Kỹ thuật sản xuất các hợp chất vô cơ cơ bản - Phương pháp catot rắn docx

 

Quy trình công nghệ tổng quát
 !"
#$!%&' (!
$!%()*$+
,(-!.(
!/012
$32
xút
45 3
3236(7
8(7!9-
:;36(7
"<=$
>0()*$+?()*$+!@3)A
$; 23
Phương pháp catot 1B(

 

Quy trình công nghệ sản xuất xút-clo theo phương pháp catot rắn
Điều chế
và
tinh chế
nước muối
Điện phân
Cô đặc
catolit

Hóa lỏng
clo
Sản xuất
khí
và axit HCl
!)C(7-!D-$; 2 1B(

 


3.2.2 Điều chế và tinh chế nước muối
cơ sở lí thuyết
Phương pháp catot 1B(
Thành phần muối:
12(7+EF( !'(!-!G($!H(!3';3$I($:$D$ J-$!K L!"(7 ;((!)$D M
<K N&'$D$ J-$!K !I; ;(L!D$(!)73
O
MM7
P
M;3
O
M;
P
MQ3N
R( 12(7$"(7(7!,- !)S(7$: !'(!-!G(T;
!'(!-!G( ;3 ;
OU
7
OU
Q

U

P
O
V !K 
L!"(7
;(
'+
3)9(7?WA
XYZ[M\ ]Y^MP ]Y^M^\ ]Y^M^O ]Y^M_P ]Y^M\

 


Điều chế nước muối
Quá trình hòa tan muối biển trong nước
!D&`+J(7
3)* (! !F
$a;+
01; !:;$D$
2($a;+
!/F($D$-!.( b
()*$ *E#+=  (! !F+
&'$!/F($D$2(!/01;
1;0(70c$!d

 

!)C(7-!D-$; 2 1B(
e/3f 

!, <g R(7M $<g!I; ;( R(7
g(!*  R(7M $<g!I; ;(7h+
@(7<g0(70c$! R(7M $<g!I; ;(7h+
$<gL!K/ 1g( R(7M $<g!I; ;( R(7
>(70c$!()*$+ J2 !'(!-!h$:(@(7<g5K-5iEh2!I;Ej&k
(@(7<g()*$+$'(7$;2 !kL!h(R(7!I; ;(L!H32 12(7()*$
+$'(7(!6M<g0l(<,($a;()*$+$'(7 R(7

 

Tinh chế nước muối.

Ảnh hưởng của các tạp chất trong nước muối tới quá trình điện phân:

Tạp chất không tan (bùn, cát,…): làm màng ngăn bị tắc → giảm tốc độ nước muối qua màng hoặc làm tăng hàm
lượng H2 trong khí Cl.

Tạp chất hòa tan như: Ca
2+
, Mg
2+
trong nước muối sẽ tác dụng NaOH trong thùng điện phân tạo thành kết tủa khó
tan bám lên màng ngăn bịt kín lỗ màng làm giảm tốc độ nước muối qua màng, đồng thời tăng điện trở của màng dẫn
tới tăng điện áp của thùng điện phân.
Các ion SO4
2-
,CO3
2-
,… và các tạp chất chứa oxy khác trong nước muối sẽ làm giảm hiệu suất dòng điện, và làm
cho anot bị ăn mòn nhanh hơn

 

Tinh chế nước muối

Đối với tạp chất không tan , người ta dùng phương pháp như lắng hoặc lọc

Đối với tạp chất hòa tan, người ta dùng phương pháp kết tủa tạp chất bằng hóa chất thích hợp sau đó dùng phương pháp
lắng hoặc lọc để tách chúng

Để tách ion Ca
2+
,Mg
2+
, người ta dùng phương pháp soda-xút.


