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

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

1

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


PGS.TS. Nguyễn Hoài Châu

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




Hà Nội - 2011

2
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 điệ
n 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 thiế
t 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 đả
m trong môi trường làm việc 54


3
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. Cấ
u 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 tạ
o 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 qu
ả kinh tế 81
Kết luận:. 82
Kiến nghị: 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO 83
PHỤ LỤC 84


4
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 ph
ần công nghệ cao Gia Nguyễn

5
DANH MỤC CÁC BẢNG
TT Nội dung Trang
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
31
7 Bảng 1.7. Kết quả vận hành thiết bị WATERCHLO 500
ở các nhiệt độ khác nhau
32
8 Bảng 1.8. Kết quả vận hành thiết bị WATERCHLO 1000
ở các nhiệt độ khác nhau
33
9 Bảng 1.9. Kết quả vận hành thiết bị WATERCHLO 2000
ở các nhiệt độ khác nhau
35
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

12 Bảng 3.3. Một số loại cột trao đổi ion quy mô nhỏ 58
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
80
23 Bảng 5.8. Chi phí sản xuất 1kg clo hoạt tính bằng thiết bị
WATERCHLO
81
24 Bảng 5.9. Chi phí sử dụng 1kg clo ở các dạng khác nhau 82

6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
TT Nội dung Trang
1 Hình 1.1. Điện cực (Nga) và thiết bị WATERCHLO thế hệ cũ 9
2 Hình 1.2. Thành phần bản cực anot 15
3 Hình 1.3. Thành phần bản cực 15
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
6 Hình1.6. Buồng điện hóa WATERCHLO 500 20
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
15 Hinh 2.1. Sơ đồ khối nguồn DC cho máy 500 g/h 45
16 Hình 2.2. Sơ đồ khối nguồn một chiều công suất lớn 46
17 Hình 2.3. Nguồn một chiều INVERTER 48
18 Hình 2.4. Sơ đồ mạch điều khiển thiết bị WATERCHLO 50
19 Hình 2.5. Mạch điều khiển thiết bị WATERCHLO 50
20 Hình 2.6. Sơ đồ mạch điện cho thiết bị WATERCHLO 1000 53
21 Hình 2.7 Tủ điện thiết bị WATERCHLO 1000 54
22 Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa tốc độ dòng, nhiệt
độ và áp suất
57

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
24 Hình 3.3. Sơ đồ hệ thống làm loãng hyđrô 61
25 Hình 3.4. Sơ đồ hệ thống thiết bị WATERCHLO 65
26 Hình 3.5. Bản vẽ sơ đồ thiết bị WATERCHLO 66
27 Hình 3.6. Bản vẽ chế tạo khung máy WATERCHLO 67
28 Hình 3.7. Sơ đồ bố trí mặt bằng thiết bị WATERCHLO 68
29 Hình 5.1. Thiết bị WATERCHLO 500 75
30 Hình 5.2. Thiết bị WATERCHLO 1000 77
31 Hình 5.3. Thiết bị WATERCHLO 2000 78

7
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 c
ực 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 sả
n 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 u
ống 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 (Đồ
ng Nai).

8
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 hợ
p

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 rấ
t 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 ho
ạt 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

9
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 tạ
i 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 l
ần, 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 m
3
/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

10
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
hi

ệu 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 hiệ
n 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: DA
ĐL-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
thâm nhập vì phải cạnh tranh với các thiết bị nhập khẩu đã được dùng quen.

11

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 lo
ại 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 thả
i, 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 đượ
c 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

12
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. Nhiệ
m 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 ph
ố 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 nă
ng 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.

13
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 củ
a 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 biệ
n 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 vớ
i 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 80

o
C - 90
o
C và khí clo liên tục thoát ra không khí
trong phòng. Sự tăng nhiệt độ điện phân cao hơn 60
o
C 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 l
ấy ra ngay từ đầu ống kia,

14
thành ra dung dịch sản phẩm nóng khoảng 40
o
C- 60
o
C 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 đơ
n 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 c
ủa 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, đ
iều 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
Đ
iện 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: RuO
2
, IrO
2
, MnO
2
, PtO
2
, Co
3
O

4
,
NiCo
2
O
4
, TiO
2
, và NiO
2
. 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
định [3].

15
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-xO
4
trên
nền kim loại titan ORTA). Với thành phần RuO
2
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 RuO
2
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 ph
ần 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 muố
i
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 đ
ây mô tả cấu hình của các điện cực trong
buồng phản ứng điện hoá đã được thiết kế chế tạo tại Viện CNMT.
Ti

Ru

Ir
Ti

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

16
3
1
2


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: RuO
2
, IrO
2
.
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 vi
ệc: 10-70
o
C
- 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 ti
ến hành:
1.2.1.1. Tính tổng dòng điện chạy qua anot

17
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
I
lt
= 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:

18
I
tt
= i
lt
x 1/h = 47,19 x 1/ 0,7 = 67,41 A. Làm tròn I
tt
= 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/cm
2
để đảm bảo
tuổi thọ của điện cực 5 - 7 năm làm việc. Chọn I
tb
= 0,165 A/cm
2

1.2.1.5. Tính diện tích anot của 1 ngăn
S = I
tt
: I
tb
= 70A: 0,165 A/cm
2
= 424 cm
2

Chọn S = 420 cm
2

1.2.1.6. 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 10 mặt làm việc (2 tấm biên làm việc 2 mặt bên trong, các tấm ở
giữa làm việc 2 mặt), chiều rộng R = 6 cm
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 l
tt
= 8,75 cm .
Tấm lưỡng cực sẽ có chiều dài gấp đôi l
lc
= 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:

19




















Hình 1.5. Bản vẽ chế tạo cực anot, catot và lưỡng cực
của WATERCHLO 500

20
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/cm
2
); 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 l
ượng 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]


21
Bảng 1.1. Kết quả chạy thử điện cực WATERCHLO 500
Nồng
độ
muối
(g/l)
Lưu
lượng
(l/h)
Điện
áp
DC
(V)
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
21, 90 32,2 65 28 25 40 5,46 491,4
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
60 90 100 110 120
Lưu lượng sản phẩm(l/h)
Năng suất clo (g/h)
65A
70A

22

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 thiế
t 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 lượ
ng 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 giả
m 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.

23
Vậy dòng điện qua mỗi ngăn là
I
lt
= 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:
I
tt
= i
lt
x 1/h = 94,34 x 1/ 0,7 = 134,8. Làm tròn I
tt
= 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/cm
2
để đảm bảo
tuổi thọ của điện cực 5 - 7 năm làm việc. Chọn I
tb
= 0,15 A/cm
2

1.2.2.5. Tính diện tích anot của 1 ngăn

S = I
tt
: I
tb
= 135: 0,15A/ cm
2
= 900 cm
2

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 l
ưỡng cực sẽ có chiều dài gấp đôi l
lc
= 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.

24
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