Hoàn thiện công nghệ và chế tạo thiết bị sản xuất hypoclorit natri công suất dưới 5kg clo hoạt tính/giờ

Trong 20 năm gần đây, nhờ sáng chế dùng buồng phản ứng điện hoá dạng ống kín thay cho các hộp hở xếp các tấm điện cực phẳng và kết hợp với sự phát triển của ngành vật liệu kim loại trong

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

DỰ ÁN SẢN XUẤT THỰC NGHIỆM ĐỘC LẬP CẤP NHÀ NƯỚC

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ DỰ ÁN

“HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ VÀ CHẾ TẠO

THIẾT BỊ SẢN XUẤT HYPOCLORIT NATRI

CÔNG SUẤT DƯỚI 5 KG CLO HOẠT TÍNH/GIỜ”

MÃ SỐ: DAĐL – 2009/07

Cơ quan chủ trì dự án: Viện Công nghệ môi trường

Chủ nhiệm dự án: PGS.TS Nguyễn Hoài Châu

8838

Hà Nội - 2011

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

DỰ ÁN SẢN XUẤT THỰC NGHIỆM ĐỘC LẬP CẤP NHÀ NƯỚC

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ DỰ ÁN

“HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ SẢN XUẤT HYPOCLORIT NATRI

CÔNG SUẤT DƯỚI 5 KG CLO HOẠT TÍNH/GIỜ”

MÃ SỐ: DAĐL – 2009/07

Chủ nhiệm dự án Viện Công nghệ môi trường

Viện KH&CN Việt Nam Bộ Khoa học và Công nghệ

Hà Nội - 2011

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6

MỞ ĐẦU 7

Chương 1 CHẾ TẠO BUỒNG PHẢN ỨNG ĐIỆN HÓA 13

1.1 Phương pháp chế tạo, thành phần và tính chất của điện cực anot 14

1.2 Chế tạo buồng phản ứng điện hóa 16

1.2.1 Buồng điện hóa của thiết bị WATERCHLO 500 16

1.2.2 Buồng điện hóa của thiết bị WATERCHLO 1000 22

1.2.3 Buồng điện hóa của thiết bị WATERCHLO 2000 26

1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ của dung dịch đến hiệu suất tạo clo hoạt tính 31

1.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến năng suất clo hoạt tính của thiết bị WATERCLO 500 32

1.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến năng suất clo hoạt tính của thiết bị WATERCLO 1000 33

1.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến năng suất clo hoạt tính của thiết bị WATERCLO 2000 34

1.4 Khống chế nhiệt độ trong buồng phản ứng điện hóa 35

1.5 Chống đóng cặn trong buồng phản ứng điện hóa 37

1.6 Độ bền của buồng phản ứng điện hóa 37

Chương 2 CHẾ TẠO NGUỒN MỘT CHIỀU VÀ TỦ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN 42

2.1 Các nguồn một chiều DC của ba loại thiết bị 42

2.1.1 Nguồn điện một chiều cho thiết bị sản xuât natri hypoclorit công suất nhỏ ( không lớn hơn 500 g/h) 44

2.1.2 Nguồn điện một chiều cho thiết bị sản xuất natri hypoclorit công suất lớn ( trên 1000 g/h) 46

2.2 Mạch bảo vệ, mạch ổn định chế độ làm việc và tủ điện điều khiển của 3 loại thiết bị 48

2.2.1 Mạch bảo vệ và ổn định chế độ làm việc 48

2.2.2 Tủ điện điều khiển 51

2.2.3 Bảo đảm trong môi trường làm việc 54

Chương 3

BẢO ĐẢM TÍNH ỔN ĐỊNH, ĐỘ BỀN VÀ SỰ THUẬN TIỆN TRONG

VẬN HÀNH THIẾT BỊ 55

3.1 Hệ thống xử lý nước đầu vào 55

3.2 Hệ thống thoát khí hyđrô 60

3.3 Vật liệu chống ăn mòn 62

3.3.1 Lựa chọn sơn chống ăn mòn cho thép 62

3.3.2 Xác định tính không bị clo ăn mòn của các chi tiết phi kim loại 63 3.4 Cấu hình của thiết bị 65

3.5 Bố trí thiết bị trong nhà máy nước 67

3.6 Tính ổn định của thiết bị 69

Chương 4 TỔ CHỨC THỰC HIỆN DỰ ÁN 70

4.1 Địa điểm triển khai Dự án: 71

4.2 Huy động kinh phí thực hiện Dự án: 71

4.3 Tổ chức nhân lực thực hiện Dự án: 71

4.4 Đào tạo nhân lực: 72

4.5 Quảng bá và tiêu thụ sản phẩm của Dự án: 73

Chương 5 CÁC KẾT QUẢ CỦA DỰ ÁN 75

5.1 Hoàn thành chế tạo thiết bị với số lượng và chất lượng như đã dăng ký trong thuyết minh Dự án 75

5.2 So sánh với các sản phẩm trong nước và của nước ngoài 79

5.3 Mức độ hoàn thiện cộng nghệ 80

5.4 Hiệu quả kinh tế 81

Kết luận: 82

Kiến nghị: 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

PHỤ LỤC 84

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

KHCN: Khoa học và Công nghệ

CNMT: Công nghệ môi trường

KHCNVN: Khoa học và Công nghệ Việt Nam

SXTN: Sản xuất thực nghiệm

BPƯĐH: Buồng phản ứng điện hóa

ORTA: Anot titan ruteni ôxít

DC: Điện một chiều

AC: Điện xoay chiều

PVC: Poly vinyl clorua

PTFE: Poly tetra floro etilen

WATERCHLO: Thiết bị sản xuất natri hypoclorit

của Viện Công nghệ môi trường

GIAVINH: Thiết bị sản xuất natri hypoclorit

của Công ty cổ phần công nghệ cao Gia Nguyễn

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 1.1 Kết quả chạy thử điện cực WATERCHLO 500 21

2 Bảng 1.2 Kết quả chạy thử điện cực WATERCHLO 1000

khi thay đổi dòng điện 25

3 Bảng 1.3 Kết quả chạy thử thiết bị WATERCHLO 1000

khi thay đổi lưu lượng và nồng độ muối

26

4 Bảng 1.4 Ảnh hưởng của dòng điện đến năng suất clo hoạt tính

trên thiết bị WATERCHLO 2000

30

5 Bảng 1.5 Ảnh hưởng của nộng độ muối đến năng suất clo hoạt

tính trên thiết bị WATERCHLO 2000

30

6 Bảng 1.6 Ảnh hưởng của lưu lượng đến năng suất clo hoạt tính

trên thiết bị WATERCHLO 2000

10 Bảng 3.1 Thông số cơ bản của hạt cation dạng axit mạnh 55

11 Bảng 3.2 Một số điều kiện chính khi sử dụng hạt trao đổi cation 56

13 Bảng 3.4 Lựa chọn cột trao đổi ion dựa vào độ cứng và lưu

lượng cần thiết

59

14 Bảng 3.5 Tính chất vật lý và chịu hóa chất của một số loại vật

liệu phi kim

64

15 Bảng 3.6 Kết quả vận hành WATERCHLO 2000 liên tục 72 giờ 69

16 Bảng 5.1 Các bộ phận chính của thiết bị WATERCLO 500 76

17 Bảng 5.2 Các chỉ số kỹ thuật của thiết bị WATERCLO 500 76

18 Bảng 5.3 Các bộ phận chính của thiết bị WATERCLO 1000 77

19 Bảng 5.4 Các chỉ số kỹ thuật của thiết bị WATERCLO 1000 78

20 Bảng 5.5 Các bộ phận chính của thiết bị WATERCLO 2000 79

21 Bảng 5.6 Các chỉ số kỹ thuật của thiết bị WATERCLO 2000 79

22 Bảng 5.7 So sánh tiêu hao muối và điện của thiết bị

WATERCHLO chế tạo tại Viện CNMT với một số hãng trên thế giới

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1 Hình 1.1 Điện cực (Nga) và thiết bị WATERCHLO thế hệ cũ 9

