Xử lí chất thải của công nghiệp, cụ thể là chất axit sunfuric đậm đặc

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Hồng Đông Nam. Nhờ sự
hướng dẫn tận tình của Thầy đã giúp tôi vượt qua những khó khăn để hồn thành đề tài
này.
Tôi xin chân thành cám ơn các quý Thầy Cô Bộ môn Công nghệ Hóa Vô Cơ đã
truyền đạt cho tôi những kiến thức, những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian học
tập ở trường.
Tôi xin chân thành cám ơn các quý Thầy Cô thuộc Bộ môn Hóa phân tích, trung
tâm nghiên cứu đề tài trọng điểm Quốc gia & Polyme, Viện Khoa học Công nghệ và
môi trường đã giúp tôi hồn thành đề tài này.
Tôi xin chân thành cám ơn mẹ tôi, gia đình tôi đã động viên tôi về mọi mặt trong
suốt quá trình làm đề tài .
Cám ơn các bạn lớp HC02VS đã cho tôi những lời khuyên, những lời động viên vô
cùng quý báu.
Mai Thị Tuyết Nhung.
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay vật liệu kim loại vẫn đang chiếm vị trí quan trọng nhất trong nền kinh tế
quốc dân, do chúng có hoạt tính cao nên dễ bị môi trường tác động làm phá hủy dần từ
ngồi vào trong, kết quả là tạo ra những lớp rỉ trên bề mặt kim loại gây thiệt hại lớn về
chi phí bảo dưỡng, thay thế vật liệu. Đặc biệt hậu quả của ăn mòn là gây ô nhiễm môi
trường và mất cân bằng sinh thái.
Việt Nam là đất nước có khí hậu nóng, ẩm, tỷ lệ sử dụng kim loại còn cao vì vậy
thiệt hại ăn mòn là rất cao.
Vấn đề được đặt ra hiện nay, là tìm cách ngăn chặn sự hình thành rỉ trên bề mặt
kim loại và các hợp kim của sắt. Có rất nhiều cách, một trong những phương pháp được
xem là hiệu quả là phủ trên bề mặt kim loại một lớp mạ. Nhưng trước khi mạ, ta cần
phải loại bỏ lớp rỉ để lớp mạ được bám dính tốt. Để loại lớp rỉ, thường các nhà máy cán
thép sử dụng hóa chất để tẩy rỉ. Hóa chất được dùng phổ biến nhất là các axit vô cơ như:
HCl, H
2
SO

4
, HNO
3
,...
Ở các nhà máy cán thép, lượng nước thải ra từ quá trình tẩy rỉ là rất lớn. Việc đổ
bỏ lượng nước này ra môi trường sẽ gây ô nhiễm nặng. Vấn đề được đặt ra phải tìm
cách xử lý nước này một cách hợp lý và kinh tế nhất.
Có rất nhiều phương pháp để xử lý nhưng trong đề tài này chúng tôi sử dụng axit
sunfuric đậm đặc để xử lý nước tẩy rỉ. Nếu hướng nghiên cứu này khả thi thì không
những ta xử lý được nước tẩy rỉ mà cón có thể thu được những sản phẩm từ quá trình xử
lý như: axit HCl, muối sắt (II) sunfat, đây là những hóa chất cơ bản cần thiết cho nền đại
công nghiệp.
PHẦN 1: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1: SỰ HÌNH THÀNH RỈ SẮT VÀ QUÁ TRÌNH XỬ
LÝ RỈ SẮT
1.1 Sự hình thành rỉ sắt
1.1.1 Điều kiện hình thành rỉ sắt
1.1.1.1 Độ ẩm
Độ ẩm là điều kiện cần thiết cho ăn mòn trong khí quyển vì nó quyết định sự
ngưng tụ hơi nước. Nước ngưng tụ đọng lại trên bề mặt kim loại sẽ tạo thành dung dịch
điện li (khi có mặt các muối hòa tan) làm cho phản ứng ăn mòn có thể xảy ra.
Theo lý thuyết, sự ngưng tụ xảy ra khi độ ẩm tương đối đạt đến 100%, tuy nhiên
trong một số trường hợp sự ngưng tụ vẫn có thể xảy ra dù độ ẩm tương đối nhỏ hơn
100%. Hiện tượng này xảy ra khi nhiệt độ kim loại thấp hơn nhiệt độ môi trường, khi bề
mặt kim loại có muối hoặc khi bề mặt có các lỗ xốp.[2]
Khi tăng độ ẩm thì tốc độ ăn mòn cũng tăng nhưng nếu trong điều kiện khí sạch
hồn tồn, thì tốc độ tăng không đàng kể. Nhưng khi không khí có nhiễm bẩn thì tốc độ
tăng lên rất lớn. Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào độ ẩm có thể biểu diễn theo phương
trình: V
K

= V
O
.X
2

V
K
: tốc độ ăn mòn ở độ ẩm bất kỳ.
V
O
: tốc độ ăn mòn khi độ ẩm tương đối 100%.
X: độ ẩm tương đối. [3]
Độ ẩm chỉ là điều kiện cần nhưng chưa đủ. Ngay trong một môi trường rất ẩm, các
bề mặt sạch, không nhiễm bẩn đặt trong không khí không ô nhiễm chỉ bị ăn mòn với tốc
độ tương đối thấp. [2]
1.1.1.2 Các chất ô nhiễm. [2]
Các chất ô nhiễm làm gia tăng ăn mòn trong khí quyển do tăng tính chất dung dịch
điện ly và tăng độ ổn định của lớp màng nước ngưng tụ từ khí quyển.
SO
2
là một chất ô nhiễm thường gặp, khi hấp thu trong lớp nước bề mặt sẽ tạo ra
H
2
SO
4
làm tăng đáng kể tốc độ ăn mòn của thép cacbon trong khí quyển.
Khi không có SO
2
, lớp sản phẩm ăn mòn có tính bảo vệ nên tốc độ ăn mòn thấp.
Khi có mặt SO

