Cấu tạo bình điện phân

PHẦN IV QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ

II. CÔNG ĐOẠN XỬ LÝ NƯỚC MUỐI THỨ CẤP

6. Hệ thống phản ứng điện hóa

6.2 Cấu tạo bình điện phân

Bình điện phân gồm 36 màng ngăn với tổng diện tích màng 126 m2, mỗi ngăn của bình gồm một cực Anod và một cực Catod. Một hệ thống tuần hoàn cho phép lấy hóa chất vào mỗi ngăn cơ sở và phân li sản phẩm (khí và lỏng), các ngăn của bình đưởc mắc nối tiếp. Dòng điện được đưa tấm điện cực đều bằng các thanh dẫn và trình tự qua điện cực trung gian nhờ thân kim loại của các điện cực này.

 Anod:

Một khung nặng, cứng làm bằng Titan ( gọi là vật dẫn) được hàn vào đỉnh màng Titan. Khung này đỡ lớp hoạt hóa và đảm bảo sự phân bố đồng nhất trong bình điện giải. Anod hoạt động là lưới phẳng gắn vào vật dẫn nhờ mối hàn và hoạt hóa nhờ một lớp phủ đặc biệt.

 Catod:

Catod được ép sát vào màng là một lớp Niken đàn hồi. Công nghệ đó cho phép giảm tổng thế rơi qua Catodlit. Lưới Niken được hàn vào đỉnh của màng Niken. Lưới Niken đặt sát vào màng bằng một lớp Niken đàn hồi. Giữa các màng có lót một lớp đệm cao su làm kín rộng 45 mm.

NaCl , H O Cl

H

H O , NaOH

H O Na

H O Catod

Anod

2

2

2

2

2

2 +

NaCl , H O2

OH

Cl H

-

- +

+ -

Cấu tạo của ngăn anod, catod, màng:

1.Cửa dẫn khí clo ra.

2.Hai ống dẫn khí H2 và Cl2.

3.Cửa dẫn khí hidro ra.

4.Cửa NaOH ra.

5.Tai đỡ trên.

6.Khung bằng thép.

7.Cửa nước vô khoáng vào.

8.Tai đỡ lưới.

9.Lưới Titan.

10.Nút vát hình côn.

11.Cửa nước muối vào.

12.Cửa dẫn nước muối nghèo.

 Màng:

Màng thích hợp với công nghệ xút-clo phải có độ bền hóa học cao, chịu được axit và xút đậm đặc, cũng như các chất oxy hóa và chất khử mạnh.

Có hai loại màng trao đổi cation, kiểu Sunfonat ( SO3-) hoặc Cacbonat (COO-). Ở đây sử dung màng Cacbonat.

Màng được cấu tạo bởi 3 lớp cơ bản. Bên anod là một lớp mỏng Sunfonic, bên catod là một lớp cacboxylic, ở giữa là một lớp cacboxylat có các sợi tylon để tăng độ bền cơ học. Ở hai lớp ngoài cùng bề mặt anod và catod là một lớp mỏng hydrophilic ( ưa nước) nhằm tách bọt khí bám vào màng.

4

5 6

7 9 8

10 11

12

1.Sợi Tylon.

2.Lớp Cacboxulic.

3.Lớp Hidrophilic.

4.Lớp Cacboxylat.

5.Lớp Sunfonic.

6.3- Hệ thống phản ứng điện hóa gồm:

- Bình điện phân.

- Hệ thống tuần hoàn.

- Thiết bị tách khí.

- Hệ thống ống phân phối và hướng xuống.

- Hệ thống ống Teflon dẻo.

- Hệ thống dẫn khí.

- Hệ thống xử lý khí clo.

- Hệ thống xử lý khí hidro.

6.4-Phản ứng chính trong điện phân màng:

Ở Anod: quá trình clo bị oxy hóa thành Cl2

2Cl−→Cl2+2e

Ở Catod: quá trình khử hidro thành H2

2H++2e→H2

Đồng thời:

Na++OH−→NaOH

Vậy dưới tác dụng của dòng điện một chiều xảy ra 2NaCl + 2H2O →H2 + Cl2 + 2NaOH

3 3

4

Bên Anod: quá trình oxy hóa OH tạo O2

2 2

4OH−→2O +2H O+4e− Phản ứng giữa Cl2 với OH-

2 2

2OH−+Cl →Cl−+ClO−+H O Phản ứng điện hóa tạo ClO3-

2 3 2

6ClO−+3H O→ClO−+Cl−+6H++3/ 2O +6e− Phản ứng hóa học tạo ClO3-

3ClO−→ClO3−+2Cl−

6.6-Các thông số ảnh hưởng đến quá trình điện phân & độ bền của bình điện phân :

