháy nổ, dễ bị rò rỉ và có áp suất cao của hydro. Cần có các công nghệ và tiêu chuẩn an toàn để đảm bảo quá trình này.
• Việc sử dụng hydro làm nhiên liệu cũng cần có các thiết bị và hệ thống phù hợp. Như các động cơ hoặc pin nhiên liệu chuyển đổi hydro thành điện năng. Các thiết bị và hệ thống này còn đắt đỏ và chưa phổ biến.

6. Ứng dụng của quy trình điện phân nước biển 

Một số ứng dụng của quy trình điện phân nước biển là:

• Sản xuất hydro và oxy từ nước biển, một nguồn tài nguyên rộng lớn và tái tạo được. Hydro và oxy có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như. Giao thông, công nghiệp, sinh hoạt, y tế, v.v.
• Giảm phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch. Góp phần bảo vệ môi trường và ứng phó với biến đổi khí hậu. Hydro là một nhiên liệu xanh, hiệu quả và an toàn, không gây phát thải các bon khi đốt cháy.
• Tận dụng tối đa năng lượng tái tạo, như gió, mặt trời, v.v. Để cung cấp điện cho quá trình điện phân. Điều này giúp tiết kiệm chi phí và tăng hiệu suất của quá trình điện phân.
• Là một phương pháp sửa lỗi trong các quá trình công nghiệp khác. Ví dụ, điện phân nước biển có thể được sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ. Hoặc kim loại nặng trong nước thải.

Một dự án liên quan đến sản xuất hydro từ điện phân nước biển đang được đề xuất tại Việt Nam, đó là:

• Dự án Thăng Long Wind 2 (TLW2), do Tập đoàn năng lượng Enterprize Energy (Vương quốc Anh – Singapore). Và các nhà đầu tư từ châu Âu thực hiện, với quy mô 2.000 MW. Tổng mức đầu tư khoảng 5 tỷ đô la Mỹ, thời gian triển khai dự kiến từ 2022 đến 2030.
• Dự án này sẽ sản xuất hydro từ điện phân nước biển. Phục vụ xuất khẩu tại khu vực dự án điện gió ngoài khơi Thăng Long. (Mũi Kê Gà, tỉnh Bình Thuận), tận dụng tối đa tiềm năng gió ngoài khơi. Và nằm trong tuyến hàng hải giao thương quốc tế, khoảng cách ngắn. Đến các thị trường xuất khẩu tiềm năng như Nhật Bản, Hàn Quốc, Singapore.
• Dự án này cũng sẽ góp phần phát triển kinh tế xanh, tăng trưởng xanh toàn cầu. Bảo vệ môi trường và ứng phó với biến đổi khí hậu, giảm phát thải các bon. Nâng cao vị thế, uy tín của Việt Nam trên trường quốc tế.

7. Tầm quan trọng của tấm điện cực trong quy trình điện phân 

Tấm điện cực là một phần quan trọng trong quá trình điện phân vì nó có các chức năng sau:

7.1. Tạo tiếp xúc điện với môi trường

• Tấm điện cực là một phần tử dẫn điện được sử dụng để tạo tiếp xúc điện. Của một mạch điện với môi trường cụ thể nào đó, từ đó thực hiện trao đổi điện tử với môi trường (về điện áp hoặc dòng điện).
• Tấm điện cực phải có khả năng chịu được các yếu tố bên ngoài như. Nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, v.v. và không bị ăn mòn hay hao hụt trong quá trình điện phân.

7.2. Thúc đẩy các phản ứng hóa học

• Tấm điện cực là nơi xảy ra các phản ứng oxy hóa – khử. Giữa các ion trong dung dịch hoặc nóng chảy và các electron từ nguồn điện.
• Tại anot (điện cực dương), các ion dương bị oxy hóa (mất electron). Và tạo ra các sản phẩm khí hoặc kim loại rắn. Ví dụ: 2Cl- → Cl2 + 2e-; Cu2+ + 2e- → Cu.
• Tại catot (điện cực âm), các ion âm bị khử (nhận electron). Và tạo ra các sản phẩm khí hoặc kim loại rắn. Ví dụ: 2H+ + 2e- → H2; Na+ + e- → Na.
• Tấm điện cực phải được chọn sao cho có thể tăng tốc độ. Và hiệu suất của các phản ứng hóa học, giảm thiểu sự cạnh tranh của các phản ứng phụ và giảm thế điện phân cần thiết.

7.3. Sản xuất và thu thập các sản phẩm

• Tấm điện cực là nơi sản xuất và thu thập các sản phẩm. Của quá trình điện phân, như hydro, oxy, clo, kiềm, kim loại, v.v.
• Tấm điện cực phải được thiết kế sao cho có thể lưu trữ và vận chuyển các sản phẩm. Một cách an toàn và hiệu quả, tránh sự trộn lẫn hay bùng nổ của các khí.

8. Kết luận

Tấm điện cực là một yếu tố quan trọng trong quá trình điện phân nước biển để tạo ra khí clo và kiềm. Tấm điện cực có vai trò tạo ra dòng điện và phản ứng hóa học để phân tách các ion trong nước biển. Tấm điện cực được làm từ các vật liệu khác nhau, tuỳ thuộc vào loại anode hay cathode. Tấm điện cực có ảnh hưởng đến hiệu quả điện phân nước biển. Bằng cách ảnh hưởng đến các yếu tố như. Điện áp, dòng điện, độ bền, độ ổn định, độ chống ăn mòn và độ bám dính của lớp phủ. Do đó, việc lựa chọn tấm điện cực phù hợp với mục đích. Và điều kiện của quá trình điện phân nước biển là rất quan trọng. Để đảm bảo hiệu suất cao, chi phí thấp và thân thiện với môi trường.

Trong bài viết này, chúng tôi đã giới thiệu về các loại tấm điện cực. Thường được sử dụng trong điện phân nước biển. Cũng như các ưu và nhược điểm của chúng. Chúng tôi hy vọng bài viết này sẽ giúp bạn có cái nhìn tổng quan. Và sâu sắc hơn về tấm điện cực trong quá trình điện phân nước biển.