2
lớp màng không có tính bảo vệ nên tổn thất khối lượng sẽ tăng theo thời
gian. Do đó các chất ô nhiễm như SO
2
, NO
2
, Cl
-
, F
-
... có thể cung cấp các chất tan cho
lớp nước trên bề mặt và gây ra ăn mòn kim loại.
Trong khí quyển chứa 0.01% SO
2
, tốc độ ăn mòn thép cacbon tăng nhanh khi độ
ẩm lớn hơn độ ẩm tới hạn (60%). Ở độ ẩm tương đối gần 100% dù không có SO
2
, sự ăn
mòn vẫn tiếp tục với tốc độ thấp.
Hiện tượng này là do sản phẩm ăn mòn FeSO
4
tạo thành có tính hút ẩm, sẽ hấp thu
nước khi độ ẩm tương đối vượt qua mức độ ẩm tới hạn. Các sản phẩm ăn mòn hút ẩm,
và các muối khác kết tủa từ khí quyển, sẽ làm giảm độ ẩm tương đối cần thiết để gây ra
ngưng tụ nước. Sự có mặt của màng nước này dẫn đến tăng thời gian thấm ướt và làm
tăng mức độ ăn mòn. Chỉ khi độ ẩm thấp hơn giá trị tới hạn ứng với mỗi loại muối thì
sự tạo thành màng nước mới bị loại trừ và sự ăn mòn giảm đến mức thấp nhất.
Độ ẩm tương đối tới hạn RH
crit
của một số loại muối và ảnh hưởng ăn mòn khí

quyển của chúng trên thép cacbon được trình bày trong bảng.
Bảng 1.1 Độ ẩm tương đối tới hạn RH
crit
của một số loại muối
Muối sử dụng RH
crit
Độ ẩm tương đối, %
100 90 80 70 60 50
Na
2
SO
4
.10H
2
O
KCl
NaCl
NaNO
3
NaNO
2
NaBr.2H
2
O
NaI.2H
2
O
LiCl.H
2
O

93
86
78
77
66
59
43
15
* o o o o o
* * × o o o
* * * × o o
* * * o o o
+ + + + o o
* * * * * o
* * * * * *
* * * * * *
*: Lớp muối phủ hút ẩm, tạo gỉ và ăn mòn nền thép.
: Lớp muối phủ có màu nâu ở biên, có ăn mòn nền thép.
+: Lớp muối phủ chuyển thành dung dịch không màu, không ăn mòn.
o: Lớp muối phủ khô, không ăn mòn.
Từ bảng trên, sự ăn mòn là thấp nhất khi độ ẩm tương đối thấp hơn RH
crit
. NaNO
2
hút ẩm, nhưng lại là một chất ức chế nên không tuân theo quy luật trên.
1.1.1.3 Nhiệt độ.[2]
Nhiệt độ có ảnh hưởng khác nhau đến ăn mòn khí quyển. Nhiệt độ không khí bình
thường sẽ giữ tốc độ ăn mòn tương đối thấp nhưng có thể làm tăng sự ngưng tụ màng
nước trên bề mặt dẫn đến tăng ăn mòn. Việc phơi ngồi ánh sáng mặt trời sẽ làm tăng
nhiệt độ và sấy khô bề mặt dẫn đến giảm ăn mòn. Do đó bề mặt che phủ thường bị ăn

mòn nhanh hơn bề mặt phơi nắng trực tiếp.
Sự kết hợp của độ ẩm cao, nhiệt độ trung bình cao và sự có mặt của các chất ô
nhiễm công nghiệp hoặc muối biển mang theo trong không khí sẽ làm tăng tốc độ ăn
mòn trong khí quyển. Do đó tốc độ ăn mòn cao nhất trong các vùng biển nhiệt đới hoặc
bán nhiệt đới. Thiếu một trong các yếu tố trên thì tốc độ ăn mòn sẽ thấp.
1.1.2 Cơ chế hình thành rỉ sắt
Sắt bị rỉ khi tiếp xúc đồng thời với oxi và hơi ẩm của không khí. Rỉ sắt là quá trình
ăn mòn có tính điện hóa, cơ chế của nó giống với cơ chế của quá trình oxi hóa - khử
xảy ra ở trong pin điện. Một điểm ở trên bề mặt của sắt thép có thể là điện cực âm, tại
đó xảy ra quá trình oxi hóa sắt, electron từ sắt chuyển đến một điểm khác ở trên bề mặt
của sắt là điện cực dương, tại đó xảy ra quá trình khử oxi của không khí:[6]
không
khí
màng nước
điện cực âm
điện cực
dương
electron
sắt thép
Fe(r) - 2e Fe (dd)
2+
2
2
Khơng khí khơ hoặc ẩm, thép hoặc sắt sẽ tạo thành một màng oxýt rất mỏng bao
gồm lớp bên trong là oxýt sắt từ, Fe
3
O
4
(FeO.Fe
2

O
3
) bên ngồi là lớp rỉ FeOOH. Fe trong
oxýt sắt từ có thể ở dạng Fe
2+
(FeO) hoặc Fe
3+
(Fe
2
O
3
). Các vết nứt trên lớp rỉ FeOOH
cho phép oxy từ khí quyển dễ dàng xâm nhập và oxy hóa hồn tồn oxýt sắt từ thành dạng
hydrat Fe
2
O
3
.H
2
O hoặc FeOOH (Fe
2
O
3
.H
2
O = 2FeOOH). Các lỗ xốp trong oxýt sắt từ
được làm đầy bằng nước ngưng tụ và sản phẩm ăn mòn khơng tan. Do đó lớp oxýt sắt từ
sẽ có tính bảo vệ trong mơi trường hơi nước khơng ơ nhiễm.[2]
Khơng khí xung quanh thường chứa một lượng SO
2