4 Hình 1.4 Cấu tạo điện cực của thiết bị WATERCHLO 500 16

5 Hình 1.5 Bản vẽ chế tạo cực anot, catot và lưỡng cực

của WATERCHLO 500

19

7 Hình 1.7 Sự phụ thuộc năng suất clo vào lưu lượng sản phẩm 21

8 Hình 1.8 Bản vẽ chế tạo cực anot, catot và lưỡng cực

của WATERCHLO 1000

24

9 Hình 1.9 Buồng điện hóa của thiết bị WATERCHLO 1000 25

10 Hình 1.10 Bản vẽ chế tạo cực anot, catot và lưỡng cực của 28

11 Hình 1.11 Buồng điện hóa của thiết bị WATERCHLO 2000 29

12 Hình 1.12 Đồ thị sự phụ thuộc năng suất clo vào nhiệt độ dung

dịch điện phân của thiết bị WATERCHLO 500 33

13 Hình 1.13 Đồ thị sự phụ thuộc năng suất clo vào nhiệt độ dung

dịchđiện phân của thiết bị WATERCHLO 1000 34

14 Hình 1.14 Sơ đồ bố trí hệ thống khống chế nhiệt độ và rửa

BPƯĐH

36

16 Hình 2.2 Sơ đồ khối nguồn một chiều công suất lớn 46

18 Hình 2.4 Sơ đồ mạch điều khiển thiết bị WATERCHLO 50

20 Hình 2.6 Sơ đồ mạch điện cho thiết bị WATERCHLO 1000 53

22 Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa tốc độ dòng, nhiệt

23 Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa tốc độ dòng nước

rửa, nhiệt độ và sự giãn nở của hạt

57

28 Hình 3.7 Sơ đồ bố trí mặt bằng thiết bị WATERCHLO 68

MỞ ĐẦU

Trên thế giới việc chế tạo các thiết bị điện hoá sản xuất dung dịch khử trùng natri hypoclorit (còn có tên gọi là nước Giaven) từ nước muối đã được bắt đầu nghiên cứu từ giữa thế kỷ trước Trong 20 năm gần đây, nhờ sáng chế dùng buồng phản ứng điện hoá dạng ống kín thay cho các hộp hở xếp các tấm điện cực phẳng và kết hợp với sự phát triển của ngành vật liệu kim loại trong chế tạo các bản điện cực có độ bền cao, các thiết bị điện hoá sản xuất dung dịch natri hypoclorit từ nước muối kiểu mới đã cho hiệu quả kinh tế cao hơn

và ít làm ô nhiễm môi trường hơn hẳn các loại thiết bị cũ

Hiện nay, nhu cầu thiết bị sản xuất dung dịch natri hypoclorit từ muối bằng phương pháp điện phân dùng cho các hệ thống xử lý nước sinh hoạt ở trong và ngoài nước ngày càng tăng Phương pháp khử trùng nước bằng khí ozon có yếu điểm là chi phí cao và nước bị tái nhiễm khuẩn trên đường ống dẫn nước từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ nên khả năng cạnh tranh ở những nơi nước sinh hoạt có giá rẻ như ở nước ta không cao Ở nước ngoài, vì chi phí bảo hiểm và đền bù do nguy cơ rò rỉ khí clo ra môi trường ở các thành phố rất cao nên nhiều công ty cung cấp nước sạch đã từ bỏ phương pháp truyền thống dùng khí clo đựng trong các bình thép dưới áp suất cao để khử trùng nước, chuyển sang sử dụng natri hypoclorit được sản xuất bằng phương pháp điện phân nước muối Một số công ty ở Mỹ, Liên bang Đức, Ấn độ, Úc đã có mạng lưới phân phối các thiết bị loại này ở khắp các châu lục Tại nước Nga các thành phố lớn như Moskva, Sankt-Peterburg đã xây dựng các nhà máy chuyên sản xuất natri hypoclorit bằng phương pháp điện phân và dẫn nó theo đường ống ngầm tới các nhà máy nước nằm xung quang thành phố[1] Ở nước ta, việc đảm bảo khử trùng nước theo qui định (Qui chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống QCVN 01: 2009/BYT do Cục y tế dự phòng

và Môi trường biên soạn và được Bộ trưởng Bộ Y tế ban hành theo Thông tư

số 04/2009/TT–BYT ngày 17 tháng 6 năm 2009) ở hàng nghìn trạm cấp nước sinh hoạt nông thôn trong toàn quốc được xây dựng hàng năm cũng đòi hỏi những tiến bộ kỹ thuật mới nhằm thay thế cho việc sử dụng bột clorua vôi pha loãng hoặc dung dịch natri hypoclorit chỉ có thể được cung cấp từ Việt Trì (Phú Thọ) và Biên Hoà (Đồng Nai)

Về việc vận chuyển các bình khí clo Bộ Khoa học và Công nghệ có thông tư số 25/2010/TT-BKHCN, ngày 29 tháng 12 năm 2010: Hướng dẫn thủ tục cấp giấy phép vận chuyển hàng nguy hiểm là các chất ôxy hóa, các hợp chất ôxít hữu cơ và các chất ăn mòn bằng phương tiện giao thông cơ giới đường bộ Thông tư này qui định rất chặt chẽ, nghiêm ngặt về việc vận chuyển hàng nguy hiểm là các chất ôxy hóa, đặc biệt là clo khí và các hợp chất ôxy hóa của clo có tính ăn mòn và mức độ nguy hiểm cao

Vì mục tiêu an toàn và bảo vệ môi trường, nhiều công ty cấp nước phục

vụ các thành phố, thị xã, thị trấn đã lựa chọn việc sản xuất dung dịch natri hypoclorit tại chỗ thay cho việc mua và chuyên chở bình nén khí clo từ cách

xa hàng trăm cây số về dùng Có thể thấy nhu cầu chế tạo và cung cấp thiết bị điện hoá làm dung dịch natri hypoclorit ở nước ta là rất cấp thiết

Việc sử dụng dung dịch natri hypoclorit để khử trùng nước cấp cho sinh hoạt và nước thải đã được cho phép về mặt pháp lý theo hai văn bản của

Bộ Xây Dựng : Quyết định của Bộ Xây Dựng số 14/2004/QĐ – BXD, ngày

14 tháng 5 năm 2004 về việc ban hành: “Định mức dự toán công tác sản xuất nước sạch” và TCVN 7957 - 2008 về Tiêu chuẩn thiết kế: “Thoát nước – Mạng lưới và Công trình bên ngoài” Trên cơ sở pháp lý này thiết bị điện hoá sản xuất dung dịch natri hypoclorit có cơ hội phát triển ở nước ta

Từ những nhu cầu thực tiễn này, từ năm 1995 một tập thể cán bộ khoa học thuộc Viện Khoa học Vật liệu sau chuyển sang Viện Công nghệ môi trường (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã nghiên cứu chế tạo và đưa vào sử dụng trong các trạm cấp nước sinh hoạt nông thôn loại thiết bị sản xuất dung dịch natri hypoclorit từ nước muối bằng phương pháp điện phân Trong giai đoạn 1995 – 2005, thiết bị có công suất clo hoạt tính 25-50 g/h (sản xuất theo từng mẻ) Điện cực sử dụng trong các thiết bị này được chế tạo sẵn ở nước Nga dưới dạng các bản titan đã được xử lý bề mặt bằng lớp phủ

chống ăn mòn thích hợp rồi được gắn cố định vào một khuôn nhựa bằng phương pháp ép nóng (Hình 1)