- pH : pH < 2 sẽ làm gia tăng điện thế và có thể làm cho màng hỏng Cơ chế : pH của anode nhỏ làm trung hoà nhóm cacboxylic của cấu trúc

Polymer tăng điện trở của dòng từ đó làm tăng điện thế,gây quá nhiệt dẫn đến phồng rộp làm màng bị hỏng.

Khắc phục: Khống chế PH ≥ 2

NaClO3: nồng độ quá cao của ClO3- trong dung dịch Anod ( >15g/l) sẽ làm nhiễm bẩn dung dịch NaOH thành phẩm. Nó không ảnh hưởng đến màng và quá trình điện phân.

Cơ chế : NaClO3 có thể qua màng từ anode sang cathode nhờ quá trình khuếch tán.

Xử lý: phân huỷ ClO3- (tại bồn khử clorat sử dụng HCl)

- SO42-:sự tích lũy SO42- với hàm lượng vượt quá sẽ làm giảm khả năng hòa tan NaCl và do đó gây khó khăn cho việc duy trì nồng độ nước muối như mong muốn.

Cơ chế :Na2SO4 kết tinh trên bề mặt sát cathode của màng làm mất tính bằng phẳng của lớp bề mặt cathode làm giảm khả năng loại ion OH – cua màngdo đó làm giảm hiệu suất dòng.

Xử lý: nồng độ SO42- phải được khống chế trong phạm vi cho phép ở khâu tinh chế sơ cấp.

- Ca2+: lượng muối Ca2+ vượt quá sẽ làm giảm hiệu suất dòng( xuống còn 85%) và tăng điện thế trong một thời gian rất ngắn. Sau một thời gian nó sẽ làm hỏng màng trước thời hạn.

Cơ chế : Ca2+ kết tinh dưới dạng tinh thể lớn trong lớp Polymer CO2-

gần với mặt cathode của màng. Nó sẽ phá vỡ cấu trúc vật lý của lớp Polymer của màng.

Xử lý: nồng độ Ca2+ có thể khống chế trong phạm vi nhờ khâu tinh chế trao đổi ion.

- Mg2+: làm tăng điện thế nhưng không ảnh hưởng đến hiệu suất.

Mất điện gây ngưng hoạt động của bình điện phân. Khắc phục là cho máy phát điện hoạt động, cung cấp điện cho bình để bình có sự phân cực tránh tạo pin gây ăn mòn hóa học.

Sự cố khi xảy ra có thể gây hại cho các màng hoặc các ngăn hoặc làm xáo trộn quá trình vận hành bình

Hệ Thống Đang Trong Tình Trạng Hoạt Động nếu:

 Rớt tải khi bình đang hoạt động ở tải dưới 4 kA Khắc Phục:

Trong quá trình khởi động bình, thời gian bình hoạt động ở tải dưới 4 kA phải duy trì tối thiểu từ 2 – 3 giờ.

 Nồng độ NaCl trong nước muối cấp quá cao

Trong điều kiện tải thấp và nhiệt độ bình thấp, muối có thể kết tinh, do vậy có thể làm gián đoạn việc cấp nước muối vào bình

Khắc Phục:

Điều chỉnh lại nồng độ NaCl trong nước muối cấp.

Có thể pha loãng nước muối cấp bằng cách thêm nước vô khoáng vào hệ thống nước muối.

 Nguồn cung cấp nước muối gặp sự cố:

Mực dịch trong ngăn Anolyte giảm do sự bay hơi nước. Mực dịch Anolyte quá thấp có thể gây hỏng màng.

Nồng độ NaCl trong dịch Anolyte giảm. Nồng độ NaCl quá thấp có thể ảnh hưởng xấu tới màng.

Điện thế các ngăn sẽ thay đổi khi mật độ dòng, nhiệt độ ngăn và nồng độ dịch thay đổi.

Khắc Phục:

Nguồn cung cấp nước muối vào bình phải được kiểm soát chặt chẽ và được cài liên động với máy chỉnh lưu.