, chất này phản ứng với nước
và oxy hòa tan để tạo H
2
SO
4
trong các lỗ xốp, dẫn đến phản ứng hòa tan một phần màng
oxýt tạo thành FeSO
4
. Muối này bị thủy phân sẽ cung cấp thêm mơi trường axit, làm cho
màng oxýt dễ hòa tan hơn, mở rộng lỗ xốp trong oxýt sắt từ và cho phép dung dịch điện
ly thâm nhập dễ dàng vào bề mặt kim loại nền. Ngồi ra FeSO
4
còn là chất hút ẩm, sẽ hấp
thu nước từ khí quyển và làm tăng tốc độ ăn mòn khi độ ẩm lớn hơn độ ẩm tới hạn.[2]
Phản ứng anốt hòa tan sắt xảy ra dưới lớp oxýt sắt từ Fe
3
O
4
.
Fe
→
Fe
2+
+ 2e
Ion Fe
2+
trong dung dịch bão hòa (hoặc gần như bão hòa) nằm trong các lỗ xốp của
Fe
3
O

4
sẽ phản ứng với oxy ở phía ngồi lớp Fe
3
O
4
để tạo thêm Fe
3
O
4
.
3Fe
2+
+ 2OH
-
+ 1/2O
2

→
Fe
3
O
4
+ H
2
O
Phản ứng khử catốt là:
8FeOOH + Fe
2+
+ 2e
→

3Fe
3
O
4
+ 4H
2
O
trong đó Fe
3+
trong gỉ FeOOH bị khử thành Fe
2+
trong Fe
3
O
4
ở bề mặt tiếp xúc hai
pha. Oxy khí quyển xâm nhập ngang qua các vết nứt trong lớp gỉ có thể oxy hóa Fe
3
O
4
trở lại thành gỉ.
3Fe
3
O
4
+ 0.75O
2
+ 4.5H
2
O

→
FeOOH
Một lượng sunphát không tan sẽ kết tủa trong lớp oxýt. [2]
1.2 Tẩy rỉ
1.2.1 Mục đích tẩy rỉ
Bước này cho phép làm sạch các tạp chất trên bề mặt (tẩy dầu mỡ, tẩy rỉ) và làm
cho bề mặt bóng, láng hơn.
Để làm sạch bề mặt phải tẩy dầu mỡ trước rồi mới tẩy rỉ. Nếu quá trình tẩy dầu
mỡ được thực hiện không đúng, thì quá trình tẩy rỉ cũng sẽ không hiệu quả. Việc lựa
chọn quá trình tẩy rửa phụ thuộc vào các yếu tố sau:
 Loại chất bẩn hiện diện trên bề mặt.
 Thành phần và cấu trúc vật liệu nền.
 Mức độ sạch yêu cầu của bề mặt.
 Loại xử lý bề mặt sau đó.
 Môi trường.
 Kích thước chi tiết.
 Chi phí vận hành.
1.2.2 Phương pháp tẩy rỉ
Tẩy rỉ là quá trình loại bỏ các lớp màng oxýt trên bề mặt chi tiết bằng tác động hóa
học (tẩy rỉ hóa học) hoặc kết hợp tác động hóa và tác động cơ (tẩy rỉ điện hóa). Thành
phần và các thông số vận hành của bể tẩy rỉ phụ thuộc vào loại chất nền. [2]
Tẩy rỉ thường tiến hành ngay sau khâu tẩy dầu mỡ để khử hết màng oxyt, lớp rỉ và
các hợp chất hóa học khác sinh ra trên bề mặt kim lọai, tạo điều kiện cho lớp mạ bám
chắc trực tiếp với bề mặt nền.[4]
Quá trình tẩy rỉ có thể thực hiện bằng các cách:
 Tẩy rỉ hóa học.
 Tẩy rỉ điện hóa.
 Tẩy rỉ cơ học.
1.2.2.1 Tẩy rỉ hóa học. [4]
Lớp rỉ trên kim loại đen có thể dày đến 0.01

÷
0.1mm, bao gồm các chất FeO,
Fe
3
O
4
và Fe
2
O
3
. Tẩy rỉ cho kim loại đen thường dùng axit sunfuric hoặc axit clohydric,
đôi khi dùng hỗn hợp cả hai axit ấy. Khi tẩy bao giờ cũng xảy ra hai quá trình hòa tan rỉ
và hòa tan kim loại. Ví dụ: tẩy trong axít sunfuric sẽ xảy ra như sau:
Fe
2
O
3
+ 3H
2
SO
4

→
Fe
2
(SO
4
)
3
+ 3H

2
O.
FeO + H
2
SO
4

→
FeSO
4
+ H
2
O.
Fe + H
2
SO
4

→
FeSO
4
+ H
2
.
Fe
2
(SO
4
)
3

+ Fe
→
3FeSO
4
.
Tẩy trong HCl quá trình hòa tan rỉ là chính. Tẩy trong H
2
SO
4
quá trình hòa tan sắt
là chính, nhưng rỉ vẫn được làm sạch là do bọt hydrô thốt ra, kéo rỉ bay khỏi mặt kim
loại, đồng thời hydrô sinh ra sẽ khử Fe
2
O
3
và Fe
3
O
4
là những chất khó tan trong axit
thành FeO dễ tan trong axit hơn nên bề mặt kim loại vẫn được làm sạch. Mặt khác có
một phần nhỏ phân tử hydrô thốt ra sẽ thấm vào mạng lưới tinh thể kim loại làm biến
dạng và thay đổi tính chất cơ lý của nó: dòn, đàn hồi kém.
Tẩy trong HCl rỉ không bay ra mà bị hòa tan dưới tác dụng của HCl nên tốc độ tẩy
nhanh hơn, nhưng đồng thời cũng tốn axít hơn so với tẩy trong H
2
SO
4
và thiết bị đó bị
ăn mòn hơn.

Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tẩy. Nâng cao nhiệt độ có thể rút ngắn
thời gian tẩy. Dung dịch H
2
SO
4
80
÷
120 g/l tẩy tốt nhất ở 50
÷
70
o
C. Dung dịch HCl
150
÷
200 g/l tẩy tốt nhất ở 30
÷
40
o
C. Thời gian tẩy từ 10
÷
120 phút, tùy tính chất và
độ dày của lớp rỉ.
Khi tẩy thường cho thêm chất ức chế vào dung dịch để hạn chế sự hòa tan kim loại
nền, giảm lượng axit tiêu phí, tránh cho kim loại không bị giòn hydrô, cải thiện điều
kiện làm việc, nhưng không ảnh hưởng đến tốc độ tẩy rỉ. Chất ức chế bảo vệ được kim
loại là do chúng bị hấp phụ lên mặt kim loại làm tăng quá thế hydrô nên hydrô không
thốt ra và quá trình hòa tan kim loại bị kìm hãm. Nhiệt độ cao, tác dụng của chất ức chế
càng giảm cho nên dung dịch không được quá 25
÷
30

o
C.
Chất ức chế dùng trong dung dịch H
2
SO
4
tốt nhất là các chất có chứa quinôlin,
tiôurê, tiodiglycol và naphtylamin. Chất ức chế dùng trong dung dịch HCl là urôtrônin,
butylamin cao phân tử.
1.2.2.2 Tẩy rỉ điện hóa. [4]
Có thể dùng phương pháp điện phân để tẩy rỉ cho kim loại. Kim loại tẩy có thể
mắc thành anôt hoặc catôt. Khi tẩy anôt kim loại sẽ hòa tan, rỉ sẽ bong ra nhờ oxy thốt ra
và đẩy nó rời khỏi mặt kim loại. Dung dịch tẩy là axít hoặc muối của nó. Khi tẩy catôt,
tác dụng hóa học của axit sẽ giảm đi do hiện tượng phân cực nhưng hydrô thốt ra sẽ khử
oxyt kim loại, đồng thời sẽ làm bong oxyt khỏi mặt kim loại. Dung dịch cũng có thể là
axit hoặc muối.
Ưu điểm: nhanh, ít tốn axit, làm việc nhẹ nhàng, có thể tẩy được một số hợp kim
mà phương pháp hóa học không tẩy được.
Trong sản xuất, thường tẩy anôt vì tẩy catôt kim loại dễ bị dòn hydrô. Nhưng khả
năng phân bố của dung dịch kém nên đối với các vật có hình thù phức tạp tẩy không lợi:
chỗ lồi mòn nhanh, chỗ lõm mòn ít, thậm chí rỉ không tan hết. Tẩy axit thường dùng
dung dịch H
2
SO
4
200
÷
250 g/l và dung dịch sunfat hoặc clorua sắt trong axit. Nhiệt độ
tẩy 20
÷

50
o
C. Mật độ dòng điện 5
÷
10 A/cm
2
. Catôt bằng chì hoặc bằng thép.
1.2.2.3 Tẩy rỉ cơ học. [2]
Tẩy rỉ cơ học là quá trình phun các vật liệu mài với tốc độ nào đó vào bề mặt nền,
ví dụ phun cát. Sự va chạm giữa các hạt mài với chi tiết sẽ làm bong rỉ, muội than, cát
hoặc các thành phần khác tạo ra khi đúc,...
Hiệu quả của tẩy rỉ cơ học phụ thuộc vào việc lựa chọn vật liệu mài và tốc độ
phun. Các vật liệu mài có thể là kim loại (thép, gang, Al, Cu, ...) hoặc không kim loại
(cát, thủy tinh, hạt quả mơ, nylon, ...) ở dạnh hình tròn có góc cạnh, hình trụ, ... Việc lựa
chọn vật liệu mài dựa trên tính xâm thực (khả năng truyền động năng khi hạt mài va
chạm bề mặt chi tiết; khả năng này phụ thuộc vào hình dáng của hạt mài), độ bền va đập
của hạt mài (giảm kích thước và thay đổi hình dáng), khối lượng của hạt mài (động
năng va chạm) và kích thước hạt (hạt nhỏ thì khả năng bao phủ tốt, hạt lớn thì động
năng lớn).
1.2.3 Dung dịch tẩy rỉ hóa học. [ 11]
Axit sunfuric H
2
SO
4
10%: giá thành rẻ, ít gây ô nhiễm, ít hao hụt khi sử dụng, có
thể dùng ở nhiệt độ thường hay đun nóng nhẹ ở 40
o
C, axit sunfuric được sử dụng rất
phổ biến.
Axit clohydric HCl và axít HCl 10%: là axit điển hình cho quá trình tẩy rỉ sắt,

thép, gang ngay cả ở nhiệt độ thường.
Axit flohydric H
2
F
2
: dung dịch axit flohydric chứa 40% trọng lượng H
2
F
2
. Do tính
độc nên việc sử dụng axít này hạn chế, chỉ dùng trong những trường hợp đặc biệt, nhất
là để tẩy rỉ các sản phẩm gang đúc, tẩy xóa những vụn cát còn bám dính trên bề mặt chi
tiết, nhất là ở những chỗ kín, đáy khe, rãnh mà phương pháp cơ khí không có khả năng.
Axit citric C
6
H
8
O
7
: dùng chủ yếu để tẩy rỉ cho các thiết bị lò hơi. Nó thường được
dùng ở dạng dung dịch 1.5 - 3%. pH dao động trong khoảng 3.5 - 4. Tiến hành tẩy rỉ ở
gần nhiệt độ sôi của dung dịch. Bề mặt chi tiết sau khi tẩy rỉ có màu sáng bạc và không
bị thụ động.
Ngồi axit citric, một số axit hữu cơ khác cũng được sử dụng để tẩy rỉ như: axit
oxalic, axit axetic, axit aminsulfonic (NH
2
SO
3
H - chất rắn kết tinh, tan mạnh trong
nước), axit floboric (HBF