Trong giai đoạn kế tiếp 2005-2008, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm chế tạo loại thiết bị thế hệ mới, cho sản phẩm liên tục với công suất clo hoạt tính 30-200 g/h Buồng phản ứng điện hóa sử dụng trong các thiết bị này được sản xuất tại Viện Công nghệ môi trường(CNMT), có dạng hình ống

và các bản điện cực được đặt gia công tại Trung Quốc theo bản vẽ thiết kế của Viện Thiết bị mới này có ưu điểm so với thiết bị kiểu cũ theo một loạt chỉ tiêu kỹ thuật chính: tuổi thọ của buồng điện hoá mới cao hơn các điện cực cũ

ít nhất 5 lần, chi phí điện và muối để sản xuất 1 đơn vị clo hoạt tính giảm 2 lần, hệ thống điều khiển và dẫn dung dịch được hoàn thiện cho phép ổn định hoạt động của thiết bị ở mức cao hơn

Do nhu cầu các thiết bị sản xuất nước Gia ven trang bị cho các nhà máy nước công suất 5.000 - 20.000 m3/ngày ngày càng lớn nên vấn đề chế tạo các thiết bị có công suất clo hoạt tính tới 2 kg/giờ đã được Viện CNMT quan tâm Cho đến nay qua các nguồn thông tin có thể thấy ở nước ta ngoài Viện CNMT chưa có đơn vị nghiên cứu hoặc sản xuất nào quan tâm chế tạo các thiết bị có tính năng và công suất nêu trên Qua nghiên cứu các thiết bị nhập từ Hoa Kỳ

đã được sử dụng ở các thành phố Huế, Nam Định và đi khảo sát các cơ sở sản xuất thiết bị tương tự ở Liên bang Nga trong năm 2008, các chuyên gia của

Hình 1.1 Điện cực (Nga) và thiết bị WATERCHLO thế hệ cũ

Viện CNMT đã thấy rõ việc sản xuất các thiết bị có công suất clo hoạt tính lớn sẽ đòi hỏi thực hiện nhiều giải pháp kỹ thuật mới có mức độ phức tạp cao hơn nhiều so với các thiết bị đã được Viện chế tạo trước đây[2] Để chế tạo các thiết bị sản xuất nước Gia ven có công suất clo hoạt tính, tính năng và hiệu quả sử dụng xấp xỉ với thiết bị sản xuất ở nước ngoài, Viện CNMT rất cần sự hỗ trợ từ phía Bộ khoa học và Công nghệ và sự tăng cường hợp tác với các cơ sở nghiên cứu về vật liệu, điện tử và công nghệ chế tạo máy, hóa chất

ở nước ta Qua quá trình thực hiện các bước chuẩn bị và thực hiện các thủ tục theo quy định, ngày 02 tháng 03 năm 2009 Bộ khoa học và Công nghệ; Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã ký hợp đồng Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ số 07/2009/HĐ-DAĐL với Viện CNMT thực hiện Dự án sản xuất thử nghiệm độc lập cấp Nhà nước: “Hoàn thiện công nghệ và chế tạo thiết bị sản xuất Hypoclorit natri công suất dưới 5 kg Clo hoạt tính/giờ”, mã số: DAĐL-209/07

Mục tiêu của Dự án SXTN này là “Thiết kế và chế tạo các thiết bị sản xuất dung dịch natri hypoclorit (nước Giaven) từ nước muối bằng phương pháp điện phân với công suất clo hoạt tính 0,5 kg/giờ, 1 kg/giờ và 2 kg/giờ có tính năng kỹ thuật tiên tiến và hiệu quả sử dụng cao để sử dụng trong các nhà máy xử lý nước.”

Như vậy, đối tượng nghiên cứu và cũng là kết quả thực hiện Dự án là các thiết bị sản xuất dung dịch natri hypoclorit có công suất clo hoạt tính 0,5 kg/giờ, 1 kg/giờ và 2 kg/giờ, có tính năng kỹ thuật và hiệu quả kinh tế phù hợp với nhu cầu sử dụng trong các nhà máy nước ở các đô thị ở nước ta

Mục tiêu cuối cùng của Dự án là chế tạo trong nước và đưa vào sử dụng 3 loại thiết bị sản xuất natri hypoclorit để khử trùng ở hàng loạt nhà máy cấp nước sinh hoạt và xử lý nước thải có công suất trung bình (tại các thị trấn, thị xã, thành phố nhỏ) – đó là một thị trường lớn nhưng sản phẩm mới khó

Để có chỗ đứng trên thị trường ngày càng phát triển này sản phẩm của Dự án cần đáp ứng các điều kiện cơ bản nhất : có độ bền cao, an toàn tuyệt đối, sử dụng dễ dàng và các chi phí đầu tư cũng như chi phí vận hành đều thấp so với các công nghệ khác

Các bộ phận chính trong các thiết bị nêu trên cần được đầu tư nghiên cứu thiết kế và chế tạo là 3 loại buồng phản ứng điện hóa dạng ống và 3 hệ thống nguồn điện và tủ điều khiển cho mỗi loại thiết bị Các bộ phận thiết yếu khác đảm bảo cho thiết bị hoạt động ổn định, có hiệu quả cao, an toàn và bền vững như hệ thống khống chế nhiệt độ dung dịch sản phẩm, làm loãng hyđro trong khí thải, xử lý nước đầu vào, bảo vệ chống ăn mòn vật liệu và cấu hình tổng thể thiết bị cũng được nghiên cứu trong khuôn khổ của Dự án Ngoài ra cần nghiên cứu xây dựng chế độ vận hành các thiết bị để đạt các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra đồng thời giảm tới mức thấp nhất chi phí chung của hai loại nguyên liệu chính là điện năng và muối

Phương châm chỉ đạo tập thể khoa học trong quá trình thực hiện Dự án

là kế thừa và phát huy các kết quả đã đạt được trong các giai đoạn trước, xây dựng các giải pháp kỹ thuật tiên tiến để giải quyết những vấn đề nảy sinh trong quá trình chế tạo các thiết bị mới bằng cách tự nghiên cứu và tiếp thu các thành tựu công nghệ từ nước ngoài

Tham gia thực hiện Dự án còn có Công ty cổ phần công nghệ cao Gia Nguyễn và Công ty Cơ - Điện lạnh và Môi trường Bắc Nam Hai công ty hỗ trợ Viện CNMT về phương tiện kỹ thuật, nhân lực, mặt bằng sản xuất và tài chính trong toàn bộ các khâu và quá trình nghiên cứu, sản xuất Công ty cổ phần công nghệ cao Gia Nguyễn nhận trách nhiệm lắp ráp tổng thể các thiết

bị trên cơ sở một số bộ phận, chi tiết kỹ thuật đã được Viện CNMT nghiên cứu, chế tạo như buồng phản ứng điện hoá, mạch điều khiển thiết bị hoạt động và tổ chức tiêu thụ toàn bộ các sản phẩm-thiết bị này Các thiết bị do Viện CNMT sản xuất có tên gọi là WATERCHLO, còn các thiết bị do Công

ty Gia Nguyễn sản xuất có nhãn hiệu là GIAVINH Phần kinh phí hoàn lại cho Bộ KH&CN từ khoản được cấp để thực hiện Dự án SXTN này thuộc về trách nhiệm của Công ty Gia Nguyễn

Dự án được thực hiện thành công sẽ là một bước tiến mới trong việc phát triển công nghệ chế tạo thiết bị điện hóa nói chung và công nghệ chế tạo thiết bị chuyên dùng cho ngành cấp thoát nước ở nước ta nói riêng Nhiệm vụ chế tạo hệ thống sản xuất natri hypoclorit trong các nhà máy cấp nước ở đô thị đã được Bộ Xây dựng thực hiện trong những năm 1975-1990 với sự giúp

đỡ của các chuyên gia Liên-xô nhưng đã không thành công Các thiết bị sản phẩm của Dự án về công suất sẽ đáp ứng nhu cầu khử trùng nước sinh hoạt cho tất cả các đô thị ở nước ta, trừ hai thành phố lớn nhất là Hồ Chí Minh và

