bài giảng về công nghệ điện hóa

BÀI 10:
CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA
*****

ĐẠI CƯƠNG VỀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA
I.
Những khái niệm cơ bản
1.
Những ứng dụng thực tế của quá trình điện phân
2.
CÔNG NGHỆ ĐIỆN PHÂN ĐIỀU CHẾ XÚT - CLO
II.
Phương pháp catôt - rắn
A.
Muối và điều chế nước muối
1.
Điện phân
2.
Thùng điện phân
3.
Lưu trình công nghệ điện phân
4.
Cô đặc xút và điều chế xút rắn
B.
Cô đặc xút
1.
Sản xuất NaOH tinh thể
2.
C.
Hóa lỏng clo

I - Ðại cương về công nghệ điện hóa:
1 - Những khái niệm cơ bản :
Những quá trình hóa học xảy ra dưới tác dụng của dòng điện một chiều
là quá trình điện hóa .Dòng điện một chiều đi qua dung dịch điện li tạo nên
hiện tượng điện phân phân hủy các chất điện li và tạo ở các điện cực những
chất mới.
Bộ thiết bị chủ yếu của quá trình điện phân :
- Thùng điện phân
- Cực Catot :Khi dòng điện một chiều đi qua dung dịch điện li các
Cation chạy đến Catot
- Cực Anot :Khi có dòng điện một chiều thì các Anion chạy đến Anot sẽ
phóng điện trên các điên cưc này cho nên thế Catot và thế Anot gọi là thế
phóng điện của Cation và Anion.

2 - Những ứng dụng thực tế của quá
trình điện phân:
TOP
- Dùng để điều chế H
2
, O
2
, NaOH , Cl
2
để tổng hợp các hợp chất vô
cơ và muối.
- Dùng để tổng hợp các chất hưũ cơ
- Dùng để thủy luyện các kim loại như : Cu , Ni , Zn , Co , Cd , Na , K
, các kim loại quí và đất hiếm.
- Dùng để sản xuất các nguồn điện hóa (pin , Acquy ) và mạ điện

Phương pháp có nhiều ưu điểm :
Ô
-Công nghệ đơn giản.
-Sử dụng nguyên liệu và năng lượng tòan diện hơn.
-Tạo được nhiều sản phẩm có giá trị , có độ sạch cao.
Ô
Nhược điểm :Tiêu hao nhiều năng lượng

II- Công nghê điện phân điều chế xút - Clo:
Trong công nghiệp ,người ta dùng phổ biến 2 phương pháp sản xuất xút
-Clo:
-Phương pháp Catôt rắn hay màng cách.
-Phương pháp Catôt hay thủy ngân
A. Phương pháp Catôt rắn:
1. Muối & điều chế nước
muối:
TOP
NaCl là nguyên liệu chính để sản xuất xút và Clo bằng phương pháp
điện phân (NaCl có trong nước biển , mỏ muối )
Muối dùng làm nguyên liệu sản xuất xút - Clo phải theo các tiêu chuẩn
NaCl > 97,5% ; chất tan < 0,5 % ; Ca
2+
< 0,4% ; Mg
2+
< 0,05% ; K
+
<0,002% ;
SO
4
2-

<0,84%
Ca
2+
,Mg
2+
là những ion có hại cho quá trình điện phân , vì Ca , Mg tác
dụng với kiềm tạo thành hyđrôxýt khó tan , kết tủa trên màng cách , bịt kín các
lỗ màng , gây cản trở quá trình điện phân.
- Phương pháp xôđa - xút
- Phương pháp sữa vôi - xút
-Phương pháp sữa vôi - Sunfat
Phương pháp đầu thường dùng hơn .
MgCl
2
+ 2NaOH = Mg(OH)
2
+ 2NaCl
MgSO
4
+ 2NaOH = Mg(OH)
2
+ Na
2
SO
4

Trong công nghiệp thường kết tủa Mg bằng cách trộn nước muối mới
điều chế với nước muối hồi lưu từ công đoạn điện phân sang vì trong đó có
chứa NaOH .
Ca được kết tủa bằng xôđa .