4
) thường dùng tẩy rỉ cho đồng thau.
Dung dịch kiềm: dùng để tẩy rỉ cho nhôm, hợp kim của nhôm và trong một số
trường hợp dùng cho kim loại kẽm. Dung dịch kiềm thường dùng là dung dịch NaOH
5%.
CHƯƠNG 2: XỬ LÝ DUNG DỊCH NƯỚC TẨY RỈ
2.1 Mục đích xử lý dung dịch nước tẩy rỉ sắt.[12]
Khi những bản kim loại bị rỉ trong quá trình sản xuất thép, lượng lớn nước tẩy rỉ
sắt được thải ra từ các nhà máy gây ô nhiễm môi trường. Thật là khó để có thể giải
quyết vấn đề này một cách kinh tế. Nhiều cuộc nghiên cứu nhằm xử lý dung dịch nước
tẩy rỉ với mục đích thu hồi những chất có ích như axit clohydric và muối sắt (II) sunfat.
2.2 Một số phương pháp xử lý dung dịch nước tẩy rỉ sắt.[11, 12]
- Trong nước tẩy rỉ sắt bao gồm FeCl
2
, FeCl
3
, một phần HCl dư và nước. Một
phương pháp đề ra là trung hòa lượng axit còn dư bằng cách dùng vôi. Tuy nhiên sản
phẩm thu được là các hydroxit sắt ở dang nhầy (paste) gây ô nhiễm môi trường:
H
+
+ OH
-

→
H
2
O
Fe
2+

+ 2OH
-

→
Fe(OH)
2
↓
Fe
3+
+ 3OH
-
→
Fe(OH)
3
↓
- Khi tiến hành thủy phân ở nhiệt độ cao(>800
o
C) chuyển hết sắt về Fe(III), sản
phẩm sẽ là HCl, Fe
2
O
3
. Thiết bị bằng thạch anh được sử dụng trong quy trình này để
tránh sự ăn mòn thiết bị:
4FeCl
2
+ 4H
2
O + O
2

→
8HCl + 2Fe
2
O
3
- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã thực hiện một phương pháp là dùng nhôm
hồn nguyên sắt:
Fe
2+
, Fe
3+

→
Fe
Dung dịch AlCl
3
sau phản ứng sẽ được dùng để điều chế PAC (polyaluminium
clorua Al(OH)
3-x
Cl
x
). Tuy nhiên giá thành nhôm cao hơn sắt nên phương pháp này
không khả thi.
- Một phương pháp khác là clo hóa hồn tồn dung dịch tẩy rỉ sắt về hết sắt (III)
FeCl
3
:
2FeCl
2
+ Cl

2

→
2FeCl
3
.
- Theo quy trình xử lý của U.S.Pat.No.5,417,955, công bố vào ngày 23/5/1995,
quy trình này mô tả một phương pháp và thiết bị để xử lý dung dịch nước tẩy rỉ sắt để
sản xuất axit clohydric và sắt (II) sunfat. Dung dịch nước tẩy rỉ chứa sắt (II) clorua, axit
clohydric và nước được phản ứng với axit sunfuric dư trong thiết bị phản ứng để tạo
thành axit clohydric và sắt (II) sunfat:
FeCl
2
+ H
2
SO
4

→
FeSO
4
+ 2HCl
2.3 Quy trình xử lý dung dịch nước tẩy rỉ sắt bằng axit sunfuric.[12]
Dung dịch nước tẩy rỉ sắt được xử lý trong thiết bị phản ứng với axit sunfuric dư.
Dung dịch này phản ứng mãnh liệt tạo ra pha khí nóng, nước và axit clohydric. Sau đó
pha khí được đưa tới tiếp liệu cho tháp hấp thụ HCl. Tạo ra trong bình phản ứng là dung
dịch huyền phù chứa sắt (II) sunfat monohydrat có thành phần không hòa tan. Huyền
phù này được đưa tới một phễu lọc tuần hồn. Nước lọc được đưa trở lại thiết bị phản
ứng. Sau khi loại ẩm, sắt (II) sunfat monohydrat được đưa tới thiết bị kết tinh.
Hiệu quả của quy trình có thể tăng lên bằng cách tăng hệ số của FeCl

2
trong dung
dịch nước tẩy rỉ thông qua quá trình chưng cất. Bằng cách này chất lượng các hạt muối
sắt (II) sunfat monohydrat tạo ra có thể được cải thiện và điều khiển được một cách
thích hợp. Hàm lượng của FeCl
2
trong dung dịch nước tẩy rỉ nên lớn hơn hoặc bằng
25%.
Tỉ lệ giữa dung dịch nước tẩy rỉ với axit sunfuric dư vào khoảng 1:3
÷
1:5.
Nồng độ của axit HCl sản phẩm phụ thuộc trực tiếp vào nồng độ dung dịch nước
tẩy rỉ sử dụng. Để điều khiển nồng độ axit HCl và kết tủa muối sắt (II) sunfat
monohydrat thì FeCl
2
trong dung dịch nước tẩy rỉ phải được cô đặc bằng cách đun nóng
sơ bộ dung dịch nước tẩy rỉ trong một thiết bị trao đổi nhiệt để đạt tới nhiệt độ khoảng
95
o
C.
Nhiệt độ trong thiết bị phản ứng nên ở khoảng 85
o
C. Thời gian lưu thích hợp cho
dung dịch nước tẩy rỉ trong thiết bị phản ứng là khoảng 4 giờ.Hàm lượng axit sunfuric
trong thiết bị phản ứng nên lên tới tối thiểu là 60%, chính xác là lớn hơn 78%.
CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ CHẤT
3.1 Axit clohydric HCl
Công thức phân tử: HCl
Khối lượng phân tử: 36.465
3.1.1 Lý tính.[10, 11]