Hà Nội Với chi phí vận hành không cao hơn phương pháp dùng clo khí đang được thịnh hành áp dụng trong các nhà máy nước ở nước ta mà lại có ưu việt

là an toàn tuyệt đối và thân thiện với môi trường, lợi ích mà các sản phẩm của

Dự án đem lại cho ngành cấp nước rất thiết thực

Việc thực hiện Dự án là điều kiện thuận lợi để tăng cường năng lực nghiên cứu và thiết kế, chế tạo thiết bị điện hóa cho tập thể cán bộ khoa học,

kỹ sư và công nhân kỹ thuật của Viện CNMT Kiến thức và kinh nghiệm thu nhận được từ quá trình chế tạo thiết bị của Dự án sẽ có ích trong việc nghiên cứu chế tạo các thiết bị điện hóa loại khác: các thiết bị sản xuất dung dịch anolit và siêu oxy hóa

Chương 1 CHẾ TẠO BUỒNG PHẢN ỨNG ĐIỆN HÓA

Buồng phản ứng điện hóa (BPƯĐH) là nơi xảy ra các quá trình điện hóa tạo thành natri hypoclorit NaOCl từ nước muối Đây là bộ phận quan trọng nhất của thiết bị vì nó quyết định tính chất của sản phẩm, năng suất và hiệu quả kinh tế của thiết bị nói chung Mặt khác tuổi thọ của thiết bị phụ thuộc vào tuổi thọ của điện cực Các quá trình điện hóa trong BPƯDDH được trình bày cụ thể trong nhiều giáo trình và tài liệu nên trong báo cáo này sẽ được trình bày ngắn gọn ở chương 3 Trong chương 1 trình bày nội dung nghiên cứu về cấu tạo các bản cực anot và độ bền của chúng, phương pháp chế tạo 3 loại BPƯĐH cho 3 loại thiết bị sản phẩm của Dự án, các biện pháp khống chế nhiệt độ, chống đóng cặn trong BPƯĐH để chúng hoạt động ổn định và có hiệu suất cao

BPƯĐH có thể chia thành hai loại, tạo nên hai dòng thiết bị có quy trình sản xuất và cách cho sản phẩm khác nhau Loại buồng hở có đặc điểm cấu tạo chung là bao gồm các tấm điện cực được xếp sát với nhau đặt trong bể

hở chứa nước muối (thông với không khí trong phòng máy) Thiết bị cho sản phẩm theo đợt sau thời gian vận hành 4-8 giờ Đặc điểm của các thiết bị loại này là có hàm lượng natri hypoclorit NaOCl trong bể nước muối ngày càng cao trong khoảng thời gian vận hành 4-8 giờ, nhiệt độ dung dịch trong bể không ngừng tăng tới mức 80oC - 90oC và khí clo liên tục thoát ra không khí trong phòng Sự tăng nhiệt độ điện phân cao hơn 60oC sẽ làm giảm lượng NaOCl tạo thành nên nhìn chung hiệu suất của các thiết bị có buồng hở không cao, mặt khác khí clo thoát ra liên tục có hại cho sức khỏe công nhân vận hành thiết bị và làm ăn mòn các đồ vật trong phòng máy BPƯĐH kín có dạng hình trụ kín hai đầu, mỗi đầu có ống dẫn dung dịch vào và ra, ngoài ra còn có ống thoát khí tạo thành đi ra ngoài nhà đặt máy Nước muối được bơm liên tục vào một đầu của buồng và sản phẩm được lấy ra ngay từ đầu ống kia,

thành ra dung dịch sản phẩm nóng khoảng 40oC- 60oC không bị lưu giữ trong BPƯĐH Vì vậy thiết bị có BPƯĐH kín có ưu điểm về năng suất, hiệu quả và

an toàn môi trường hơn loại thiết bị có buồng hở

Có thể nhập nguyên chiếc BPƯĐH từ nước ngoài về để lắp thành thiết

bị sản xuất dung dịch natri hypoclorit Một số công ty nước ngoài vừa bán thiết bị vừa bán riêng BPƯĐH Ở thành phố Hồ Chí Minh có công ty Việt Hy nhập các buồng hở để chế tạo các thiết bị có công suất clo hoạt tính đến 200 g/h Tuy nhiên để nắm được toàn bộ công nghệ chế tạo nhằm tiến tới sản xuất các loại thiết bị có công suất cao hơn, chủ động trong sản xuất và giảm giá thành thiết bị cần sản xuất BPƯĐH trong nước, chỉ nhập các bản điện cực mà các đơn vị chế tạo vật liệu ở nước ta chưa sản xuất được Tiến thêm một bước

so với giai đoạn trước, trong Dự án này có việc nghiên cứu thành phần lớp phủ chống ăn mòn điện hóa trên điện cực anot và qua xác định bề dày lớp phủ

có thể đánh giá độ bền theo thời gian hoạt động của điện cực - hay nói cách khác - tuổi thọ của điện cực Để chế tạo 3 loại BPƯĐH cho 3 loại thiết bị cần nghiên cứu và thử nghiệm cách sắp xếp và gá lắp các tấm bản cực trong ống trụ là thành buồng Để có hiệu suất tạo NaOCl cao ngoài các yêu cầu về vị trí

và khoảng cách giữa các tấm điện cực cần lưu ý đến các yêu cầu khác như tăng cường khuấy trộn dung dịch, điều kiện thoát khí và độ bền của các vật liệu trong buồng Một số tấm bản điện cực đã được sử dụng nhiều giờ cũng được nghiên cứu để tìm các nguyên nhân gây vết trên điện cực và tốc độ ăn mòn thực tế của các điện cực

1.1 Phương pháp chế tạo, thành phần và tính chất của điện cực anot

Điện cực anot được sử dụng là những bản titan có phủ lớp xúc tác điện hóa thường là ôxít và hỗn hợp ôxít kim loại: RuO2, IrO2, MnO2, PtO2, Co3O4, NiCo2O4, TiO2, và NiO2 Các ôxít kim loại này rất quan trọng trong công nghiệp sản xuất clo bởi vì chúng có hoạt tính xúc tác điện hóa cao và rất ổn

Loại anot có nhiều ưu điểm nhất đối với quá trình điện phân tạo clo là loại ôxit hỗn hợp (anot composit), ôxit titan và ôxit ruteni (RuxTi1-xO4 trên nền kim loại titan ORTA) Với thành phần RuO2 chiếm 30% trong hỗn hợp ôxit thì vật liệu anot ORTA này có hoạt tính xúc tác điện hóa cao và độ bền chống ăn mòn cao Hàm lượng RuO2 trong khoảng 20-30% ít ảnh hưởng tới thế anot, đến dòng trao đổi của phản ứng clo và độ dẫn điện của hệ điện phân [4]

Vì ở Việt Nam chưa chế tạo được các bản cực theo yêu cầu nên các bản cực đã được đặt gia công ở nước ngoài (ngoài khó khăn về công nghệ, chi phí sản xuất loại vật liệu này trong nước sẽ quá cao vì không có đơn đặt hàng lớn) Thành phần lớp phủ bề mặt của các bản cực đã được kiểm tra trên phổ

kế huỳnh quang tia X (model XRF – 2500- 12M) của Viện Khoa học Vật liệu (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) Phổ huỳnh quang tia X trên các điện cực cho thấy thành phần bản cực anot bao gồm Titan, Rutenni và Iridi (Hình 1.2) và trên bản cực catot là Titan (Hình 1.3)