CaCl
2
+ Na
2
CO
3
= CaCO
3
↓ + 2NaCl
Muốn kết tủa hoàn toàn Ca,Mg thì cần dùng dư xút và xôđa để tiết kiệm
acid ( để trung hòa ) và xôđa . Ngườita áp dụng biện pháp Cacbon hóa nước hồi
lưu bằng cách thổi CO
2
vào , xút sẽ chuyển thành xôđa
2NaOH + CO
2
= Na
2
CO
3
+ H
2
O.

2. Ðiện phân .
TOP
Sau khi tinh chế các tạp chất , nước muối được đưa sang công đoạn điện
phân .
a) Cơ sở lý thuyết của quá trình điện phân .
Anốt graphít (1) , Catốt sắt có dạng

lưới (2)
Chia thùng điện phân 2 phần :
- Không gian anốt (3)
- Không gian Catốt (4
Màng ngăn cách amiăng phủ trên
Catốt ở phía đối diện với anốt , ngăn
không gian Catốt và anốt . Nước
muối đưa vào không gian an
nốt

qua màng cách và Catốt , vào không gian Catốt rồi ra ngoài .
- Dung dịch ở điện phân không gian anốt gọi là anolit.
- Dung dịch ở điện phân không gian gọi là Catolit.
- Khi cho dòng điện một chiều qua thùng phân các anion OH
-
,Cl
-
về
anột , còn cation H
+
, Na
+
về catot để phóng điện .
Những ion nào có thể phóng điện thấp hơn thì phóng điện trước .Trên
Catot điện thế của Na
+
lớn hơn của H
+
nhiều .
Cho nên : H

+
+ e' = H ;2H → H
2

Do H
2
phóng điện ,nên H
2
O tiếp tục điện ly ,tạo thêm ion OH
-

Cl
-
- e' = Cl
Cl + Cl = Cl
2

Ngoài ra ,trong quá trình điện phân còn xảy ra các quá trình phụ để hạn
chế các phản ứng cần phải dùng màng cách ngăn không cho các1 sản phẩm chủ
yếu OH
-
(Catolit) trộn lẫn với anolit.
Dung dịch NaCl liên tục chảy từ không gian anot sang không gian catot
,màng cách ngăn còn có tác dụng giử cho H
2
và Cl
2
không tác dụng được với
nhau tạo thanh hỗn hợp nổ.

b) Ðiều kiện điện phân:
Ðể thực hiên tốt quá trình điện phân ,cần phải bảo đảm các điều kiện
dưới đây:
-Duy trì mức độ phân hủy muối ăn khoảng 45 - 55% û Muối không bị
phân hủy sẽ theo dung dịch xút ra ngoài thùng điện phân .
-Nồng độ muối ăn trong dung dịch gần như bão hòa (khoảng 310 - 315
g/l)
vì dung dịch càng đậm đặc thì dộ tan của Cl càng thấp .
-Nhiệt độ điện phân tương đối cao ,khoảng 85 - 97°C,nhiệt độ cao cũng
có tác dụng hạn chế các quá trình điện phân như dung dịch muối đậm đặc .

3. Thùng điện phân:
TOP
Phổ biến nhất là thùng Hucke là loại thùng điện phân hình hộp chữ nhật
,màng cứng ,nó ưu điểm là :diện tích làm việc của điện cực cao .
-Thùng đi kín để tránh không cho không khí lọt vào làm loãng khí H
2

và tạo thành hỗn hợp nổ .
-Ðể tránh mất điện ,thùng điện phân được đặt trên một chân càch điện ,
nước muối được đưa vào thùng cũng như dung dịch kiềm đưa ra khỏi thùng
đều qua các bộ phận ngắt dòng đặt biệt.