HCl là một chất khí không màu có mùi xốc.
Trọng lượng riêng: 1.264 ở 17
o
C (so với không khí)
Nhiệt độ nóng chảy: -114.7
o
C
Nhiệt độ sôi: -85.2
o
C
Nhiêt độ tới hạn: 51.25
o
C
Aùp suất tới hạn: 86at
Tỉ trọng: 1.267 ở -113
o
C; 1.206 ở -110
o
C
Hằng số phân ly Ka: 2.5
×
10
7
ở 0
o
C
Tan rất nhiều trong nước và phát nhiệt. Tan trong rượu, trong benzen (2% ở 18
o
C),
trong ete (35% ở 0

o
C).
Ngồi không khí ẩm bốc hơi thành sa mù do tạo ra những hạt nhỏ axit clohydric.
Khi đun nóng axit clohydric đặc thì đầu tiên khí hydroclorua bốc lean và nồng độ axit
tăng. Trong cả hai trường hợp, khi hàm lượng HCl trong axit đã đạt tới 20.3% (dưới 760
mmHg) thì thu được một dung dịch có thành phần không đổi, sôi ở 108.6
o
C.
Bảng 3.1: Độ tan của hydroclorua trong nước ở 760 mmHg
t
o
C Lượng HCl
Trong 1g nước
t
o
C Lượng HCl
Trong 1g nước
t
o
C Lượng HCl
Trong 1g nước
0 0.825 20 0.721 40 0.633
4 0.804 24 0.700 44 0.618
8 0.783 28 0.682 48 0.603
12 0.762 32 0.665 52 0.589
16 0.742 36 0.649 56 0.575
60 0.561
Axit clohydric là một axit mạnh, chiếm thành phần chính của axit trong dạ dày, là
axit quan trọng trong các ngành công nghiệp.
Axit clohydric có độ ăn mòn cao, axit HCl được bảo quản trong bình thuỷ tinh,

bình sành sứ, bồn xe tải, lót cao su…
3.1.2 Hóa tính.[9]
Trong nước là axit mạnh.
HCl
(lỗng)
+ H
2
O
→
Cl
-
+ H
3
O
+
Phản ứng với nitric đặc (cường thủy), trung hòa kiềm, hidrat amoniac. Chất khử
(nhờ Cl
-
) và chất oxy hóa (nhờ H
+
).
3HCl
(lỗng)
+ HNO
3

(đặc)

→
(NO)Cl + 2Cl

o
+ 2H
2
O, (t
o
thường)
6HCl
(đặc)
+ 2HNO
3

(đặc)

→
2NO
↑
+ 3Cl
2

↑
+ 4H
2
O, (100
÷
150
o
C)
HCl
(lỗng)
+ NaOH

(lỗng)

→
NaCl + H
2
O
HCl
(lỗng)
+ NH
3
.H
2
O
→
NH
4
Cl + H
2
O
HCl
(khí)
+ NH
3(khí)

→
NH
4
Cl
(khí)
, (t

o
thường)
4HCl + O
2

→
2H
2
O + Cl
2
, (600
o
C, xúc tác CuCl
2
)
2HCl
(lỗng)
+ M
→
MCl
2
+ H
2
↑
, (M = Fe, Zn)
4HCl
(đặc)
+ MnO
2

→
MnCl
2
+ 2H
2
O + Cl
2

↑
16HCl
(đặc)
+ 2KMnO
4

→
2MnCl
2
+ 5Cl
2

↑
+ 8H
2
O + 2KCl
3.1.3 Ứng dụng.[11]
Axit HCl tinh khiết được dùng trong lĩnh vực thực phẩm, dược phẩm; đối với HCl
kém tinh khiết thường dùng để sử lý nước thải hay hồ bơi.
Dung dịch HCl 10
÷
18% thường được sử dụng xử lý bề mặt kim loại:

FeO + 2HCl
→
FeCl
2
+ H
2
O
Fe
2
O
3
+ Fe + 6HCl
→
3FeCl
2
+ 3H
2
O
Axit HCl còn được dùng làm chất tẩy rửa trong các thiết bị dụng cụ gia đình như
thuộc gia, tẩy rửa...
3.1.4 Điều chế.[7]
Tổng hợp trực tiếp từ các nguyên tố: dùng sản xuất HCl trong công nghiệp
H
2
+ Cl
2

→
2HCl
Trong phòng thí nghiệm đôi khi người ta dùng phương pháp:

NaCl + H
2
SO
4

Ct
o
NaHSO
4
+ HCl
↑
2NaCl + H
2
SO
4

Ct
o
Na
2
SO
4
+ 2HCl
↑
3.2 Axit sunfuric H
2
SO
4
Công thức phân tử: H

2
SO
4
Khối lượng phân tử: 98.082
3.2.1 Lý tính.[7, 10]
H
2
SO
4
là một chất lỏng sánh như dầu, không màu.
Khi làm lạnh sẽ hố rắn thành những tinh thể nóng chảy ở 10.49
o
C. Tuy nhiên, axit
lỏng dễ có thể chậm đông không hố rắn dưới 0
o
C.
Ở 30
÷
40
o
C, bắt đầu bốc khói và khi đun tiếp sẽ tạo ra hơi SO
3
. Bắt đầu sôi ở
290
o
C và nhiệt độ nâng nhanh cho tới khi ngừng giải phóng SO
3
. Hydrat còn lại chứa
98.3% H
2

SO
4
và sôi ở 338
o
C
H
2
SO
4
đặc hấp thu mãnh liệt hơi ẩm và vì thế là chất làm khô tốt, áp suất hơi H
2
O
trên H
2
SO
4
cả thảy là 0.003 mmHg.
H
2
SO
4
tan vô hạn trong nước và phát nhiều nhiệt do có sự hydrat hố mạnh:
H
2
SO
4
+ nH
2
O
→