Để đảm bảo hiệu quả sản xuất natri hypoclorit với chi phí điện và muối thấp nhất, việc nghiên cứu thiết kế và thử nghiệm từ các công đoạn lựa chọn kích thước, hình dạng, độ dày của các tấm điện cực đến cách sắp xếp chúng trong buồng điện hóa sao cho hiệu suất tạo clo lớn nhất, sự hòa trộn giữa xút

và clo là tốt nhất và hạn chế sự sinh nhiệt trong quá trình điện phân đóng vai trò rất quan trọng Hình 1.4 dưới đây mô tả cấu hình của các điện cực trong buồng phản ứng điện hoá đã được thiết kế chế tạo tại Viện CNMT

Ir

Ti

Hình 1.2 Thành phần bản cực anot Hình 1.3 Thành phần bản cực catot

Hình 1.4 Cấu tạo điện cực của thiết bị WATERCHLO

1 - Catot: Chế tạo từ titan và có dạng răng lược

2 - Anot: Chế tạo từ titan, có dạng răng lược và được phủ lớp xúc tác điện hóa là các ôxít: RuO2, IrO2

3 - Bản lưỡng cực: Chế tạo từ titan trong đó 1/2 tấm được phủ lớp xúc tác điện hóa giống như anot Các tấm lưỡng cực được lắp nối tiếp nhau và xen

kẽ với anot và catot (Xem hình 1.4)

Theo khuyến cáo của nhà sản xuất thì điều kiện làm việc của điện cực như sau:

- Nồng độ muối ≤ 5%

- Độ pH: 1-14

- Nhiệt độ làm việc: 10-70 oC

- Thời gian hoạt động liên tục: ~ 20 giờ/ngày

- Tuổi thọ điện cực phụ thuộc vào mật độ dòng:

+ Mật độ dòng: 0,15A/cm2 tuổi thọ 5 năm

+ Mật độ dòng: 0,30A/cm2 tuổi thọ 2,5 năm

- Khoảng cách giữ các bản cực từ 1- 3 mm

1.2 Chế tạo buồng phản ứng điện hóa

1.2.1 Buồng điện hóa của thiết bị WATERCHLO 500

Các bước tiến hành:

1.2.1.1 Tính tổng dòng điện chạy qua anot

Theo định luật Faraday cho quá trình điện phân:

Q = m.n.F

Q: điện lượng chạy qua tính bằng Culông

m: khối lượng chất được chuyển hoá nhờ điện hóa (mole)

n: số lượng điện tử trao đổi của phản ứng

F: hằng số pharaday F = 96484

Lượng clo quy đổi trong 1h là 500 g tức là

m = 500 g Clo : 71g = 7,04 mole

Số lượng điện tử trao đổi n = 2

Điện lượng cần có để chuyển hóa được 7,04 mole là:

Q = 7,04 x 2 x 96484 = 1.358.929,6 Culong mặt khác Q = It

I: cường độ dòng điện ampe

t: tính bằng giây

I = Q : t = 1.358.929,6 : 3600 = 377,5 A

1.2.1.2 Tính dòng điện chạy qua một ngăn anot

Để dễ dàng cho việc chỉnh lưu điện 1 chiều và giảm dòng điện nguồn 1 chiều, điện cực được chia làm 8 ‘ngăn’ nhỏ mắc nối tiếp Dòng điện để điện hoá lúc này sẽ bằng tổng các dòng diện chạy qua từng ngăn

Vậy dòng điện qua mỗi ngăn là

Ilt = 377,5 A : 8 = 47,19 A

1.2.1.3 Hiệu suất dòng điện sinh công và dòng thực tế qua 1 ngăn

Dựa trên các số liệu thực tế của nước ngoài và kinh nghiệm trong sản xuất cho biết hiệu suất của dòng điện có ích là h = 0,6 - 0,8 ứng với nồng độ Clo hoạt tính 4.000 - 8.000 mg/l

Ở đây dự định sản xuất máy cho hàm lượng clo hoạt tính là 5.000 mg/l

Vì vậy ta chọn h = 0,7

Dòng điện thực tế chạy qua mỗi ngăn là:

Itt = ilt x 1/h = 47,19 x 1/ 0,7 = 67,41 A Làm tròn Itt = 70 A

1.2.1.4 Mật độ dòng qua anot của 1 ngăn

Người ta thường sử dụng ở mật độ I = 0,15 - 0,18 A/cm2 để đảm bảo tuổi thọ của điện cực 5 - 7 năm làm việc Chọn Itb = 0,165 A/cm2

1.2.1.5 Tính diện tích anot của 1 ngăn

Ta sẽ có chiều dài 1 tấm

L = S : R : 10 (tấm) = 420 : 6 : 10 = 7 cm

Khoảng cách ghép nối khi lắp ráp cần cộng thêm 1,25 cm

Vậy chiều dài 1 tấm cực sẽ là ltt = 8,75 cm

Tấm lưỡng cực sẽ có chiều dài gấp đôi llc = 8,75 cm x 2 = 17,5 cm Như vậy ta có kết cấu như sau:

Anot gồm 6 tấm kích thước làm việc là 6 cm x 7 cm

Catot kế tiếp gồm 5 tấm kích thước làm việc là 6 cm x 7 cm

Dưới đây là hình vẽ cấu tạo các bản điện cực:

Hình 1.5 Bản vẽ chế tạo cực anot, catot và lưỡng cực

của WATERCHLO 500

1.2.1.7 Buồng điện hóa của thiết bị WATERCHLO 500

Hình1.6 Ảnh buồng điện hóa WATERCHLO 500 1.2.1.8 Kết quả thử nghiệm thiết bị WATERCHLO 500

Thiết bị WATERCHLO 500 chạy thử nghiệm với dòng điện 65 A và 70

A (mật độ dòng điện tương ứng là 0,155 và 0,167A/cm2); lưu lượng thay đổi:

60 - 90 - 100 - 110 - 120 l/h Tốc độ dòng nguyên liệu đầu vào không đổi (lượng muối đưa vào điện phân là không đổi) Hàm lượng clo hoạt tính của sản phẩm natri hypoclorit được phân tích bằng phương pháp chuẩn độ thiosunfat - iôt tại Viện CNMT Kết quả chạy thử thể hiện trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 cho thấy để đạt năng suất clo hoạt tính lớn hơn 500 g/h khi dòng điện điện phân I = 65 A thì lưu lượng Q = 100 ÷ 120 l/h; nồng độ muối NaCl = 17,6 ÷ 20,9 g/l, điện áp U = 32,6 ÷ 34,7 V Nếu dòng điện điện phân I

= 70 A thì thì lưu lượng Q = 90 ÷ 120 l/h; nồng độ muối NaCl = 15,5 ÷ 19,5 g/l, điện áp U = 32,6 ÷ 34,8 V [5]

Bảng 1.1 Kết quả chạy thử điện cực WATERCHLO 500

Dòng điện

DC (A)

T°

môi trường (°C)

T°

nước vào (°C)

T°

điện cực (°C)

Nồng

độ Clo (g/l)

Năng suất Clo (g/h)

30,8 60 29,2 65 28 25 48 7,13 427,8

20,9 100 32,6 65 32 28 46 5,15 515,0 20,2 110 33 65 32 27 45 4,70 517,0 17,6 120 34.7 65 28 25 39 4,19 502,8

27,9 60 29,9 70 27 25 52 7,33 439,8 19,5 90 32,6 70 27 25 43 5,61 504,9 18,6 100 33,4 70 27 25 42 5,25 525,0 17,9 110 33,9 70 27 25 41 4,92 541,2 15,5 120 34,8 70 27 25 39 4,40 528,0

Sự biến thiên năng suất clo hoạt và lưu lượng thể hiện trong Hình 1.7 Quan sát đồ thị ta thấy năng suất clo có xu hướng tăng khi lưu lượng tăng, đạt cực đại khi lưu lượng là 110 l/h trong cả hai trường hợp I = 65 A và I = 70 A, sau đó giảm dần Trường hợp I = 70 A có năng suất cao hơn khi I = 65 A

