Điện phân dung dịch muối ăn sản xuất xút và clo GVHD: KS Lê Thanh Thanh I. GIỚI THIỆU VÀ ỨNG DỤNG CỦA SẢN PHẨM Khi điện phân dung dịch clorua natri sẽ thu được clo, xút NaOH, bên cạnh đó là hydro. 1. Clo Ở điều kiện áp suất và nhiệt độ bình thường nó là khí màu vàng-xanh với màu rất hắc. Trong điều kện bình thường tỷ trọng clo là 3,21Kg|m 3 , ở áp suất khí quyển nhiệt độ sôi của clo là -33,6 o C và nhiệt độ đông lạnh là -102 0 C. Clo hoà tan trong nước, trong các dung môi hữu cơ và tính hoạt động hóa học cao. Clo được dùng trong công nghiệp hóa học để dẫn xuất các dẫn xuất hữu cơ chứa clo dùng cho việc điều chế chất dẻo, cao su tổng hợp, sợi hóa học, các chất hòa tan,v.v Ngày nay, 60% sản lượng clo thế giới được dùng để sản xuất những tổng hợp hữu cơ. Ngoài ra clo còn được dùng để sản xuất axit clohydric, clorat và.v.v Một lượng clo đáng kể được dùng trong luyện kim để chế biến các quặng đa kim loại bằng phương pháp clo hóa, dùng trong công nghiệp chế biến dầu hỏa, trong y học và vệ sinh để tẩy sạch nước dùng .v.v 2. Xút ăn da Là tinh thể đục, tan tốt trong nước, ở áp suất khí quyển nhiệt độ nóng chảy là 328 0 C và là chất rắn có màu trắng ở dạng viên, vảy hoặc hạt hoặc ở dạng dung dịch bão hòa 50%. Natri hydroxit rất dễ hấp thụ CO 2 trong không khí vì vậy nó thường được bảo quản ở trong bình có nắp kín. Nó phản ứng mãnh liệt với nước và giải phóng một lượng nhiệt lớn, hòa tan trong etanol và metanol. Nó cũng hòa tan trong etevà các dung môi không phân cực, và để lại màu vàng trên giấy và sợi. Xút ăn da được dùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp:xelulo- giấy, sợi hóa học, chế biến dầu mỏ, tổng hợp hữu cơ, nấu xà phòng và nó được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp như giấy, dệt nhuộm và chất tẩy rửa. Sản lượng Trang -3- Điện phân dung dịch muối ăn sản xuất xút và clo GVHD: KS Lê Thanh Thanh trên thế giới năm 1998 vào khoảng 45 triệu tấn. Natri hydroxit cũng được sử dụng chủ yếu trong các phòng thí nghiệm. 3. Hydro Là khí, ở áp suất khí quyển có nhiệt độ sôi là -252,8 O c. Hydro dùng để tổng hợp các sản phẩm hữu cơ và vô cơ quan trọng như: amiac, metanol, các rượu khác nhau, để làm sạch các sản phẩm dầu hỏa. Về nhiều mặt, khí hydro là một nhiên liệu lí tưởng cho ngành vận tải. Nó rất dồi dào và có thể dùng để chạy pin nhiên liệu. So với động cơ đốt trong, pin nhiên liệu hiệu quả hơn rất nhiều. Sử dụng khí hydro trong pin nhiên liệu cũng loại trừ các khí phế phẩm có hại cho môi trường. II. NGUYÊN LIỆU Nguyên liệu để sản xuất clo và kiềm là dung dịch muối ăn được nhận bằng cách hòa tan muối rắn hoặc dùng nước muối tự nhiên. Dung dịch muối ăn dù được điều chế bằng phương pháp nào cũng đều chứa tạp chất muối canxi và magie khó hòa tan và chúng sẽ phá vỡ chế độ làm việc bình thường của bể điện phân. Qúa trình làm sạch nước muối được dùng bằng dung dịch xoda và bằng sữa vôi. Sau khi đã làm sạch hóa học dùng phương pháp lắng và lọc để làm sạch khỏi các tạp chất cơ học. Điện phân dung dịch muối ăn được tiến hành trong các bể với catot rắn làm bằng sắt (thép) có lá chắn và trong các bể katot lỏng thủy ngân. Các bể điện phân công nghiệp cần phải có năng suất cao, cơ cấu đơn giản, làm việc an toàn và bền vững III. ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH MUỐI ĂN TRONG BỂ VỚI CATOT THÉP VÀ ANOT GRAPHIT 1. Cơ sở lý thuyết: Trang -4- Điện phân dung dịch muối ăn sản xuất xút và clo GVHD: KS Lê Thanh Thanh Điện phân dung dịch muối ăn là phương pháp chính để sản xuất xút, clo và bên cạnh là hydro. Nguyên tắc: giống như những quá trình điện phân khác, khi đặt vào dung dịch muối ăn hai điện cực với dòng điện một chiều đi qua, tại các điện cực có thể xảy ra các quá trình sau: Catot 2H 2 O + 2e H 2 +2OH – (1) Na + + OH - NaOH (2) Anot 2Cl - -2e Cl 2 (3) 4OH - - 4e O 2 + 2H 2 O. (4) Dựa vào quá thế mà với những vật liệu sử dụng làm điện cực khác nhau ta sẽ có những quá trình điện phân xảy ra chủ yếu theo phương trình nào như trên. Trên anot thường quá trình điện phân diễn ra đầu tiên xảy ra theo (4) tức là tách oxy vì quá thế nhỏ. Nhưng nếu dùng anot graphit thì quá thế của oxy trên anot lúc này lại cao hơn nhiều so với clo, nên chủ yếu xảy ra quá trình phóng điện của ion Cl - theo (3). Đó là một trong những nguyên nhân khi điện phân người ta sử dụng những dung dịch clorua natri đậm đặc chứa 310-315 g/l. Trên catot cả catot thường và catot thép đều cho quá trình xảy ra chủ yếu theo (1), vì quá thế của natri rất lớn so với quá thế của hydro nên chúng không có khả năng phóng điện. Nhưng nếu sử dụng catot thủy ngân lúc này quá thế của hydro khá lớn so với quá thế của natri nên tại đây chủ yếu xảy ra theo (2). 2. Phương pháp điện phân có màng ngăn Trong phương pháp điện phân dung dịch muối ăn với catot thép và anot graphit các quá trình diễn ra trên các cực được biểu diễn như sau: Anot : 2Cl - -2e Cl 2 (3) Catot : 2H 2 O + 2e H 2 +2OH – (1) Trang -5- Điện phân dung dịch muối ăn sản xuất xút và clo GVHD: KS Lê Thanh Thanh 2H 2 O + 2Cl - Cl 2 + H 2 + OH – Vì natri trên catot không có khả năng phóng điện nên: Na + + OH - NaOH Phương trình điện phân tổng quát: 2H 2 O + 2NaCl Cl 2 + H 2 + 2NaOH Như vậy trên anot sẽ tạo ra clo, còn trên catot là hydro và xút. Trong quá trình điện phân này ngoài những phản ứng chính đã trình bày còn có thể xảy ra những phản ứng phụ như (4). Mặt khác, các sản phẩm điện phân sau khi hình thành nếu không được tách lập riêng rẽ thì chúng sẽ tiếp tục xảy ra phản ứng hóa học dẫn đến sự tạo thành các sản phẩm không đạt được yêu cầu sản xuất. Ví dụ: H 2 O + Cl 2 HOCl + HCl HClO + NaOH = NaClO + H 2 O HCl + NaOH = NaCl + H 2 O Để hạn chế các phản ứng phụ cần thiết lập những điều kiện cản trở sự trộn lẫn các sản phẩm trên anot và catot. Trong công nghiệp người ta thường dùng màng ngăn để phân chia không gian giữa anot và catot và lọc điện ly qua màng theo hướng ngược chiều với chiều chuyển động của các ion OH – đến anot. Những màng ngăn như vậy được gọi là màng lọc và làm bằng amian. a. Bể điện phân công nghiệp: Trang -6- Điện phân dung dịch muối ăn sản xuất xút và clo GVHD: KS Lê Thanh Thanh Trong công nghiệp người ta sử dụng rộng rãi loại bể điện phân có màng lọc như hình trên. Bể có catot bị khoan lỗ và làm bằng thép, anot làm bằng graphit, màng lọc làm bằng amian được đính chặt vào catot. Dung dịch muối ăn được đưa vào không gian anot và được lọc qua màng sau đó đi vào catot. Khi cho dòng điện một chiều đi qua trên anot sẽ tạo ra clo, trên catot tạo ra hydro và kiềm. Kiềm đi qua các lỗ của catot, chảy vào không gian catot và đi ra ngoài. Trong bể không xảy ra sự phân hủy hoàn toàn muối ăn, ta thiết lập được nồng độ cố định của kiềm và của muối ăn không bị phân ly hết. Thông thường, dung dịch điện ly ra khỏi bể chứa 110-120 g/l NaOH và 180-170 g/l NaCl. Với những bể điện phân công nghiệp có yêu cầu năng suất cao. Người ta sử dụng catot có bề mặt lớn cho phép thiết lập những bể điện phân gọn với tải trọng đến 50.000A. Màng ngăn trong trường hợp này tự hút hay là “kết tủa” trên bề mặt catot từ huyền phù của sợi amian trong các dung dịch muối-kiềm nhờ có chân không. Bể điện phân với màng ngăn kết tủa: Bể này được tạo thành từ 3 phần chính: đáy bê tông, catot thép và nắp bê tong. Đáy có dạng thùng vuông góc trong đó có rót chì những đầu mối của anot graphit và lõi đồng dùng để dẫn dòng điện. Anot là những tấm graphit. Gần đây bắt đầu sử dụng những anot có hiệu quả hơn đó là oxit ruteni phủ lên titan. Catot là khung thép, bên trong có một dãy những buồng phẳng từ lưới thép. Sự phân bố buồng này và bề rộng của chúng sao cho khi đặt catot lên trên đáy bể thì các buồng phải nằm chính xác giữa các anot. Trên nắp bể điện phân có những lỗ để nạp dung dịch muối và dẫn clo ra. Bể điện phân có lớp cách nhiệt làm giảm tổn thất năng lượng do sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh. Trang -7- Điện phân dung dịch muối ăn sản xuất xút và clo GVHD: KS Lê Thanh Thanh Bể điện phân với màng kết tủa làm việc ở 94 – 97 0 C. Tải trọng của bể 10.000A, hiệu thế là 3,75V, hiệu suất theo dòng là 96%, hệ số sử dụng năng lượng là 60%. IV. ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH MUỐI ĂN TRONG BỂ VỚI CATOT THỦY NGÂN VÀ ANOT GRAPHIT 1. Lý thuyết Khi cho dòng điện một chiều từ 4,3 – 4,4V đi qua dung dịch NaCl thì trên anot grafit xảy ra sự phóng điện của các ion Cl - và sau đó sẽ thoát ra khí Clo theo phương trình: 2Cl - → 2e Cl 2 . Và trên catot thủy ngân xảy ra các quá trình sau: Na + + e → Na Na + nHg → NaHg n (hỗn hống) Hỗn hống natri bị nước phân hủy trong thùng phân hủy theo phương trình: 2NaHg n +2 H 2 O = 2NaOH + H 2 + nHg 2. Sơ đồ nguyên tắc bể điện phân với catot thủy ngân Bể điện phân với catot thủy ngân gồm có hai phần: bể điện phân và thùng thủy phân. Bể điện phân và thùng thủy phân có thể cấu tạo riêng biệt và nối với Trang -8- Điện phân dung dịch muối ăn sản xuất xút và clo GVHD: KS Lê Thanh Thanh nhau bằng những đường ống hoặc cũng có thể cùng đặt trong cùng một vỏ bọc. Ngoài ra, còn có thêm một bộ phận phụ là bể bổ sung muối. Bể điện phân là một thùng dài có tiết diện vuông góc, phía trên có nắp đậy và anot được gắn trên nắp này( anot grafit), trên đáy thùng nghiêng nhẹ người ta đặt thanh catot và theo thanh này là một lớp thủy ngân mỏng chuyển động liên tục. Như vậy đáy bể thủy ngân là catot. Bể điện phân được nuôi bằng dung dịch clorua natri đậm dặt( 310 – 315g/l ), trong quá trình điện phân dung dịch này sẽ nghèo đi đến nồng độ 260 – 270g/l thì sẽ được lấy ra khỏi bể. Sau đó nó được khử clo và trong khi thổi không khí nén, dung dịch sẽ được bảo hòa bằng muối, làm sạch khỏi tạp chất và hồi lưu lại bể điện phân. Clo tạo thành ra khỏi bể bằng cửa nắp. Khi thủy ngân chuyển động theo đáy bể điện phân, trong quá trình điện phân sẽ tạo ra hỗn hống natri, hỗn hống này sẽ hòa tan trong thủy ngân và dẫn từ bể điện phân sang thùng thủy phân. Thùng thủy phân có thể có cấu tạo khác nhau: dạng nằm ngang và dạng thẳng đứng. Thùng thủy ngân nằm ngang là máng hình chữ nhật có nắp đóng. Đưa nước vào thùng và lấy sản phẩm kiềm và hydro ra ở phía ngược lại. Đáy thùng thủy phân có độ nghiêng không lớn lắm, nhờ đó thủy ngân chuyển động theo đáy thùng ra khỏi thùng phân hủy và nhờ thiết bị bơm để bơm trở lại bể điện phân 3. Ưu, khuyết điểm của bể điện phân với catot thủy ngân * Ưu điểm: - Dung dịch xút đầu ra có nồng độ cao sẽ tốn ít năng lượng cho việc tạo sản phẩm xút khan - Sản phẩm có độ sạch cao * Khuyết diểm: - Độc hại, nguy hiểm với con người và môi trường Trang -9-