H
2
SO
4
.nH
2
O,
o
H
298
∆
= -79.4 KJ/mol.
Vì vậy, muốn pha lỗng dung dịch axit H
2
SO
4
đặc, thì cần đổ từ từ axít vào nước,
đồng thời khuấy đều dung dịch.
Axít sunfuric nguyên chất (không lẫn tạp chất, bụi...) hầu như không dẫn điện vì
chúng không điện li. Song dung dịch H
2
SO
4
lại dẫn điện tốt.
Dung dịch H
2
SO
4
có nồng độ 98.2% là hỗn hợp đẳng phí: dưới áp suất thường nó
sôi ở 336.6

o
C.
3.2.2 Hố tính.[7]
Axit sunfuric có hai đặc điểm lớn: khi lỗng, nó là một axit mạnh, khi đặc và nóng
nó là một chất oxy hố mạnh.
Axit nguyên chất 100% không thể hiện tính axít. Nó không làm đổi màu quỳ xanh
sang đỏ, nhưng khi pha lỗng thì H
2
SO
4
thể hiện tính chất của một axit điển hình: làm đổi
màu quỳ xanh sang đỏ, ăn mòn các kim loại đứng trước hydro trong dãy điện thế, tạo
thành muối sunfat và giải phóng hydro.
H
2
SO
4
là axit hai lần, trong dung dịch nó phân ly hai nấc: nấc thứ nhất phân ly hồn
tồn, nhưng nấc thứ hai thì kém hơn nhiều (K
1
=
∞
; K
2
= 2.10
-2
).
Axit sunfuric đặc, nóng là một chất oxy hóa mạnh. Tác dụng oxy hóa của H
2
SO

4
càng mạnh nếu axit càng đặc và càng nóng.
Axit đặc, nóng tác dụng được với hầu hết các kim loại, kể cả kim loại đứng sau
hydro như Cu, Ag, Hg tạo thành muối sunfat và giải phóng SO
2
hoặc S, hoặc H
2
S.
Đối với kim loại hoạt động, phản ứng xảy ra phức tạp hơn, sản phẩm phản ứng là
hỗn hợp gồm SO
2
, S và H
2
S.
H
2
SO
4
đặc thụ động hố Fe, Al, Cr nên người ta dùng bình bằng thép để đựng và
chuyên chở H
2
SO
4
đặc, nguội.
Các á kim như C, S, P... tương đối dễ bị H
2
SO
4
đặc oxy hố.
Với các hợp chất có tính khử HI, H

2
S, HBr... axit sunfuric đặc nóng cũng cho
những phản ứng oxy hố khử.
3.2.3 Ứng dụng.[5,7]
H
2
SO
4
rất háo nước, nó có thể hút nước, do đó được dùng để làm khô nhiều chất
rắn, lỏng, khí, làm chuyển dịch nhiều phản ứng hữu cơ. Nó có thể than hố các hợp chất
hữu cơ khi tiếp xúc với nó.
Axit sufuric là một hố chất cơ bản nên hàng năm nó được sản xuất với lượng lớn
trên thế giới.
Trong các axit, axit sufuric được sử dụng nhiều nhất và cũng rẻ tiền nhất. Nó được
dùng rộng rãi để sản xuất phân bón (supephotphat) và muối sunfat (natri, amoni, đồng
và nhôm), tinh chế dầu mỏ, dùng trong các nghành tổng hợp hữu cơ khác nhau (chất nổ,
phẩm nhuộm, dược phẩm) và làm chất điện li trong ăcquy chì. Axit sufuric là hố chất rất
thông dụng trong phòng thí nghiệm hố học.
3.2.4 Điều chế.[7]
Hiện nay người ta thường điều chế H
2
SO
4
bằng hai phương pháp: phương pháp
tiếp xúc và phương pháp tháp.
3.3 Sắt (II) clorua
Công thức phân tử: FeCl
2
Khối lượng phân tử: 126.76
3.3.1 Lý tính.[6, 8, 10]

FeCl
2
khan là những tinh thể lập phương, màu trắng, hoặc những bột vẩy nhỏ
giống như bột hoạt thạch, những vảy nhỏ hình sáu cạnh.
Nhiệt độ nóng chảy 673
÷
674
o
C.
Nhiệt độ sôi 1030
o
C.
Bình thường thành phẩm có màu trắng xám, để ngồi không khí có màu trắng (vì bị
hydrat hóa) và chỉ sau đó mới bị oxy hóa thành màu vàng.
FeCl
2
nóng chảy dẫn điện tốt. Muối dễ tan trong nước, rượu metylic, rượu etylic
và axeton, khó tan trong pyridin.
Ở 1500
o
C ứng với công thức FeCl
2
, nhiệt độ thấp hơn ứng với công thức Fe
2
Cl
4
.
Tinh thể hidrat hố FeCl
2
.4H

2
O tạo ra khi làm bay hơi dung dịch sau khi cho sắt tác
dụng với axit HCl. Tinh thể màu lam. Để ngồi không khí có màu lục vì bị oxy hố một
phần. Khi đun nóng nhẹ hoặc để trên H
2
SO
4
đặc chuyển thành FeCl
2
.2H
2
O.
Bảng 3.2: Độ tan của FeCl
2
trong nước.
t
o
C FeCl
2
, % t
o
C FeCl
2
, % t
o
C FeCl
2
, %
1.5 33.6 28.5 39.4 73 46.6
5 34.7 36.5 40.4 76.5 47.4

8 36.7 42.5 40.9 82 47.5
12.3 37.6 52.0 42.6 86 47.7
16 38.0 56 43.4 90.5 47.9
20.5 38.6 60 43.9 96 48.3
25 39.2 68.5 45.5 117.5 50.4
3.3.2 Hố tính.[8, 9]
Bị nước sôi, axit, kiềm, hydrat amoni phân hủy. Chất khử điển hình, khi để dung
dịch bị oxi tan trong nước oxy hóa. Bị hydro khử. Tham gia những phản ứng trao đổi và
tạo phức.
FeCl
2
+ H
2
O
→
FeCl(OH)
↓
+ HCl , (đun sôi).
FeCl
2 (rắn)
+ H
2
SO
4 (đặc, nóng)
→
FeSO
4
+ 2HCl
↑
.