Hình 1.7 Sự phụ thuộc năng suất clo vào lưu lượng sản phẩm

400 420 440 460 480 500 520 540 560

Năng suất clo tăng khi tăng dòng điện, nồng độ muối Nhưng dòng điện tăng thì tuổi thọ điện cực giảm, nồng độ muối tăng thì chi phí sản xuất cũng tăng theo Để bảo đảm tuổi thọ điện cực 4 – 5 năm, năng suất clo ≥ 500 g/h và hiệu quả kinh tế thì chế độ vận hành tối ưu của thiết bị WATERCHLO 500 như sau: Dòng điện 65 – 70A DC, điện áp 30 -35VDC, lưu lượng sản phẩm

100 – 120 l/h, nồng độ muối đưa vào điện phân18 – 22 g/l

1.2.2 Buồng điện hóa của thiết bị WATERCHLO 1000

1.2.2.1 Tính tổng dòng điện chạy qua anot:

Theo định luật Faraday cho quá trình điện phân:

Q = m.n.F

Q: điện lượng chạy qua tính bằng Culông

m: khối lượng chất được chuyển hoá nhờ điện hóa (mole)

n: số lượng điện tử trao đổi của phản ứng

F: hằng số pharaday F = 96484

Lượng clo quy đổi trong 1h là 1000 g tức là

m = 1000 g Clo : 71 g =14,08 mole

Số lượng điện tử trao đổi n = 2

Điện lượng cần có để chuyển hóa được 14,08 mole là:

Q = 14,08 x 2 x 96484 = 2716989 Culong mặt khác Q = I.t

I: cường độ dòng điện ampe

t: tính bằng giây

I = Q : t = 2716989 : 3600 = 754,7 A

1.2.2.2 Tính dòng điện qua một ngăn anot:

Để dễ dàng cho việc chỉnh lưu điện 1 chiều và giảm dòng điện nguồn 1 chiều, điện cực được chia làm 8 ngăn nhỏ mắc nối tiếp Dòng điện để điện hoá lúc này sẽ bằng tổng các dòng diện chạy qua từng ngăn

Vậy dòng điện qua mỗi ngăn là

Ilt = 754,7 A : 8 = 94,34 A

1.2.2.3 Hiệu suất dòng điện sinh công và dòng thực tế qua 1 ngăn

Dựa trên các số liệu thực tế của nước ngoài và kinh nghiệm trong sản xuất cho biết hiệu suất của dòng điện có ích là h = 0,6 - 0,8 ứng với nồng độ Clo hoạt tính 4.000 mg/l - 8.000mg/l

Ở đây dự định sản xuất máy cho hàm lượng clo hoạt tính là 5.000 mg/l

Vì vậy ta chọn h = 0,7

Dòng điện thực tế chạy qua mỗi ngăn là:

Itt = ilt x 1/h = 94,34 x 1/ 0,7 = 134,8 Làm tròn Itt = 135 A

1.2.2.4 Mật độ dòng qua anot của 1 ngăn

Người ta thường sử dụng ở mật độ I = 0,15 - 0,18 A/cm2 để đảm bảo tuổi thọ của điện cực 5 - 7 năm làm việc Chọn Itb = 0,15 A/cm2

1.2.2.5 Tính diện tích anot của 1 ngăn

S = Itt : Itb = 135: 0,15A/ cm2 = 900 cm2

1.2.2.6 Tính kích thước tấm bản cực anot

Để cân đối giữa chiều dài và chiều rộng của 1 tấm bản cực ta chọn 1 ngăn gồm 14 mặt làm việc (2 tấm biên làm việc 2 mặt bên trong, các tấm ở giữa làm việc 2 mặt), chiều rộng R = 7 cm

Ta sẽ có chiều dài 1 tấm

L = S : R : 7 (tấm) : 2(mặt) = 900 : 7 : 7 :2 = 9,18 cm

làm tròn là : 9,5 cm

Phần ghép nối khi lắp ráp cần cộng thêm 1,5 cm

Phần làm việc của anot sẽ là 9,5cm +1,5cm = 11,0cm

Tấm lưỡng cực sẽ có chiều dài gấp đôi llc = 11,00cm x 2 = 22,0 cm Như vậy ta có kết cấu như sau:

Anot gồm 8 tấm kích thước làm việc là 7 cm x 11 cm

Diên tích đối diện gồm 7 tấm kích thước làm việc là 7 cm x 11 cm

Dưới đây là hình vẽ cấu tạo các bản điện cực:

Hình 1.8 Bản vẽ chế tạo cực anot, catot và lưỡng cực

của WATERCHLO 1000

1.2.2.7 Ảnh buồng điện hóa WATERCHLO 1000

Hình 1.9 Ảnh buồng điện hóa của thiết bị WATERCHLO 1000

1.2.2.8 Kết quả thử nghiệm thiết bị WATERCHLO 1000

*Ảnh hưởng của dòng điện đến năng suất clo hoạt tính

Thiết bị WATERCHLO 1000 chạy thử nghiệm với dòng điện thay đổi

130 A,136 A, 140 A,145 A (mật độ dòng điện tương ứng là: 0,121 A/cm2,0,126A/cm2,0,130 A/cm2 và 0,134 A/cm2); tốc độ dòng nguyên liệu đầu vào không đổi (lưu lượng và nồng độ muối đưa vào điện phân là không đổi) Hàm lượng clo hoạt tính của sản phẩm đầu ra được phân tích bằng phương pháp chuẩn độ thiosunfat - iôt tại Viện CNMT Kết quả chạy thử thể hiện trong bảng sau:

Bảng 1.2 Kết quả chạy thử điện cực WATERCHLO 1000

khi thay đổi dòng điện

(g/l)

Điện

áp

DC (V)

Dòng điện

DC (A)

T°

môi trường (°C)

T°

điện cực (°C)

Nồng độ Clo (g/l)

Năng suất Clo (g/h)

điện tăng nhưng để bảo đảm tuổi thọ điện cực chúng tôi chọn dòng điện điện phân 140 -145 A

*Ảnh hưởng của nồng độ muối đến năng suất clo hoạt tính

Thiết bị WATERCHLO 1000 chạy thử nghiệm với dòng điện 140 A, lưu lượng và nồng độ muối thay đổi Kết quả chạy thử nghiệm trình bày trong Bảng 1.3

Bảng 1.3 Kết quả chạy thử thiết bị WATERCHLO 1000

khi thay đổi lưu lượng và nồng độ muối

(g/l)

Điện

áp

DC (V)

Dòng điện

DC (A)

T°

môi trường (°C)

T°

điện cực (°C)

Nồng độ Clo (g/l)

Năng suất Clo (g/h)

1.2.3 Buồng điện hóa của thiết bị WATERCHLO 2000

1.2.3.1 Tính tổng dòng điện chạy qua anot

Theo định luật Faraday cho quá trình điện phân:

96500

It Z

A

m= ⋅ (1) Trong đó:

m: Trọng lượng chất thu được (gam)

A: Khối lượng nguyên tử (A = 35,5)

Z: số ôxi hóa của ion ( Z =1)

I: Cường độ dòng điện (Ampe)

t: Thời gian (giây)

Nếu thời gian tính bằng giờ thì: m = 1,324 x I (2)

Để có m = 2000 g/h thì I = 1510,6 A

1.2.3.2 Tính dòng điện chạy qua một ngăn anot

Để dễ dàng cho việc chỉnh lưu điện 1 chiều và giảm dòng điện nguồn 1 chiều, điện cực được chia làm 8 ngăn nhỏ mắc nối tiếp Dòng điện để điện hoá lúc này sẽ bằng tổng các dòng điện chạy qua từng ngăn

Vậy dòng điện qua mỗi ngăn là

Ilt = 1510,6 A : 8 = 188,8 A

1.2.3.3 Hiệu suất dòng điện tạo clo và dòng thực tế qua 1 ngăn

Dựa trên các số liệu thực tế của nước ngoài và kinh nghiệm trong sản xuất cho biết hiệu suất của dòng điện tạo clo là h = 60% – 80%