Ca
2+
+ CO3
-2
= CaCO3 ↓
Mg
2+
+ 2OH
-
= Mg(OH)2
Trong thực tế sản xuất, để kết tủa hoàn toàn ion Ca
2+
,Mg

2+
thì luợng Na2CO3,NaOH phải dư. Sau đó người ta trung hòa lượng
soda và xút dư trong nước muối tinh chế bằng dd HCl.
!)C(7-!D-$; 2 1B(

 

Để tiết kiệm sođa và NaOH, ở nhiều nhà máy người ta áp dụng biện pháp cacbonat hóa nước muối hồi lưu (nước muối có chứa một lượng
NaOH nhất định) bằng cách hấp thu CO2 vào để chuyển hóa một phần xút thành sođa theo phản ứng:
2NaOH + CO2 = Na2CO3 +H2O
Nhưng vậy trong nước muối hồi lưu có cả sođa lẫn xút với hàm lựơng đủ để kết tủa hoàn toàn ion Ca
+2
,Mg
+2
, trong nước muối tinh chế.
!)C(7-!D-$; 2 1B(
m
F D$!2(
P
OV
(7)S ;0n(7 !$ !bo;3
O
<F D$!$!p(7j0J(7L%  a;o;
P

!q2-!h(r(7
o;
OU
U
P

OV
Yo;
P
s
!t(7/u$G$a;()*$+T; (!$!%
!i u
;3 ;

; ;
P
;
OU
7
OU
'+
3)9(7?7v3A
310± 5 0,3 0,05-0,1 5 5 1

ewxy
z
O
\

{
[
_
P
Z z^
zz
zO

 !"
)*$+!@3)

O

)*$+!@3)
Q!H !h
>03
)*$
+
TJ$!

O
on(
zd !% Ec!I; ;(
Od oF$!r;()*$+ !"
M_Mzz !% Ec7;(!, 
{d!% Ec$;$E2(; !:;
Pd!% Ec!|(!9-
\M[Mz^ !n(7$!r;
Z !% Ec3B(7
zO !% Ec3}$
Sơ đồ công nghệ điều chế và tinh chế nước muối

 


Điện phân nước muối
Cơ sở lí thuyết
Các quá trình điện cực

Quá trình chính?~D 1k(! J21;Th(
-!•++2(7+(A
>)* D$0€(7$a;<,( 1)S(7
?L!$:0I(7<,(+g $!#<~;00A
$D$$; 2(;
U
M
U
$!/F(&#
$; 2 M$D$;(2(
3
V
M
V
$!/F(&#;(2
VU
$; 2
;(2
O

z
zd7R(;(2
Od7R($; 2
d'(7(7R(
Sơ đồ điện phân dung dịch nước muối
!)C(7-!D-$; 2 1B(

 

Quá trình trên catot

Vì dung dịch điện phân là dung dịch nước muối trung tính (ph=7 ) có nồng độ 310g NaCl/ l(5,4M), nên trên catot
bằng sắt của thùng điện phân thế phóng điện thực tế của ion H
+
bằng –0,41V dương hơn thế phóng điện thực tế
của ion Na
+
xấp xỉ bằng -2,7V .Do đó trong quá trình điện phân, trên catot ion H
+
phóng điện tạo ra H2
2H2O  2H
+
+ 2OH
-
2H
+
+ 2e  H2
2H2O + 2e  H2 + 2OH
-
Ion Na
+
không phóng điện sẽ kết hợp với ion OH
-
sinh ra tạo thành NaOH trong catotit( dung dịch phía catot).
!)C(7-!D-$; 2 1B(

 

Quá trình trên anot
Ion Cl
-

, OH
-
cùng chuyển về anot, nhưng do anot của thùng điện phân bằng graphit nên thế phóng điện thực tế của OH
-
là 1,91V
dương hơn thế phóng điện thực tế của Cl
-
là 1,58V. Do đó trong quá trình điện phân ,trên anot ion Cl
-
phóng điện tạo ra Cl2

Cl
-
-e

 Cl
Cl + Cl  Cl2
Quá trình phụ (quá trình không mong muốn )
Quá trình phụ trên anot và trong anolit(dd trong ngăn anot)
Trên anolit luôn luôn có mặt ion OH
-
do nước phân li và từ catolit chuyển về. Do thế phóng điện của OH
-
dương hơn Cl
-
không
nhiều nên một phần OH
-
cũng phóng điện trên anot.