FeCl
2
+ 2NaOH
(lỗng)

→
Fe(OH)
2
↓
+ 2NaCl, (trong khí quyển N
2
).
FeCl
2
+ 2(NH
3
.H
2
O)
(đặc)

→
Fe(OH)
2
↓
+ 2NH
4
Cl, (80
o
C, trong khí quyển N

2
).
4FeCl
2
+ 6H
2
O + O
2

→
4FeO(OH)
↓
+ 8HCl
↑
, (đun sôi).
FeCl
2
+ H
2

→
Fe + 2HCl, (> 500
o
C).
FeCl
2
+ Na
2
S
→

FeS
↓
+ 2NaCl.
FeCl
2
bị oxy hố thành Fe
2
O
3
và FeCl
3
khi đun nóng trong không khí:
FeCl
2
+ 3/2O
2

ct
o
Fe
2
O
3
+ 4FeCl
3
.
3.3.3 Ứng dụng.[14]
Sắt (II) clorua dùng làm chất cắn màu trong nhuộm, để xử lý nước uống, trong
luyện kim và trong điều chế dược phẩm.
3.3.4 Điều chế.[8]

Sắt (II) clorua không thể điều chế trực tiếp từ các đơn chất. Ở dạng khan được
điều chế bằng cách cho hydro halogenua tác dụng với sắt nung nóng:
Fe + 2HCl
(khí)

ct
o
FeCl
2
+ H
2
.
FeCl
2
cũng có thể điều chế bằng cách nung muối kép FeCl
2
.2NH
4
Cl hay (NH
4
)
2
.
FeCl
4
trong điều kiện không có không khí:
FeCl
2
.2NH
4

Cl
ct
o
FeCl
2
+ 2HCl + 2NH
3
.
Cũng có thể điều chế bằng cách dùng H
2
để khử FeCl
3
nung nóng:
2 FeCl
3
+ H
2

ct
o
2 FeCl
2
+ 2HCl.
3.4 Sắt (III) clorua.
Công thức phân tử: FeCl
3
.
Khối lượng phân tử: 162.22
3.4.1 Lý tính.[8, 10]
FeCl

3
khan là những vảy tinh thể màu hung đen hoặc phiến lớn hình sáu mặt.
Có màu đỏ lựu trong ánh sáng truyền qua và màu lục có ánh kim trong ánh sáng
phản chiếu.
Ở 306
o
C nóng chảy thành chất lỏng linh động màu đỏ.
Sôi và phân huỷ một phần ở 317
o
C. Tuy nhiên, ở 100
o
C, FeCl
3
cũng đã bay hơi rõ
rệt.
Ngồi không khí, nó hút ẩm mạnh và chảy rửa. Nó rất dễ tan trong nước và khi tan
phát nhiều nhiệt. Nó dễ tan trong rượu, khó tan trong benzen. Dung dịch FeCl
3
trong
một số dung môi hữu cơ dưới tác dụng của ánh sáng bị khử thành FeCl
2
, còn dung môi
bị oxy hóa hoặc clo hóa, ví dụ FeCl
3
với rượu tạo nên axetaldehyt.
Ở 440
o
C, tỉ khối hơi ứng với công thức kép Fe
2
Cl

6
; ở 750
o
C ứng với công thức đơn
FeCl
3
; trên 750
o
C ứng với sự phân huỷ FeCl
3
thành FeCl
2
và Cl
2
.
3.4.2 Hố tính.[8, 9]
Phản ứng với nước sôi, kiềm, chất oxy hố yếu, chất khử yếu. Tham gia phản ứng
trao đổi và tạo phức.
Khi nung FeCl
3
trong không khí hoặc cho luồng hơi nước đi qua sẽ chuyển thành
Fe
2
O
3
:
4FeCl
3
+ 3O
2

ct
o
2Fe
2
O
3
+ 6Cl
2
↑
.
2FeCl
3
+ 3H
2
O
ct
o
Fe
2
O
3
+ 6HCl
↑
.
3.4.3 Ứng dụng.[14]
Sắt (III) clorua dùng làm chất keo tụ cho các chất thải cống và công nghiệp, dùng
làm tác nhân oxy hóa và clo hóa, chất khử trùng, trong khắc đồng và chất cắn màu.
3.4.4 Điều chế.[8]
Sắt (III) clorua thu được khi cho khí clo khô qua bột sắt nung nóng đỏ tạo ra FeCl

3
khan:
2Fe + 3Cl
2

ct
o
2FeCl
3
.
Khi hồ tan sắt trong axit HCl, sau đó cho khí clo đi qua dung dịch, từ dung dịch
này tinh thể hexahidrat FeCl
3
.6H
2
O sẽ tách ra:
Fe + 2HCl
→
FeCl
2
+ H
2
↑
.
2FeCl
2
+ Cl
2

→

2FeCl
3
.
3.5 Sắt (II) sunfat
Công thức phân tử: FeSO
4
.7H
2
O.
Khối lượng phân tử: 278.03
3.5.1 Lý tính.[10]
FeSO
4
.7H
2
O là những khối lăng trụ xiên, thuộc hệ đơn tà.
Khi tan hồn tồn không có lẫn Fe
3+
thì muối có màu lam. Để ngồi không khí khô nó
vụn ra thành bột trắng và lại có màu lam khi tác dụng với nước. Tan trong nước và
glyxerin, không tan trong rượu.
Màu lục của thành phẩm chứng tỏ rằng trong đó có sắt (III). Thành phẩm đó hút
ẩm của không khí biến thành muối bazơ màu vàng.
Ở 73
o
C, FeSO
4
.7H
2
O có màu trắng.

Ở 90
o
C, nó nóng chảy và trên 250
o
C bắt đầu phân hủy và mất SO
3
.
Dung dịch nước để ngồi không khí sẽ sinh ra kết tủa vàng của muối bazơ.
FeSO
4
khan có trọng lượng riêng 3.4
Bảng 3.3: Độ tan của FeSO
4
trong nước.
t
o
C FeSO
4
t
o
C FeSO
4
t
o
C FeSO
4
0 15.53 20.2 32.71 70.0 35.93
10.0 17.02 52.0 33.42 77.0 31.46
20.1 21.00 54.0 34.25 80.0 30.35
30.0 24.87 60.0 35.46 85.0 38.80

40.0 28.67 65.0 35.73 90.1 27.50
3.5.2 Hóa tính.[8]