Ở đây ta chọn h = 60%

Vì vậy, dòng điện thực tế chạy qua mỗi ngăn là:

Itt = ilt x 1/h = 188,8 x 1/ 0,6 = 314,6 Làm tròn Itt = 315 A

1.2.3.4 Mật độ dòng qua anot của 1 ngăn

Người ta thường sử dụng ở mật độ I = 0,15 - 0,18 A/cm2 để đảm bảo tuổi thọ của điện cực 4-5 năm làm việc Chọn Itb = 0,15 A/cm2

1.2.3.5 Tính diện tích anot của 1 ngăn

S = Itt : Itb = 315: 0,15A/ cm2 = 2100 cm2

1.2.3.6 Tính kích thước tấm bản cực anot

Để cân đối giữa chiều dài và chiều rộng của 1 tấm bản cực ta chọn 1 modun gồm 18 mặt làm việc (2 tấm biên làm việc 2 mặt bên trong, các tấm ở giữa làm việc 2 mặt), chiều rộng R = 10 cm Ta sẽ có chiều dài 1 tấm:

L = S : R : 9(tấm) : 2(mặt) = 2100 : 10:9:2 = 11,66cm

làm tròn là : 12cm

Tấm lưỡng cực sẽ có chiều dài gấp đôi llc = 12,00cm x 2 = 24,0 cm Như vậy ta có kết cấu như sau:

Anot gồm 10 tấm kích thước làm việc là 10cm x 12cm

Diện tích đối diện gồm 9 tấm kích thước làm việc là 10cm x 12cm Dưới đây là hình vẽ cấu tạo các bản điện cực:

Hình 1.10 Bản vẽ chế tạo cực anot, catot và lưỡng cực của

thiết bị WATERCHLO 2000

1.2.3.7 Ảnh buồng điện hóa WATERCHLO 2000

Hình 1.11 Ảnh buồng điện hóa của thiết bị WATERCHLO 2000

1.2.3.8 Kết quả thử nghiệm thiết bị WATERCHLO 2000

* Ảnh hưởng của dòng điện đến năng suất clo hoạt tính

Thiết bị WATERCHLO 2000 được vận hành với dòng điện từ 281,0 A đến 317,7 A, lưu lượng và nồng độ muối không đổi Chất lượng sản phẩm đầu

ra được phân tích bằng phương pháp chuẩn độ thiosunfat - iôt tại Viện Công nghệ môi trường Các chỉ số kỹ thuật cơ bản thu nhận được từ thử nghiệm thể hiện trong Bảng 1.4

Như vậy nếu lưu lượng và nồng độ dung dịch muối vào thiết bị không đổi, khi tăng dòng điện thì nồng độ và năng suất tạo clo hoạt tính đều tăng Tiêu hao điện tăng lên và tiêu hao muối giảm đi

Bảng 1 4 Ảnh hưởng của dòng điện đến năng suất clo hoạt tính trên thiết bị

Dòng điện

DC (A)

Nhiệt

độ môi trường (0C)

Nhiệt

độ

SP (0C)

Nồng

độ Clo (g/l)

Năng suất Clo (g/h)

Tiêu hao muối (g NaCl/g Clo)

Tiêu hao điện (W/g Clo)

* Ảnh hưởng của nồng độ muối đến năng suất clo hoạt tính

Thiết bị WATERCHLO 2000 được vận hành với nồng độ muối thay đổi từ 16,4 g/l đến 24,9 g/l, dòng điện và lưu lượng không đổi Các chỉ số kỹ thuật cơ bản thu nhận được từ thử nghiệm thể hiện trong Bảng 1.5

Bảng 1.5 Ảnh hưởng của nộng độ muối đến năng suất clo hoạt tính trên

Dòng điện

DC (A)

Nhiệt

độ môi trường (0C)

Nhiệt

độ

SP (0C)

Nồng

độ Clo (g/l)

Năng suất Clo (g/h)

Tiêu hao muối (g NaCl/g Clo)

Tiêu hao điện (W/g Clo)

* Ảnh hưởng của lưu lượng đến năng suất clo hoạt tính

Thiết bị WATERCHLO 2000 chạy thử nghiệm với lưu lượng thay đổi

từ 396,3 l/h đến 644,7 l/h, dòng điện và nồng độ muối không đổi Các chỉ số

kỹ thuật cơ bản thu nhận được từ thử nghiệm thể hiện trong Bảng 1.6

Bảng 1.6 Ảnh hưởng của lưu lượng đến năng suất clo hoạt tính trên thiết bị

Dòng điện

DC (A)

Nhiệt

độ môi trường (0C)

Nhiệt

độ

SP (0C)

Nồng

độ Clo (g/l)

Năng suất Clo(g/h)

Tiêu hao muối (g NaCl/g Clo)

Tiêu hao điện (W/g Clo)

1.3 Ảnh hưởng nhiệt độ của dung dịch đến hiệu suất tạo clo hoạt tính

Trong quá trình điện phân sản xuất natri hypoclorit thì nhiệt được sinh

ra trong điện cực Khi nhiệt độ cao trên 750C thì một vài phản ứng phụ sẽ xẩy

ra làm giảm hiệu suất dòng tạo clo Các phản ứng không mong muốn này bao gồm phản ứng phân hủy OCl- thành Cl- và ClO3- Tuy nhiên, ClO3- có hiệu quả khử trùng và tiệt trùng kém hơn so với OCl- và là chất độc

OCl- phân hủy thành ClO3- như sau:

3OCl-(aq) → ClO3- (aq) + 2 Cl-(aq)

Hơn nữa OCl- có thể phóng điện trên anot tạo thành ClO3-:

12OCl-(aq) + 6 H2O(l) → 4ClO3- (aq) + 12 H+(aq) + 8Cl-(aq) + 3O2(g) + 12e- Nói cách khác nếu OCl- và ClO3- di chuyển tới catot thì sự khử hóa học từ OCl- và ClO3- thành Cl- có thể xảy ra trên bề mặt catot

OCl-(aq) + H2O(l) + 2e- → Cl-(aq) + 2OH-(aq)

ClO3- (aq) + 3H2O(l) + 6e- → Cl-(aq) + 6OH-(aq)

Các phản ứng của clorat là không mong muốn và cần được loại bỏ[3]

Để loại trừ phản ứng phụ không mong muốn: Sử dụng màng ngăn giữa anot và catot [3] hoặc giữ nhiệt độ phản ứng thấp hơn 400C [11]

1.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến năng suất clo hoạt tính của thiết bị WATERCLO 500

Bảng 1.7 Kết quả vận hành thiết bị WATERCHLO 500

Nồng

độ muối (g/l)

Điện

áp

DC (V)

Dòng điện

DC (A)

T°

điện cực (°C)

Nồng

độ Clo (g/l)

Năng suất Clo (g/h)

Hình 1.12 Đồ thị sự phụ thuộc năng suất clo vào

nhiệt độ dung dịch điện phân của thiết bị WATERCHLO 500

Qua đồ thị trên có thể thấy nhiệt độ của sản phẩm nên được giữ ≤ 50 oC

1.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến năng suất clo hoạt tính của thiết

Nồng

độ muối (g/l)

Điện

áp

DC (V)

Dòng điện

DC (A)

T°

điện cực (°C)

Nồng

độ Clo (g/l)

Năng suất Clo (g/h)

Sự phụ thuộc năng suất clo vào nhiệt độ dung dịch điện phân được thể hiện ở đồ thị dưới đây:

Hình 1.13 Đồ thị sự phụ thuộc năng suất clo vào nhiệt độ dung dịch điện

phân của thiết bị WATERCHLO 1000 Cũng giống như thiết bị WATERCHLO 500 sản phẩm tạo ra từ thiết bị WATERCHLO 1000 nên duy trì không quá 50 oC