 Nồng độ nước muối cấp giảm

Nồng độ NaCl trong dịch Anolyte giảm. Nồng độ quá thấp có thể gây hại cho màng.

Khắc Phục:

Tăng tốc độ tuần hoàn nước muối lên (tăng lưu lượng nước muối cấp vào bình).

Điều chỉnh lại nồng độ của nước muối cấp vào bình.

Có thể giảm lượng nước bổ xung vào vòng tuần hoàn nước muối.

Giảm tải chỉnh lưu.

 Hệ thống tuần hoàn xút gặp sự cố

Việc phối trộn giữa nước vô khoáng và dịch Catholyte không tốt. Dẫn đến tình trạng nồng độ xút cao hoặc thấp cục bộ.

Khắc Phục:

Giảm tải chỉnh lưu.

Điều chỉnh/ngưng cấp nước vô khoáng.

Ngừng máy nếu hệ thống tuần hoàn không thể khởi động lại sau 5 phút.

Dịch Catholyte cấp vào mỗi bình được khoá liên động với sự hoạt động của bình đó.

 Nguồn cung cấp nước vô khoáng gặp sự cố Nồng độ xút tăng

Điện thế các ngăn tăng.

Khắc Phục:

Ngừng máy nếu nồng độ xút không thể duy trì được trong khoảng an toàn cho phép.

 Lưu lượng nước vô khoáng cấp cao quá Nồng độ xút loãng

Điện thế các ngăn giảm Khắc Phục:

Giảm lưu lượng nước vô khoáng cấp tuỳ thuộc vào tải hoặc có thể ngừng cấp nước vô khoáng trong một thời gian nhất định

Cấp xút có nồng độ cao hơn vào vòng tuần hoàn xút.

Để nhanh chóng tăng nồng độ xút trong các ngăn ta có thể giảm lưu lượng xút cấp_ Nếu như nồng độ xút đang ở ngưỡng nguy hiểm.

Nếu không còn cách nào để duy trì được nồng độ thích hợp, tiến hành ngưng máy.

 Nhiệt độ nước muối/dịch Catholyte cấp quá thấp

Nhiệt độ Anolyte thấp hơn nhiều so với bình thường (85 – 88 0C) Điện thế các ngăn tăng

Khắc Phục:

Cố gắng thiết lập lại nhiệt độ nước muối/dịch Catholyte cấp bằng cách điều chỉnh lưu lượng hơi cấp.

 Nhiệt độ nước muối/dịch Catholyte cấp quá cao

Vượt quá nhiệt độ hoạt động bình thường (85 – 88 0C).

Giới hạn trên nguy hiểm của là 95 0C. Nhiệt độ cao hơn nữa gây hại cho ngăn và cho màng.

Khắc Phục:

Tăng cường việc làm nguội dịch Catholyte cấp.

Tăng cường việc làm nguội nước muối cấp.

 Nồng độ Ca, Mg và Sulphate quá cao

Màng bị gây hại mà không có khả năng phục hồi Hiệu suất dòng có thể giảm

Điện thế có thể tăng Khắc Phục:

Khi nồng độ Ca, Mg và Sulphat quá cao, thì nên ngưng máy.

Kiểm tra lại hệ thống tách Sulphate

 pH dịch Anolyte tăng

Có lỗ thủng trên màng, mà nhờ nó xút dịch chuyển qua ngăn Anolyte Việc axit hoá nước muối gặp trục chặc

Khắc Phục:

Điều chỉnh nồng độ xút bằng cách điều chỉnh lưu lượng nước vô khoáng cấp

kiểm tra nồng độ NaCl trong dịch Catholyte của bình nào có pH dịch Anolyte cao.

Kiểm tra hàm lượng O2 và H2 trong khí Cl2

Điều chỉnh việc axit hoá nước muối.

Ngưng máy nếu thấy cần thiết.

6.8-Phương pháp kiểm tra chất lượng:

Kiểm nghiệm viên lấy mẫu NaOH ở đầu ra của bình đem đo tỷ trọng và chuẩn độ xác định được hàm lượng phần trăm của xút xem có đạt yêu cầu không, nếu đạt nồng độ 31,5÷32,5% là đạt yêu cầu.

Mục đích :

Xử lý loại bỏ các dạng hợp chất Clo và Clo hòa tan trong nước muối nghèo sau điện giải trước khi đưa veà tái bão hòa.

Giải nhiệt nước muối cấp trước khi cung cấp cho điện giải.