4OH
-
-

4e  2H2O +O2

o2 tao thành ăn mòn anot graphit 2C + O2 = 2CO
2CO + O2 = 2CO2
!)C(7-!D-$; 2 1B(

 

Cl2 tạo thành trên anot một phần tan vào anolit, sau đó tác dụng với nước tạo thành HClO, HCl.
H2O + Cl2  HClO +HCl ∆H<0

Độ hòa tan của Cl2 trong anolit phụ thuộc vào nồng độ của NaCl và nhiệt độ theo quy luật:độ tan giảm khi nồng độ NaCl
tăng , nhiệt độ tăng

Axit HClO tạo thành trong dung dịch sẽ bị phân li tạo thành ion ClO
-
HClO  H
+
+ClO
-
Ion ClO
-
tạo thành có điện thế phóng điện âm hơn Cl
-
, nên dễ dàng phóng điện tạo thành ion ClO3
-

6ClO
-
+6 OH
-
-6e = 2ClO3
-
+4Cl
-
+3O +3H2O

Ngoài ra HClO còn tác dụng với NaOH tạo thành nhiều sản phẩm.
!)C(7-!D-$; 2 1B(

!)C(7-!D-$; 2 1B(
Ví dụ: HClO + NaOH = NaClO + H2O
NaClO + 2HClO = NaClO3 + 2HCl
NaClO + NaClO = NaClO3 + 2HCl
NaClO2 + NaClO2 = NaClO4 + NaCl

Quá trình phụ trên catot và trong catolit:
Do các phản ứng mà trong anolit luôn có mặt các cấu tử Cl2, ClO3
-
, ClO
-
. Vì màng ngăn không có khả năng cách li
hoàn toàn các cấu tử giữa anolit và catolit, nên một phần Cl2, ClO3
-
, ClO
-
, từ anolit khuyếch tán sang catolit . Sự

có mặt của các cấu tử này trong catolit sẽ gây ra các phản ứng phụ sau:

!)C(7-!D-$; 2 1B(

OH
‑
+ Cl2 = Cl
-
+ HClO
OH
‑
+ HClO = ClO
-
+ H2O
Ion ClO
-
và ClO3
-
sẽ bị khử trên catot theo các
phản ứng sau:
ClO
-
+ 2H
+
+2e ↔ Cl
-
+ H2O
ClO3
-
+ 6e + 6H

+
↔ Cl
-
+ 3H2O
Như vậy, các quá trình phụ trên catot và trong catolit hoàn toàn phụ thuộc vào lượng Cl2,
ClO3
-
, ClO
-
từ anolit chuyển sang catolit. Có nghĩa là phụ thuộc các quá trình phụ trên
anot và trong anolit.

!)C(7-!D-$; 2 1B(
Các quá trình phụ đều có ảnh hưởng không tốt tới quá trình điện phân, biểu hiện cụ thể là làm giảm hiệu suất dòng diện và giảm chất
lượng sản phẩm. Để hạn chế các quá trình điện phân, cần phải hạn chế các quá trình phụ trên anot và anolit.

Biện pháp hạn chế quá trình phụ:
1.Hạn chế sự khuếch tán OH
-
từ catolit sang anolit:
dùng màng ngăn, cho dung dịch nước muối liên tục từ anot sang catot,
giảm nồng độ OH
-
trong catolit,…
2.Hạn chế sự hòa tan của clo vào anolit:
R(7(@(7<g;3 12(7()*$+d
R(7(!, <g~D 1k(!<,(-!.(

 



Phân riêng sản phẩm
Quá trình điện phân thu được 3 sản phẩm H2,Cl2 và dd catolit.
Mục đích của việc phân riêng là để thu được từng sản phẩm riêng lẻ, đồng thời tránh được hiện tượng trộn lẫn
H2,Cl2 tạo hỗn hợp nổ nguy hiểm.
Có nhiều phương pháp phân riêng nhưng phổ biến là phân chia khu vực anot và catot bởi một màng
ngăn.màng ngăn thường dùng là bằng sứ xốp,bằng vải amiăng, bằng giấy amiăng.

Thùng điện phân
Nhằm hạn chế sự vận chuyển của ion OH
-
từ catolit sang anolit cần phải cho nước muối chảy liên tục từ anolit
sang catolit.Để hạn chế điều này thường tiến hành qúa trình điện phân trong thùng điện phân kiểu màng
lọc
!)C(7-!D-$; 2 1B(

 


Trong thùng điện phân kiểu màng lọc
thẳng đứng nước muối chứa đầy ở anolit.
Do chêch lệch áp suất thủy tĩnh giữa anolit
và catolit nên nước muối chảy từ anolit
sang catolit qua màng ngăn. Khi quá trình
điện phân sảy ra NaOH và H2 được tạo
Thành ở không gian catot còn Cl2 tạo thành
ở không gian anot.
V U

z

O
\
P

O
3
O
)*$+
$; 23
!)C(7-!D-$; 2 1B(
zd4(2
Od; 2 d(7R(;(2 Pd(7R($; 2 \d+'(7(7R(

!)C(7-!D-$; 2 1B(

!)C(7-!D-$; 2 1B(
 Điện áp thùng điện phân và điện năng tiêu hao cho quá trình điện phân.