1.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến năng suất clo hoạt tính của thiết bị WATERCLO 2000

Kết quả vận hành thiết bị WATERCHLO 2000 ở chế độ: lưu lượng sản phẩm 496,5l/h; nồng độ muối NaCl 20,2 g/l; dòng điện điện phân 300A Nhiệt

độ nước đầu vào là 26 – 32 – 40– 48 oC (nhiệt độ dung dịch điện phân tương ứng là 38 – 43 – 51– 58 oC) được trình bày trong Bảng 1.9

960 970 980 990 1000 1010 1020 1030 1040 1050 1060

Bảng1.9 Kết quả vận hành thiết bị WATERCHLO 2000

Nồng

độ muối (g/l)

Điện

áp

DC (V)

Dòng điện

DC (A)

T°

điện cực (°C)

Nồng

độ Clo (g/l)

Năng suất Clo (g/h)

45 - 50 oC, nhiệt độ nước đầu vào tương ứng < 30 oC

1.4 Khống chế nhiệt độ trong buồng phản ứng điện hóa

Do thiết bị sản xuất natri hypoclorit có dòng điện điện phân lớn và phải hoạt động liên tục trong nhiều giờ, phần tử tiêu thụ điện có công suất lớn tỏa nhiệt nhiều nên nhiệt độ của buồng điện hoá khá cao Nhiệt độ cao làm cho clorit phân hủy thành clorat, dẫn đến giảm hiệu quả hoạt động của thiết bị Vì vậy, hệ thống khống chế nhiệt độ điện cực đã được thiết kế lắp đặt để đảm bảo nhiệt độ thích hợp là dưới 50 oC

Yêu cầu về hệ thống khống chế nhiệt độ dung dịch trong buồng điện hóa:

+ Hiển thị nhiệt độ dung dịch trong buồng điện hóa

+ Có thể chủ động đặt được điểm khống chế nhiệt độ trong khoảng từ

0 – 100 oC

+ Khi nhiệt độ dung dịch trong buồng điện hóa cao hơn nhiệt độ khống chế thì thiết bị điện hóa ngừng hoạt động Thiết bị tự động hoạt động trở lại khi nhiệt độ buồng điện hóa thấp hơn nhiệt độ khống chế

+ Độ sai lệch nhiệt độ điểm đặt ± 2 oC

- Thử nghiệm và thiết kế

+ Thiết kế chỗ lắp đặt đầu rò nhiệt độ trên thân buồng điện hóa: Khoan

lỗ Φ15 trên thân buồng điện hóa ở phía đầu ra, đưa ống PVC Φ15 vào bên trong và hàn kín bằng máy hàn nhựa Sensor nhiệt độ được lắp cố định trong ống nhựa PVC Vì dung dịch điện phân có tính ăn mòn cao nên chúng đã lựa chọn vật liệu PVC để bảo đảm độ bền Trong quá trình thực nghiệm chúng tôi

đã tính toán phần chênh lệch nhiệt độ để đưa ra điểm khống chế nhiệt độ phù hợp yêu cầu thực tiễn sản xuất

+ Lựa chọn bộ khống chế nhiệt độ: OMRON-E5EN, khoảng nhiệt độ làm việc 0 – 399K, có hai tiếp điểm thường đóng và thường mở Chúng tôi chọn sử dụng tiếp điểm thường đóng ở nhiệt độ thấp và mở ở nhiệt độ cao Tín hiệu đóng, mở này được đưa về mạch điều khiển của thiết bị để khống chế nhiệt độ quá trình điện phân Nếu nhiệt độ dung dịch điện phân cao hơn nhiệt độ đặt của khống chế nhiệt thì thiết bị ngừng hoạt động

Hình 1.14 Sơ đồ bố trí hệ thống khống chế nhiệt độ và rửa BPƯĐH[11]

HÖ thèng röa axÝt

Thïng s¶n phÈm natri HYPOCLORIT

HYPO + H 2

Läc

1.5 Chống đóng cặn trong buồng phản ứng điện hóa

Trong quá trình điện phân các ion Ca2+, Mg2+… tác dụng với kiềm tạo thành hydroxit khó tan, kết tủa trên bề mặt điện cực gây cản trở quá trình điện phân:

Ca2+ + 2OH- → Ca(OH)2↓

Mg2+ + 2OH- → Mg(OH)2↓ Buồng điện hóa sau một thời gian hoạt động (khoảng 50 giờ) thì kết tủa bám trên bề mặt điện cực làm giảm dòng điện phân và năng suất cũng như chất lượng sản phẩm do đó cần tẩy rửa kết tủa trên bề mặt điện cực bằng axít HCl 5%:

Ca(OH)2 + 2H+ → Ca2+ + 2H2O Mg(OH)2 + 2H+ → Mg2+ + 2H2O

Hệ thống tẩy rửa cặn bám trong buồng điện hóa được bố trí như hình

vẽ (xem hình 1.14)

Vì axít HCl có tính ăn mòn cao nên đã lựa chọn bơm từ MP -30RZ có các thông số kỹ thuật như sau: công suất tiêu thụ điện 25W, lưu lượng 15/17 l/phút, áp lực 8/11m Bình chứa axít bằng vật liệu PVC có dung tích bắng 2 lần dung tích buồng điện hóa Để nâng cao hiệu quả tẩy rửa và tiết kiệm axít

đã lựa chọn phương pháp rửa tuần hoàn, thời gian rửa 25 phút Thời gian rửa khống chế bằng Rơle thời gian (Time) CKC, thời gian đặt được 0 -30 phút Khi bật công tắc chuyển sang chế độ rửa buồng điện hóa thì bơm tuần hoàn axít hoạt động, đèn báo chế độ rửa buồng điện hóa (bảo trì) sáng Sau 25 phút bơm axít dừng hoạt động, đèn báo tắt quá trình rửa buồng điện hóa kết thúc

1.6 Độ bền của buồng phản ứng điện hóa

* Cách thử nghiệm:

Bản cực anot đối chứng (anode 1) và bản cực anot của buồng điện hóa sau quá trình hoạt động 18.000 giờ (anode 2: hoạt động 20 giờ/ngày, trong 2,5

năm) đem phân tích bề dày, thành phần lớp phủ điện hóa và thời gian làm việc Kết quả này so sánh với bản cực trước khi đưa vào hoạt động để đánh giá chất lượng sau một thời gian hoạt động nhất định

* Kết quả:

+ Kết quả phân tích độ dày lớp phủ (xem phiếu kết quả): Cả hai bản cực đều không phát hiện lớp phủ trên bề mặt Vì lớp phủ được chế tạo bằng phương pháp nhiệt nên không phát hiện được bề dày theo phương pháp trên

+ Kết quả phân tích thành phần lớp phủ điện hóa (xem phiếu kết quả): Kết quả phân tích cho thấy anode 2 sau quá trình hoạt động thành phần lớp phủ bề mặt giảm so với ban đầu, trung bình Ruteni(Ru) 67,8%; Iridi(Ir) 44,4% và Platin(Pt) 82,8% Thành phần Titan (Ti) và Ôxi (O) tăng Ngoài ra xuất hiện thêm Sắt (Fe), điều này chứng tỏ bề mặt bản cực bị ôxi hóa và sắt có trong dung dịch điện phân cũng tham gia quá trình này

+ Kết quả đo thời gian làm việc của điện cực anot bằng phương pháp

áp dòng điện một chiều không đổi đến khi điện thế của mẫu tăng đột ngột đến trên 4V (xem phiếu kết quả): Mẫu M2 (anode 2) có thời gian làm việc bằng 29,95 % thời gian làm việc của M1 (anode 1)

- Theo kết quả phân tích và tính toán thì thời gian hoạt động của bản cực anode là khoảng 25695,93 giờ

- Nếu mỗi ngày điện cực hoạt động 16 -20 giờ thì tuổi thọ điện cực 3,5 – 4,5 năm