4. Lưu trình công nghệ điện phân:
Dung dịch NaCl sau khi tinh chế và gia nhiệt 80°C , được đưa vào thùng
chứa rồi từ đó phân phối vào các thùng điện phân (2) .
Từ thùng điện phân ra , khí H
2
đưa vào tháp làm lạnh (3) . Từ tháp ra
khí H

2
được máy nén (4) đưa đến nơi tiêu thụ.
Còn khí Cl
2
được đưa vào tháp đệm làm lạnh (5) , từ (5) ra khí Cl
2
có
nhiệt độ khoảng 15 → 20°C và độ ẩm 90%.

Sơ đồ nguyên lý lưu trình công nghệ điện phân NaCl theo phương pháp Catốt
rắn.
1. Thùng chứa nước muối ; 2 . Thùng điện phân ; 3,5 .Tháp làm lạnh ; 4,13 .
Máy nén ; 6,7 . Tháp sấy khô Clo ;
8 .Thùng chứa acid H
2
SO
4
; 9 . Thiết bị làm lạnh acid ; 10. Thùng cao vệ ; 11 .
Thùng chứa acid H
2
SO
4
;
12 . Thùng lọc ; 14 . Thùng chứa xút

Sau đó được đưa vào 2 tháp sấy khô (6) và (7) để loại nước bằng acid
H
2
SO
4

(96%) ; đưa vào thùng cao vê (10) ; rồi đưa vào tháp chứa (11) . Sau đó
đưa lên đỉnh tháp sấy khô (7) , môt phần acid ra khỏi tháp được đưa sang thùng
chứa (8) , rồi bơm sang thiết bị làm lạnh (9) lên đỉnh tháp (6) . Tại đây acid lên
đến 74% đem đi xử lý .
Khí CO
2
sau khi sấy khô ở tháp (7) có độ ẩm không quá 1,5 g/m3 , qua
thùng lọc (12) để loại acid H
2
SO
4
.
Còn dung dịch xút , từ thùng điện phân ra ,chảy vào thùng chứa (14) ,
rồi đưa sang bộ phận cô đặc và điều chế xút rắn .

B. Cô đặc xút & điều chế xút rắn :
1. Cô đặc xút :
TOP
Xút điều chế thành phần chủ yếu là :
NaOH 100 →140g/l
NaCl 160 → 200g/l
Nước ≈ 900g/ml
Ta thấy hàm lượng NaOH thấp , lẫn nhiều muối , nên không thể sử dụng
trực tiếp được , nên phải cô đặc .
Ta biết rằng độ tan của muối giảm khi nồng độ xút tăng , do vậy bằng
phương pháp cô đặc ta nâng cao nồng độ của NaOH , đồng thời loại được muối
ăn trong dung dịch . Sau khi cô đặc đem làm lạnh , sẽ tách thêm được muối .
Trong công nghiệp cô đặc NaOH theo 2 giai đoạn:
- Giai đoạn 1 : cô đặc qua 3 nồi liên tiếp cho tới nồng độ 25 → 26%
NaOH (khoảng 340g/l) .

- Giai đoạn 2 : dùng hơi để cô đặc tiếp dung dịch xút đến nồng độ 42 →
50%

2. Sản xuất NaOH tinh thể .

C. Hóa lỏng Clo:
TOP
Hóa lỏng Clo là một khâu quan trọng , và rất có lợi .
- Ta trữ Clo với lượng lớn , trong một thời gian dài .
- Cung cấp được Clo lỏng & Clo khí có hàm lượng cao ,với áp suất ổn
định :
- Ta có thể vận chuyển Clo đi xa trong các bể chứa .
+ Ðể hóa lỏng Clo , người ta có thể dùng 1 trong 3 phương pháp làm
lạnh sâu :nén cho áp suất lên tới 0,8 atm rồi làm lạnh tới -35→ -45°C.
Nén tới áp suất cao -12atm mà không cần phải làm lạnh
Hỗn hợp : Kết hợp 2 phương pháp trên , nén Clo tới áp suất thấp
khoảng 5atm, đồng thời làm lạnh ở mức độ thấp hơn ( không quá -18°C) .