Điện áp thùng điện phân (Eth).
Điện áp một chiều đặt vào thùng điện phân
được xác định bởi công thức:
Eth = Eph + ∆ϕCl + ∆ϕH + Edd + Em + Ekt +Etx+Eđc(V)
Trong đó:
Eph = ( ϕph.Cl
-
) – ( ϕph.H
+
) (V)
{ điều kiện điện phân thông thường Eph= 2,172 (V)
∆ϕCl , ∆ϕH : là quá thế của Cl2 và H2 trên điện cực anot và catot.

00<,(D- 1u(0(70c$!d +<,(D- 1u(+'(7(7R(d
L <,(D-L!%$! D(d  5<,(D- %-5p$d
<$<,(D- 1u(<,($•$d
D$<,(D-('/<)9$5D$<c(!E‚(7<c(!3f +d

!)C(7-!D-$; 2 1B(

Điện năng tiêu hao cho quá trình điện phân:
Điện năng một chiều (W1):
W1 = Eth + Q/q (kWh)
Trong đó:
Eth: điện áp của thùng điện phân (V).
Q: khối lượng sản phẩm (kg).
q: hệ số sản phẩm (phụ thuộc vào loại sản phẩm điện phân).
Loi sn phm NaOH Cl
2
H
2
Giá tr ca q 1,4925 1,3246 0,0373
,((R(752;/$!#?ƒOA
ƒOYƒzvηz?Lƒ!A
ηz!,TK $!i(!3)0I(752;/$!# !'(!0I(7+g $!#d

!)C(7-!D-$; 2 1B(
Thành phần catolit, anolit, quan hệ giữu thể tích catolit và thể tích dung dịch
nuớc muối ban đầu.
; 23 3'0(70c$!$!r;$D$$!K  ;($!H(!;3M;&*(@(7<g )C(7
r(7
z
&'

O
dt;
z
M
O
&'
^
?(@(7<g;3 12(7()*$+<);&'2
!n(7<,(-!.(A3u(!,&*(!;Ej-!)C(7 1k(!

^
Y
z
U^M_
O
!;/
z
Y
^
^M_
O
?d\A
12(7<:
M

zM

O
M
^

3'(@(7<g+23v3
e;(!,7t; !F H$!()*$+E;(<G&' !F H$!$; 23
12(7<:„
^
M„
L
3' !F H$!()*$+E;(<G<);&'2<,(-!.(&' !F H$!
$; 23  !<)9$?3 Ad
„
L
Y

^

z
U
O
…„


!)C(7-!D-$; 2 1B(


Thành phần của anolit

Trong anolit chủ yếu là NaCl, nhưng nồng độ NaCl trong anolit luôn nhỏ hơn nồng độ NaCl
trong nước muối ban đầuđưa vào quá trình điện phân. Nồng độ NaCl trong anolit phụ thuộc vào
nồng độ của NaOH trong catolit.
CA = 300 – a.CK (3.7)


Trong đó : CA là nồng độ NaCl (g/l) trong anolit
CK : nồng độ của NaOH trong catolit (g/l)
a: hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào. CK

Q
?7v3A Z^ z^\ zO^ z^ zP^
; zM^\^^ zM^P_^ zM^O\^ ^MZZ^\ ^MZ{^^

!)C(7-!D-$; 2 1B(

Hệ số phân hủy muối (Km):
Hệ số phân hủy muối là tỉ số giữa lượng muối bị phân hủy trong quá trình điện phân và lượng muối đưa vào quá trình điện phân.
(3.8)

Trong đó: C1 ,C2 là nồng độ của NaCl và NaOH (mol/l) trong catolit

Hiệu suất dòng điện (A)
Hiệu suất dòng điện là tỷ số giữa khối lượng sản phẩm thực tế thu được và khối lượng sản phẩm lý thuyết có thể thu được.
m (3.9)
m0
Trong đó : m là khối lượng sản phẩm thực tế thu được từ quá trình điện phân (g). mo là khối lượng sản phẩm tính từ lượng
điện năng tiêu thụ

Q
+
Y

O

z

U
O
Y4